放大器实验板电路设计论文提纲

2022-11-15

论文题目：超低磁场的核磁共振梯度功率放大器设计

摘要：核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）作为一种具有广阔应用前景的医学影像诊断方法,以无损伤性检查、多种图像类型、图像对比度高、心血管成像无需造影剂增强等特点,为医学诊断提供丰富的影像信息。目前国内医疗影像行业发展迅速,但是国产核磁共振成像设备性能与进口设备相比仍存在不小差距,并且成像设备高昂的价格和复杂的外部设备严重限制了其应用。便携式核磁共振移动诊断设备逐步成为医学领域的一个重要发展方向。超低场核磁共振能够降低设备磁体子系统的设计制造难度,体积小巧,轻便灵活,已经在科研和临床诊断上展现巨大的应用潜力。其中梯度功率放大器系统作为核磁共振成像的核心子系统之一,为梯度线圈提供大功率高精度梯度电流,对核磁共振成像效果起着决定性的作用,但是目前我国梯度功率放大器仍主要依赖进口,因此研发高性能国产梯度功率放大器具有重要意义。针对上述情况,本文结合核磁共振系统实际工程需求,分析比较国内外技术方案,研发了基于“FPGA+STM32”架构的超低场核磁共振梯度功率放大器。本文对梯度功率放大器硬件平台进行了设计与测试,并对快速预测控制在梯度功率放大器控制系统中的应用实现进行了研究,具体工作如下:（1）研究并设计了超低场核磁共振梯度功率放大器的硬件平台系统,完成了FPGA+STM32主控制器电路、高速AD采集电路、高精度锯齿波发生电路、移相并联四桥臂驱动电路、模拟式PID控制电路、电流正反向H桥电路等的原理图和PCB设计,并对所设计各个模块硬件电路进行了测试,硬件平台系统达到预期设计目标。（2）研发了基于“FPGA+STM32”架构的梯度功率放大器数据处理与控制程序,包括:高速AD采集FPGA程序、高精度锯齿波发生FPGA程序、PWM反相加死区FPGA程序以及FSMC数据通信程序等,设计了系统软件测试方案,并在所搭建的硬件平台上对系统软件功能进行了测试。实现了FPGA与STM32数据FSMC通信,完成了对PID参数的实时动态调节;实现了4路移相高精度锯齿波生成,锯齿波输出调节精度20ns;完成了八路移相加死区PWM信号稳定可靠输出,PWM输出调节精度10ns。设计了梯度功率放大器PID闭环控制实现方案,在saber电路仿真软件中对四桥臂移相并联输出+PID闭环控制整体设计方案进行仿真分析,在硬件平台上对梯度功率放大器闭环控制方案跟踪输出性能进行了测试。梯度功率放大器跟踪上升/下降时间220us左右,最大输出电流可达50A,所设计梯度功率放大器满足设计指标。（3）研究了提高梯度功率放大器性能的快速预测控制方法,进一步提高了PID控制响应速度和跟踪精度。设计了快速预测控制梯度功率放大器电路,使用快速预测控制提高系统闭环反馈控制速度,快速得到控制系统误差信号输出结果,进行PID运算处理,提高了控制响应速度,进而提升了梯度功率放大器跟踪性能。针对快速预测控制与不同梯度功率放大器系统参数进行匹配,以达到最优控制的问题,设计了一种参数最优匹配快速预测控制电路。实验测试表明:引入参数最优匹配快速预测控制电路后,梯度功率放大器的上升/下降时间从220us降低到了138us,跟踪响应速度提升了42.8%。

关键词：核磁共振;梯度功放;移相并联;PID控制算法;快速预测

学科专业：工程（电气工程）（专业学位）

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内发展现状

1.3 课题的研究意义和主要内容

1.4 本文组织架构

2 梯度功率放大器原理分析与系统总体方案设计