DE19706756A1 - Gradientenverstärker für einen Kernspintomographen und Kernstpintomograph - Google Patents
Gradientenverstärker für einen Kernspintomographen und KernstpintomographInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Gradientenverstärker für einen
Kernspintomographen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie
einen Kernspintomographen.
Bekannte Kernspintomographen weisen in der Regel drei Gra
dientenspulen auf, um lineare Magnetfeldgradienten in x-, y-
und z-Richtung zu erzeugen. Jede dieser Spulen wird von einem
genau geregelten Strom durchflossen, der von einem Gra
dientenverstärker erzeugt wird. Der Strom ist bei einem bei
spielhaften Gradientenverstärker in einem Bereich zwischen 0
und 300 A bis auf wenige mA genau einstellbar. Ferner ist ei
ne Stromanstiegsgeschwindigkeit von etwa 3.105 A/s erforder
lich, wozu eine Spannung von etwa πm 300 V an die Spule ange
legt werden muß.
Der Gradientenverstärker enthält für jede Gradientenspule ei
nen Stromregler. Die Eigenschaften des Reglers müssen an die
angeschlossene Gradientenspule angepaßt sein. Wegen der hohen
erforderlichen Genauigkeit ist bei bekannten Tomographen ein
aufwendiger Abgleich durch einen geschulten Servicetechniker
erforderlich. Für jeden Regler müssen mehrere Potentiometer
von Hand eingestellt werden.
Die Erfindung hat demgemäß die Aufgabe, einen Gradienten
verstärker eines Kernspintomographen bereitzustellen, bei dem
zumindest während des Betriebs, vorzugsweise auch bei der
Herstellung, Installation und Wartung, der mit dem Abgleich
der Reglereinstellung verbundene Aufwand verringert ist. Fer
ner soll die Erfindung einen Kernspintomographen bereitstel
len, bei dem ein derartiger Gradientenverstärker möglichst
wirkungsvoll genutzt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Gradienten
verstärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ei
nen Kernspintomographen mit den Merkmalen des Anspruchs 9 ge
löst. Als ein "Steuerwort" wird dabei ein Datenwort bezeich
net, das ein oder mehrere Bits breit ist. Ein "Eingang" für
ein solches Steuerwort weist eine oder mehrere Leitungen auf,
über die das Steuerwort parallel, seriell oder in Mischformen
übertragen werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann der Gradientenverstär
ker einfach auf unterschiedliche Regelkennlinien eingestellt
werden, ohne daß bei der Umstellung ein Abgleich von Hand er
forderlich wäre. Damit wird der erfindungsgemäße Gradienten
verstärker insbesondere für solche Tomographiegeräte einsetz
bar, die mehrere Betriebsmodi aufweisen, in denen unter
schiedliche Einstellungen der Regeleinrichtung erforderlich
sind. Das sind beispielsweise in der Entwicklung befindliche
Tomographiegeräte mit mehreren Sätzen von unterschiedlichen
Gradientenspulen, etwa Ganzkörper-Gradientenspulen und Kopf-
Gradientenspulen, zwischen denen umgeschaltet werden kann.
Die Übertragungsfunktion der Regeleinrichtung wird von dem
Regler und von den sonstigen Baugruppen der Regeleinrichtung
(z. B. dem Vergleicher) bestimmt. Bevorzugt sind die Eigen
schaften der sonstigen Baugruppen fest vorgegeben, und nur
die Übertragungsfunktion des Reglers ist durch das digitale
Steuerwort einstellbar. Zusätzlich oder als Alternative kann
jedoch beispielsweise ein Vergleicher mit einem einstellbaren
Verstärkungsfaktor verwendet werden, oder es können einstell
bare Verstärker an den Eingängen des Vergleichers vorgesehen
sein. Das Steuerwort kann Komponenten zur Einstellung des
Reglers und Komponenten zur Einstellung der sonstigen Bau
gruppen enthalten.
In einer besonders einfachen Ausführungsform des Gradienten
verstärkers ist der Regler nur zwischen relativ wenigen Über
tragungsfunktionen umschaltbar, von denen jede für einen mög
lichen Betriebsmodus (beispielsweise für eine bestimmte Gra
dientenspule) vorgesehen ist. Dazu können mehrere Sätze von
Einstellungspotentiometern mit geeigneten Schaltelementen
(z. B. Relais) vorgesehen sein. Durch das digitale Steuerwort
wird genau einer dieser Sätze ausgewählt.
Bei dieser Ausführungsform ist im Normalbetrieb des Tomo
graphen keine Reglerjustierung erforderlich. Dies stellt ei
nen erheblichen Vorteil dar, da Tomographen mit mehreren Be
triebsmodi dadurch erst praktisch einsetzbar werden. Aller
dings ist mit der Erstinbetriebnahme eines solchen Tomo
graphen ein sehr großer Abgleichaufwand verbunden, der mit
der Anzahl der Betriebsmodi (z. B. der unterschiedlichen Spu
len) ansteigt.
Daher sind nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin
dung eine Vielzahl von vorgegebenen Übertragungsfunktionen
vorgesehen, von denen im praktischen Betrieb nur einige (näm
lich für jeden Betriebsmodus eine) verwendet werden. Vorzugs
weise sind die vorgegebenen Übertragungsfunktionen so fein
abgestuft, daß sich der gesamte Abgleich der Regeleinrichtung
in der Zuordnung je einer Übertragungsfunktion für jeden Be
triebsmodus erschöpft. Der Abgleich kann dann teilweise oder
vollständig rechnergestützt vorgenommen werden, ohne daß eine
manuelle Einstellung von Potentiometern erforderlich wäre.
Ein derartiger rechnergestützter Abgleich ist wegen der Ar
beitsersparnis selbst bei Tomographen vorteilhaft, die nur
einen einzigen Betriebsmodus aufweisen.
Wenn die Anzahl vorgegebener Übertragungsfunktionen sehr hoch
ist, werden diese bevorzugt als Binärzahlen in dem Steuerwort
oder einzelnen Komponenten des Steuerwortes codiert. Bei
spielsweise kann ein Steuerwort 14 Bit aufweisen (gegliedert
in 2 Komponenten zu je 7 Bit, durch die unabhängige Anteile
der Übertragungsfunktion bestimmt werden). Damit ist eine aus
214 = 16384 Übertragungskennlinien auswählbar.
Bevorzugt ist der Regler als PI-Regler oder als PID-Regler
ausgebildet und weist für jeden Reglerzweig einen digital
einstellbaren Verstärker auf, dessen Verstärkungsfaktor von
einer Komponente (einem oder mehreren Bits) des Steuerworts
bestimmt wird. Das Steuerwort wird vorzugsweise über eine
Kommunikationsverbindung von einer zentralen Anlagensteuerung
zu dem Gradientenverstärker übertragen und dort an den Steu
ereingang der angesprochenen Regeleinrichtung angelegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Kernspintomograph ist eine Steuer
wort-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines digitalen Steu
erworts vorgesehen, das der mindestens einen Regeleinrichtung
des Gradientenverstärkers zugeführt wird. Damit kann die Re
geleinrichtung schnell und ohne Aufwand auf unterschiedliche
Gradientenspulen eingestellt werden.
Bevorzugt ist die Steuerwort-Erzeugungseinrichtung baulich
entweder dem Gradientenverstärker oder einer zentralen An
lagensteuerung zugeordnet. Im einfachsten Fall wird die Art
der angeschlossenen Gradientenspule manuell eingegeben; be
vorzugt ist jedoch eine automatische Abtasteinrichtung vorge
sehen, die die Spulenart selbständig ermittelt und eine ent
sprechende Information an die Steuerwort-Erzeugungseinrich
tung ausgibt.
In bevorzugten Ausführungsformen ist ferner eine Kalibrier
einrichtung vorgesehen, die baulich entweder dem Gradienten
verstärker oder der zentralen Anlagensteuerung zugeordnet
sein kann. Die Kalibriereinrichtung vermag je nach den Eigen
schaften einer angeschlossenen Gradientenspule eine Über
tragungsfunktion der Regeleinrichtung auszuwählen, die vorge
gebene Eigenschaften aufweist. Dies geschieht vorzugsweise in
Abhängigkeit von mindestens einem Rückmeldesignal, beispiels
weise einem Sollwertsignal und/oder einem Istwertsignal
und/oder einem Reglersignal und/oder einem Reglerdifferenz
signal.
Vorzugsweise weist die Kalibriereinrichtung unabhängig davon,
welchen Baugruppen sie zugeordnet ist, eine Verarbeitungs
einrichtung und/oder eine Wandlerbaugruppe und/oder einen
Pulsgenerator und/oder eine Auswerteschaltung auf. Als Ver
arbeitungseinrichtung dient bevorzugt ein Prozessor des Gra
dientenverstärkers oder die zentrale Anlagensteuerung.
Zum Bestimmen der gewünschten Übertragungsfunktion werden
vorzugsweise die Eigenschaften einzelner Zweige des Reglers
nacheinander schrittweise an eine gewünschte Charakteristik
des Rückmeldesignals angenähert.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
übrigen Unteransprüchen definiert.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter
Hinweis auf die schematischen Zeichnungen beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der die Erfindung betref
fenden Baugruppen eines Tomographen in einem
besonders einfachen Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein Blockschaltbild wie in Fig. 1, jedoch in
einem weiterentwickelten Ausführungsbeispiel,
das von den Erfindern gegenwärtig als der be
ste Weg zum Ausführen der Erfindung erachtet
wird,
Fig. 3a-3f Zeitdiagramme von Regelsignalen,
Fig. 4 und 5 je ein Schaltbild eines Verstärkers mit digi
tal einstellbarem Verstärkungsfaktor,
Fig. 6 ein Schaltbild einer Regeleinrichtung,
Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Gradientenverstär
kers in einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
Fig. 8 Zeitdiagramme des Ablaufs der Übertragung ei
nes Steuerworts, und
Fig. 9 ein Blockschaltbild des Gradientenverstärkers
in einem weiterentwickelten Ausführungsbei
spiel.
In Fig. 1 sind von den diversen Komponenten eines Kernspin
tomographen eine Anlagensteuerung 10 und ein Gradientenver
stärker 12 gezeigt. Die Anlagensteuerung 10 weist einen Da
tensatzspeicher 14 auf, der mehrere Datensätze mit je drei
digitalen Steuerworten und weiteren Informationen aufzunehmen
vermag. Der Datensatzspeicher 14 ist von der Anlagensteuerung
10 lesbar und beschreibbar. Über eine Kommunikationsverbin
dung 16 können diverse Befehle und Daten zwischen der Anla
gensteuerung 10, einem Prozessor 18 des Gradientenverstärkers
12 und weiteren, in Fig. 1 nicht gezeigten Komponenten des
Tomographen ausgetauscht werden.
Der Gradientenverstärker 12 weist in an sich bekannter Weise
eine Vielzahl von Bauelementen auf, insbesondere drei gere
gelte Leistungsverstärker mit je einem Vergleicher, einem
Regler, einem Pulsweitenmodulator und einer getakteten Schal
tendstufe. Jeder Leistungsverstärker versorgt eine aus
tauschbare Gradientenspule mit einem exakt geregelten Strom.
Von diesen Bauteilen sind in Fig. 1 nur die drei Regler 20,
20', 20'' gezeigt. Die Regler 20, 20', 20'' weisen je einen
Steuereingang 22, 22', 22'' auf, der an den Prozessor 18 ange
schlossen ist und über den der entsprechende Regler 20, 20',
20'' von dem Prozessor 18 digitale Steuerworte zur Einstellung
der Reglerkennlinie erhält. Der genaue Aufbau der Regler 20,
20', 20'' ist unten anhand von Fig. 6 beschrieben.
Bei der ersten Inbetriebnahme des Tomographen wird von einem
Servicetechniker für jede Gradientenspule eine geeignete Reg
lereinstellung in Form eines digitalen Steuerworts ermittelt.
Diese Steuerworte werden, gegebenenfalls zusammen mit weite
ren Informationen, als Steuerdatensätze im nicht-flüchtigen
Datensatzspeicher 14 der Anlagensteuerung 10 abgelegt.
Wenn während des normalen Betriebs des Tomographen eine Reg
lereinstellung erforderlich ist, liest die Anlagensteuerung
10 die entsprechenden Steuerdatensätze aus dem Datensatz
speicher 14 aus und übermittelt deren relevanten Inhalt, ins
besondere das Steuerwort, in Form eines Reglereinstellbefehls
über die Kommunikationsverbindung 16 an den Prozessor 18. Der
Prozessor 18 extrahiert das digitale Steuerwort aus dem Reg
lereinstellbefehl, ordnet es einem der Regler 20, 20', 20'' zu
und sendet es an den entsprechenden Steuereingang 22, 22',
22''. Eine derartige Reglereinstellung ist beispielsweise nach
jedem Einschalten des Tomographen oder nach einem Wechsel der
Gradientenspulen erforderlich.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist gegenüber dem in
Fig. 1 gezeigten in zwei voneinander unabhängigen Richtungen
vorteilhaft weiterentwickelt.
Erstens ist die Anlagensteuerung 10 über drei Abtastverbin
dungen 24, 24', 24'' an je eine Abtasteinrichtung 26, 26', 26''
angeschlossen. Jede Abtasteinrichtung 26, 26', 26'' erkennt
den Typ einer ihr zugeordneten Gradientenspule und übermit
telt ein entsprechendes Signal an die Anlagensteuerung 10.
Bei steckbaren Gradientenspulen können die Abtasteinrichtun
gen 26, 26', 26'' beispielsweise als Kontakte eines codierten
Steckers ausgebildet sein, und bei umschaltbaren Gradienten
spulen als Meldekontakte von mechanischen Umschaltern. Durch
Auswertung der Signale der Abtasteinrichtungen 26, 26', 26''
kann die Anlagensteuerung 10 einen Wechsel der Gradientenspu
len und die Art der nun angeschlossenen Spulen selbständig
erkennen. Die Regler 20, 20', 20'' können dann auch ohne einen
ausdrücklichen Befehl der Benutzers auf die oben geschilderte
Weise neu eingestellt werden.
Als zweite Weiterentwicklung wird bei dem in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel für jede Gradientenspule eine geeignete
Reglereinstellung selbständig ermittelt, ohne daß ein Ser
vicetechniker diese Einstellung umständlich ausmessen müßte.
Um diese Funktion bereitzustellen, weist die Anlagensteuerung
10 ein Kalibrierungsprogramm 28 zum Steuern des Kalibrie
rungsvorgangs auf. Für jeden Regler 20, 20', 20'' ist eine
Rückmeldeverbindung 30, 30', 30'' vorgesehen. Die Rückmelde
verbindungen 30, 30', 30'' umfassen in dem hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel je vier Leitungen zur Rückmeldung von Si
gnalen, die die Regeleigenschaften des entsprechenden Reglers
20, 20', 20'' kennzeichnen. Die Rückmeldesignale werden an dem
Regler 20, 20', 20'' sowie an dem zugeordneten Vergleicher (in
Fig. 2 nicht gezeigt) abgegriffen. Für jeden Regler 20, 20',
20'' repräsentieren die Rückmeldesignale einen Stromsollwert,
einen Stromistwert, eine Stellgröße und eine Regeldifferenz.
In Ausführungsalternativen können andere Signale als Rückmel
designale oder eine andere Anzahl von Rückmeldesignalen vor
gesehen sein.
Drei Wandlerbaugruppen 32, 32', 32'' weisen je vier Analog-
Digital-Wandler für je eines der Rückmeldesignale auf und
sind an je eine der Rückmeldeverbindungen 30, 30', 30'' an
geschlossen. Alternativ kann auch eine Wandlerbaugruppe mit
mindestens einem ADC in Verbindung mit Multiplexern zur Aus
wahl des Rückmeldesignales verwendet werden. Die von den
Wandlerbaugruppen 32, 32', 32'' erzeugten digitalisierten
Rückmeldesignale werden über Digitalverbindungen 34, 34', 34''
der Anlagensteuerung 10 zugeführt und dort ausgewertet. Die
Wandlerbaugruppen 32, 32' und 32'' sind in einer ersten Aus
führungsalternative der Systemsteuerung 10 und in einer zwei
ten Ausführungsalternative dem Gradientenverstärker 12 bau
lich zugeordnet.
Die Rückmeldesignale sind in Fig. 3a-Fig. 3f nochmals bei
spielhaft dargestellt. Fig. 3a zeigt das Stromsollwertsignal
(d. h. ein Spannungssignal, das dem Sollwert des durch die
Gradientenspule fließenden Stroms proportional ist), wie es
während des normalen Betriebs des Tomographen auftritt. Das
in Fig. 3b dargestellte Stromistwertsignal kann beispiels
weise an einem in Reihe mit der Gradientenspule geschalteten
Shunt-Widerstand abgegriffen werden. In Fig. 3c ist die
Stellgröße (Reglersignal) gezeigt, also die Ausgabe des Reg
lers 20, 20', 20'', mit der der Pulsweitenmodulator des Lei
stungsverstärkers zur Spannungsversorgung der Gradientenspule
angesteuert wird. Fig. 3d stellt die Regeldifferenz (Fehler
signal) für die in Fig. 3a und Fig. 3b gezeigten Soll- bzw.
Istwertsignale dar, also deren Differenzsignal. Ein entspre
chendes Regeldifferenzsignal bei zu langsam eingestelltem
Regler 20, 20', 20'' ist in Fig. 3e skizziert, und ein Signal
bei zu "scharf" eingestelltem, schwingendem Regler 20, 20',
20'' in Fig. 3f.
Zur automatischen Kalibrierung der Regeleinrichtungen müssen
in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel lediglich die
Regler 20, 20', 20'' eingestellt werden, da die Regeleinrich
tungen sonst keine einstellbaren Bauteile aufweisen. Die das
Kalibrierungsprogramm 28 aus führende Anlagensteuerung 10 gibt
dazu zunächst eine Reihe von unterschiedlichen Testeinstel
lungen (Testdatensätzen) für die Regler 20, 20', 20'' vor. Die
Testeinstellungen werden auf die oben beschriebene Weise als
Reglereinstellbefehle über die Kommunikationsverbindung 16
und den Prozessor 18 an die Regler 20, 20', 20'' übertragen.
Für jede Testeinstellung erzeugt die Anlagensteuerung 10 fer
ner eine Testsequenz mit unterschiedlichen Sollwertsignalen
und speist diese ebenfalls über die Kommunikationsverbindung
16 oder über eine separate Verbindung (in Fig. 2 nicht ge
zeigt) in den Gradientenverstärker 12 ein. Die Sollwertsigna
le einer Testsequenz weisen unterschiedliche Puls formen und
Amplitudenwerte auf.
Die beim Ausführen jeder Testsequenz abgegriffenen Rückmelde
signale werden, wie oben beschrieben, von den Wandlerbaugrup
pen 32, 32', 32'' digitalisiert und der Anlagensteuerung 10
zugeführt. Die Anlagensteuerung 10 wertet die digitalisierten
Signale in Echtzeit aus und ermittelt daraus die für die je
weilige Gradientenspule optimalen Reglerdaten, die als dieser
Spule zugeordnet er Datensatz im Datensatzspeicher 14 abgelegt
werden. Falls erforderlich, können zum Ermitteln der optima
len Reglerdaten weitere Testsequenzen ausgeführt werden, die
auf den besten bisher gefundenen Reglereinstellungen beruhen
und eine Messung in zunehmend feineren Abstufungen ermögli
chen. Ein Beispiel für ein geeignetes Kalibrierungsverfahren
ist unten mit Hinweis auf Fig. 9 genauer beschrieben.
Das Kalibrierungsprogramm 28 kann die Optimierung mit unter
schiedlichen Zielsetzungen durchführen. Beispielsweise kann
eine optimale Reglereinstellung dadurch definiert sein, daß
die Regeldifferenz sehr klein ist (Fig. 3d), die Reglerein
stellung jedoch noch um einen "Sicherheitsabstand'' von der
Einstellung entfernt ist, bei der der Regler 20, 20', 20'' zu
schwingen beginnt (Fig. 3f). Als Alternative kann eine Reg
lereinstellung angestrebt werden, bei der der Stromistwert
(Fig. 3b) möglichst genau mit einer für alle Geräte einer
Baureihe vorgegebenen Stromkurvenform übereinstimmt. Eine
solche vorgegebene Stromkurvenform entspricht nicht exakt dem
Stromsollwert, sondern repräsentiert standardisierte Regler
eigenschaften, die unabhängig von Bauteilstreuungen von allen
Geräten einer Baureihe erreicht werden können.
In Fig. 4 ist eine an sich bekannte Schaltung eines Verstär
kers mit digital einstellbarem Verstärkungsfaktor gezeigt.
Ein Digital-Analog-Wandler 36 ist als 12-Bit-Wandler für ei
nen multiplizierenden Betrieb ohne interne Referenzspannung
ausgebildet. Geeignet ist beispielsweise der unter der Typen
bezeichnung AD 7945 bekannte Wandler in CMOS-Technologie. Der
Digital-Analog-Wandler 36 weist einen Anschluß 38 für eine
Referenzspannung Uref und einen zwölf Bit breiten Digitalein
gang 40 auf, der an ein internes Widerstandsnetz 42 ange
schlossen ist.
Das Widerstandsnetz 42 teilt einen durch die Referenzspannung
Uref am Anschluß 38 bewirkten Stromfluß je nach der Belegung
des Digitaleingangs 40 in zwei Teile auf, die über einen Mas
seanschluß 44 bzw. über einen Anschluß 46, der durch einen
Widerstand 48 mit dem Widerstandsnetz 42 verbunden ist, ab
fließen. Der durch den Widerstand 48 und über den Anschluß 46
fließende Strom Iout ist maximal (und der nach Masse abgelei
tete Strom minimal), wenn alle Bits des Digitaleingangs 40
logisch "1" sind. Umgekehrt fließt kein Strom Iout, wenn alle
Bits des Digitaleingangs 40 den logischen Wert "0" haben.
Ein Operationsverstärker 50 ist mit seinem nicht-invertie
renden Eingang 52 an Masse, mit seinem invertierenden Eingang
54 an die Verbindung zwischen dem Widerstandsnetz 42 und dem
Widerstand 48, und mit seinem Verstärkerausgang 56 an den an
deren Anschluß 46 des Widerstands 48 angeschlossen. Die am
Verstärkerausgang 56 anliegende Spannung Uout bestimmt sich
gemäß der Formel Uout = (-1).Rfb.Iout, wobei Rfb der Wert des
Widerstands 48 ist. Der Wert Iout ist seinerseits proportional
zu der Referenzspannung Uref und den an dem Digitaleingang 40
anliegenden Daten. Bei gleichbleibenden Daten ist somit Uout
proportional zu Uref. Der Proportionalitätsfaktor (d. h. der
Verstärkungsfaktor der in Fig. 4 gezeigten Schaltung) hängt
von dem anliegenden Datenwort ab und beträgt zwischen 0 (alle
Bits des Digitaleingangs 40 auf "0") und -1 (alle Bits des
Digitaleingangs 40 auf "1").
Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Verstärkerschaltung, in der
das Widerstandsnetz 42 und der Widerstand 48 vertauscht sind.
Wenn bei dieser Schaltung alle Bits des Digitaleingangs 40
den Wert "0" aufweisen, so fließt der Strom vom Referenzspan
nungsanschluß 38 vollständig über den Masseanschluß 44 ab.
Damit findet keine negative Rückkupplung zwischen dem Ver
stärkerausgang 56 und dem invertierenden Eingang 54 statt, so
daß der Verstärkungsfaktor zwischen dem als Eingang dienenden
Anschluß 46 und dem Verstärkerausgang 56 praktisch -∞ be
trägt. Sind alle Bits des Digitaleingangs 40 logisch "1", so
beträgt der Verstärkungsfaktor -1.
Die in Fig. 6 dargestellte beispielhafte Schaltung einer Reg
lereinrichtung weist einen Vergleicher 58 und den Regler 20
auf. Der Vergleicher 58 ist hinsichtlich seiner Signalüber
tragungseigenschaften fest eingestellt, während die Übertra
gungsfunktion des Reglers 20 (und damit die Übertragungsfunk
tion der gesamten Reglereinrichtung) durch ein digitales
Steuerwort veränderlich ist. Der Regler 20 ist als PI-Regler
ausgebildet und umfaßt einen P-Reglerzweig 60 zum Bereitstel
len eines proportionalen Anteils, einen I-Reglerzweig 62 zum
Bereitstellen eines integralen Anteils und einen Summierer
64.
Der Vergleicher 58 ist in an sich bekannter Weise als inver
tierender Summierverstärker ausgebildet, der einen Opera
tionsverstärker 66, einen Rückkopplungswiderstand 68 und zwei
Eingangswiderstände 70, 72 aufweist. Zwei Eingänge 74, 76
sind für den Sollwert (vgl. Fig. 3a) bzw. für den negativen
Istwert (vgl. Fig. 3b) vorgesehen. Da an diesen Eingängen 74,
76 Signale unterschiedlicher Polarität anliegen, wird die
Funktion des Vergleichers 58, also das Subtrahieren der Ein
gangswerte voneinander, hier durch eine Summierschaltung be
wirkt.
Der Operationsverstärker 66 summiert die an den Eingängen 76,
78 anliegenden Werte, verstärkt sie um einen vom Verhältnis
der Widerstände 68, 70, 72 abhängigen, negativen Faktor und
erzeugt an einem Ausgang 78 ein entsprechendes Signal, das
der negativen Regeldifferenz (vgl. Fig. 3d) entspricht. For
melmäßig ausgedrückt liegt am Ausgang 78 der Wert (--K).(Usoll
+ (-Uist)) an, wobei (-K) der Verstärkungsfaktor, Usollder am
Eingang 74 anliegende Sollwert und (-Uist) der am Eingang 76
anliegende negative Istwert sind.
Die vom Vergleicher 58 erzeugte negative Regeldifferenz dient
als Eingangswert für den P-Reglerzweig 60 und indirekt auch
für den I-Reglerzweig 62. Der P-Reglerzweig 60 ist von einem
invertierenden, einstellbaren Verstärker 80 gebildet, dessen
Verstärkungsfaktor durch Anlegen digitaler Werte an einen
Einstelleingang 82, der Bestandteil des Steuereingangs 22 des
Reglers 20 ist, eingestellt werden kann. Als einstellbarer
Verstärker 80 wird die in Fig. 5 gezeigte Schaltung einge
setzt, wobei jedoch von den zwölf Bits des Digitaleingangs 40
die fünf geringerwertigen Bits fest auf den Wert "1" gelegt
sind. Der Einstelleingang 82 ist an die sieben höherwertigen
Bits des Digitaleingangs 40 angeschlossen. Der Verstärkungs
faktor ist damit zwischen -1 und -128 einstellbar. Durch die
sen Verstärkungsfaktor wird der P-Anteil des Reglers 20, also
dessen Verstärkung, bestimmt.
Ein Ausgang 84 des P-Reglerzweigs 60 ist einerseits mit einem
ersten Eingang 86 des Summierers 64 und andererseits mit ei
nem Eingang 88 des I-Reglerzweigs 62 verbunden.
Der I-Reglerzweig 62 weist einen an sich bekannten, integrie
rend wirkenden RC-Verstärker mit konstanter Integrierzeit
auf, der von einem Eingangswiderstand 90, einem Operations
verstärker 92 und einem Rückkopplungskondensator 94 gebildet
ist. Diesem RC-Verstärker ist ein einstellbarer Verstärker 96
mit einem Einstelleingang 98 nachgeschaltet, der ebenso wie
der oben beschriebene einstellbare Verstärker 80 des P-Reg
lerzweigs 60 aufgebaut ist. Ein Ausgang 100 des I-Regler
zweigs 62 ist mit einem zweiten Eingang 102 des Summierers 64
verbunden.
Von dem I-Reglerzweig 62, genauer gesagt von der Einstellung
des Verstärkers 96, wird der I-Anteil des Reglers 20, also
dessen Nachstellzeit, bestimmt. Die Nachstellzeit ist dabei
definiert als diejenige Zeit, die benötigt wird, um bei einer
sich sprunghaft ändernden Regeldifferenz aufgrund des I-An
teils eine gleichgroße Stellgrößenänderung zu erzielen, wie
sie aufgrund des P-Anteils entsteht. Der RC-Verstärker des I-
Reglerzweigs 62 bestimmt hier den Maximalwert der Nachstell
zeit, der bei geringstmöglichem Verstärkungsfaktor des ein
stellbaren Verstärkers 96 erreicht wird. Bei einem Erhöhen
dieses Verstärkungsfaktors verringert sich die Nachstellzeit,
d. h. der I-Anteil des Reglers 20 nimmt zu.
Der Summierer 64 dient zum Aufsummieren der an den Eingängen
86, 102 anliegenden P- bzw. I-Anteile. Ebenso wie der bereits
beschriebene Vergleicher 58 ist auch der Summierer 64 als in
vertierender Summierverstärker mit einem Operationsverstärker
104, einen Rückkopplungswiderstand 106 und zwei Eingangs
widerständen 108, 110 ausgebildet. An einem Ausgang 112 des
Summierers 64 liegt ein der invertierten Stellgröße (vgl.
Fig. 3c) entsprechendes Reglersignal an. Die Einstelleingänge
82 und 98 bilden zusammen den Steuereingang 22 des Reglers 20
und der gesamten in Fig. 6 gezeigten Regeleinrichtung.
Ein einer in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsalterna
tive ist parallel zu dem P-Reglerzweig 60 und dem I-Regler
zweig 62 ferner ein D-Reglerzweig zum Erzeugen eines D-An
teils im Reglersignal vorgesehen, wodurch sich ein einstell
barer PID-Regler ergibt.
Fig. 7 veranschaulicht beispielhaft die Übertragung von Steu
erdaten innerhalb des Gradientenverstärkers 12. Dem Regler 20
sind hier eine Logikeinheit 114, eine Power-up-Schaltung 116
und eine Schalteranordnung 118 mit 14 Mikroschaltern baulich
zugeordnet. Zwei je 7 Bit breite Datenleitungen 120, 120' und
zwei Leitungen 122, 122' für je ein Schreibsignal führen von
der Logikeinheit 114 zu dem Steuereingang 22 des Reglers 20.
Der Prozessor 18 und die Logikeinheit 114 sind über einen 7
Bit breiten Datenbus 124, eine Freigabeleitung 126 und zwei
Schreibleitungen 128, 128' verbunden.
Die Datenleitung 120 dient zur Übertragung einer ersten, 7
Bit breiten Komponente des Steuerworts an den Einstelleingang
82 des einstellbaren Verstärkers 80. Die Schreibleitung 122
ist ebenfalls mit dem Verstärker 80 verbunden. Ein aktiver
Pegel auf der Schreibleitung 122 signalisiert, daß gültige
Steuerdaten an der Datenleitung 120 anliegen und in ein in
den Figuren nicht gezeigtes Register des Digital-Analog-Wand
lers 36 im Verstärker 80 übernommen werden können. Entspre
chend dienen die Datenleitung 120' und die Schreibleitung
122' zum Übertragen einer zweiten, 7 Bit breiten Steuerwort
komponente an den Einstelleingang 98 des Verstärkers 96.
Beim Hochfahren des Systems gibt die aus einem Widerstand und
einem Kondensator gebildete Power-up-Schaltung 116 ein ent
sprechendes Signal an die Logikeinheit 114 aus. Letztere
übernimmt daraufhin ein 14 Bit breites Steuerwort von den 14
Mikroschaltern der Schalteranordnung 118 und überträgt es auf
die oben beschriebene Weise über die Leitungen 120, 120',
122, 122' an den Regler 20. Das an den Mikroschaltern vor
eingestellte Steuerwort entspricht einer Reglereinstellung,
die einen unkritischen Betrieb mit jeder Gradientenspule er
möglicht.
Während des Betriebs des Tomographen wird ein über die Kommu
nikationsverbindung 16 eintreffender Reglereinstellbefehl vom
Prozessor 18 decodiert und beispielsweise dem Regler 20 zuge
ordnet. Das im Reglereinstellbefehl enthaltene Steuerwort
weist zwei je 7 Bit breite Komponenten zur Einstellung des P-
Reglerzweigs 60 bzw. des I-Reglerzweigs 62 auf. In dem Zeit
diagramm von Fig. 8 ist gezeigt, wie diese beiden Komponenten
vom Prozessor 18 zu der Logikeinheit 114 übertragen werden.
Zunächst setzt der Prozessor 18 die dem Regler 20 zugeordnete
Freigabeleitung 126 auf logisch "1" (Signal "Enable" in Fig.
8). Die erste Komponente des Steuerworts wird nun auf den Da
tenbus 124 gelegt (Signale "Data"). Sobald diese Daten stabil
sind, gibt der Prozessor 18 einen Schreibimpuls auf die erste
Schreibleitung. 128 aus, die dem P-Reglerzweig 60 zugeordnet
ist (Signal "Write-P"). Entsprechend erfolgt die Übertragung
der zweiten Steuerwortkomponente, die dem I-Reglerzweig 62
zugeordnet ist, durch Anlegen der Daten an den Datenbus 124
und Erzeugen eines Schreibimpulses auf der zweiten Schreib
leitung 128' (Signal "Write-I"). Das so zur Logikeinheit 114
übertragene Steuerwort wird auf die oben beschriebene Weise
an den Regler 20 weitergeleitet.
Die Regler 20', 20'' sind über weitere Logikeinheiten (in Fig.
7 nicht gezeigt) mit dem Prozessor 18 verbunden. Diese Logi
keinheiten weisen je eine eigene Freigabeleitung auf, während
der Datenbus 124 und die beiden Schreibleitungen 128, 128'
gemeinsam allen Logikeinheiten zugeführt sind. Durch diese
Anordnung sind nur relativ wenige Anschlüsse am Prozessor 18
erforderlich, nämlich sieben Anschlüsse für den Datenbus 124,
zwei für die Schreibleitungen 128, 128' und je einer für die
Freigabeleitung jeder angeschlossenen Logikeinheit. Zur Da
tenübertragung an einen der Regler 20, 20' und 20'' steuert
der Prozessor 18 nur die Freigabeleitung derjenigen Logikein
heit an, die dem einzustellenden Regler 20, 20', 20'' zugeord
net ist.
Der in Fig. 9 gezeigte weiterentwickelte Gradientenverstärker
12 vermag die Regler 20, 20', 20'' selbständig (ohne Unter
stützung durch die Anlagensteuerung 10 oder eine Bedienper
son) auf eine für die angeschlossenen Gradientenspulen opti
male Einstellung zu kalibrieren. Dazu weist der Gradienten
verstärker 12 einen von dem Prozessor 18 angesteuerten Puls
generator 130 auf, der Testsequenzen von Sollwertverläufen
mit unterschiedlichen Pulsformen, Amplituden usw. zu erzeugen
vermag. Über einen ebenfalls vom Prozessor 18 gesteuerten Um
schalter 132 sind wahlweise die Testsequenzen oder normale
Betriebssequenzen an den Sollwerteingang 74 des dem Regler 20
zugeordneten Vergleichers 58 anlegbar. Die Betriebssequenzen
werden dabei von der Systemsteuerung 10 oder von einer ande
ren geeigneten Baugruppe als digitale Sequenzdaten an einen
Sequenzdateneingang 134 angelegt und von einem Digital-Ana
log-Wandler 136 in das analoge Sollwertsignal umgewandelt.
Der Regeldifferenzausgang 78 des Vergleichers 58 ist an eine
Auswerteschaltung 138 angeschlossen, in der das als Rückmel
designal dienende Regeldifferenzsignal gleichgerichtet und
über einen Tiefpaß gefiltert wird. Die derart bewertete Re
geldifferenz wird von einem Analog-Digital-Wandler 140 digi
talisiert und zur weiteren Verarbeitung an den Prozessor 18
geleitet. Die Auswerteschaltung 138 ist nur dann erforder
lich, wenn der Prozessor 18 eine zu geringe Leistungsfähig
keit aufweist, um das eigentliche, nicht-bewertete Regel
differenzsignal in Echtzeit zu verarbeiten. Bei einem sehr
leistungsfähigen Prozessor 18 kann der Ausgang 78 direkt mit
dem Analog-Digital-Wandler 140 verbunden sein, der dann wie
die in Fig. 2 gezeigte Wandlerbaugruppe 32 wirkt.
Zur selbständigen Kalibrierung des Reglers 20 aktiviert der
Prozessor 18 den Pulsgenerator 130 und legt dessen Signal
über den Umschalter 132 auf den Sollwerteingang 74. Der Pro
zessor 18 stellt nun den Regler 20 auf eine sehr geringe Ver
stärkung des P-Reglerzweigs 60 und eine sehr lange Nachstell
zeit des I-Reglerzweigs 62 ein. Nun erhöht der Prozessor 18
zunächst schrittweise den P-Anteil. Hierbei wird die bewerte
te Regeldifferenz (das Ausgabesignal der Auswerteschaltung
138) zunächst kleiner, bis der Regelkreis zu schwingen be
ginnt und die bewertete Regeldifferenz wieder zunimmt. Anhand
der so ermittelten Meßdaten bei langsamer, konstanter Ein
stellung des I-Anteils legt der Prozessor 18 einen Verstär
kungswert für den P-Anteil fest, der unterhalb der "kriti
schen" Verstärkung liegt.
Der Prozessor 18 hält nun den optimierten P-Anteil konstant
und erhöht den I-Anteil schrittweise (Verkürzung der Nach
stellzeit). Wieder wird die bewertete Regeldifferenz zunächst
kleiner und steigt dann wieder an, woraus der Prozessor 18
eine optimale Einstellung für den I-Anteil ermittelt.
Dieser Kalibrierungsvorgang wird mit unterschiedlichen Test
sequenzen wiederholt. Die als Endergebnis ermittelte Regler
einstellung kann entweder an die Anlagensteuerung 10 über
tragen oder in einem dem Prozessor 18 zugeordneten Daten
satzspeicher 142 abgelegt werden. Im zweitgenannten Fall kann
der Prozessor 18 bei einem Wechsel der angeschlossenen Gra
dientenspule den Regler 20 selbständig umstellen, wozu er al
lerdings eine Information über die Art der Spule benötigt.
Diese Information kann dem Prozessor 18 entweder über die
Kommunikationsverbindung 16 oder über zusätzliche, in Fig. 9
nicht gezeigte Leitungen zugeführt werden.
Die weiteren Regler 20', 20'' des Gradientenverstärkers 12
werden ebenso eingestellt. Ihnen ist dazu je ein weiterer Um
schalter (in Fig. 9 nicht gezeigt) zugeordnet, während der
Pulsgenerator 130, die Auswerteschaltung 138 und der Analog-
Digital-Wandler 140 gemeinsam zur Einstellung aller drei Reg
ler 20, 20', 20'' genutzt werden.
Das hier beschriebene Kalibrierungsverfahren kann in einer
auf der Schaltung von Fig. 2 beruhenden Ausführungsvariante
statt vom Prozessor 18 auch von der Anlagensteuerung 10
durchgeführt werden. Die Wandlerbaugruppen 32, 32', 32'' kön
nen gegebenenfalls mit einem Gleichrichter und einem Tiefpaß
filter versehen werden, um die Anlagensteuerung 10 von der
Auswertung der Regeldifferenzsignale in Echtzeit zu entla
sten.
Claims (14)
1. Gradientenverstärker für einen Kernspintomographen, mit
mindestens einem Regeleinrichtung, die einen Vergleicher (58)
zum Bereitstellen eines Regeldifferenzsignals und einen auf
das Regeldifferenzsignal ansprechenden Regler (20, 20', 20'')
zum Erzeugen eines Stellgrößensignals aufweist, da
durch gekennzeichnet, daß die Regel
einrichtung einen Steuereingang (22, 22', 22'') für ein digi
tales Steuerwort aufweist, durch das eine aktuelle Übertra
gungsfunktion der Regeleinrichtung aus mehreren oder einer
Vielzahl von vorgegebenen Übertragungsfunktionen auswählbar
ist.
2. Gradientenverstärker nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Regler (20, 20',
20'') einen P-Reglerzweig (60) und einen I-Reglerzweig (62)
aufweist.
3. Gradientenverstärker nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Regeleinrichtung mindestens einen einstellbaren Verstärker
(80, 96) aufweist, dessen die Übertragungsfunktion der Regel
einrichtung beeinflussender Verstärkungsfaktor durch das di
gitale Steuerwort oder eine Komponente davon einstellbar ist.
4. Gradientenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das
digitale Steuerwort mindestens eine in Form einer Binärzahl
codierte Komponente aufweist.
5. Gradientenverstärker nach den Ansprüchen 3 und 4, da
durch gekennzeichnet, daß der ein
stellbare Verstärker (80, 96) mindestens einen multiplizie
renden Digital-Analog-Wandler (36) aufweist, in dessen Digi
taleingang (40) das digitale Steuerwort oder die Komponente
davon einspeisbar ist.
6. Gradientenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß ein
Prozessor (18) und/oder eine Logikeinheit (114) dazu einge
richtet sind/ist, aus einem über eine Kommunikationsverbin
dung (16) empfangenen Reglereinstellbefehl das digitale Steu
erwort zu extrahieren, es einer Regeleinrichtung zuzuordnen
und in den Steuereingang (22, 22', 22'') dieser Regeleinrich
tung einzuspeisen.
7. Gradientenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Kalibriereinrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet
ist, in Abhängigkeit von mindestens einem Rückmeldesignal
eine Übertragungsfunktion der Regeleinrichtung auszuwählen.
8. Gradientenverstärker nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kalibriereinrichtung
eine Verarbeitungseinrichtung, einen Pulsgenerator (130) und
eine Auswerteschaltung (138) aufweist.
9. Kernspintomograph mit mindestens einer Gradientenspule,
der einen Gradientenverstärker (12) nach einem der Ansprüche
1 bis 8 aufweist, mit einer Steuerwort-Erzeugungseinrichtung
zum Erzeugen eines der Regeleinrichtung zugeführten digitalen
Steuerworts.
10. Kernspintomograph nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuerwort-Erzeu
gungseinrichtung eine Abtasteinrichtung (26, 26', 26'') zum
Erkennen der Art einer an den Gradientenverstärker (12) ange
schlossenen Gradientenspule aufweist und dazu eingerichtet
ist, das digitale Steuerwort gemäß einem Ausgabewert der Ab
tasteinrichtung (26, 26', 26'') zu ermitteln.
11. Kernspintomograph nach Anspruch 9 oder 10, da
durch gekennzeichnet, daß eine Kali
briereinrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist,
je nach den Eigenschaften einer an den Gradientenverstärker
(12) angeschlossenen Gradientenspule das digitale Steuerwort
für die Regeleinrichtung zu bestimmen.
12. Kernspintomograph nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kalibriereinrichtung
eine Verarbeitungseinrichtung sowie mindestens eine auf ein
Rückmeldesignal ansprechende Wandlerbaugruppe (32, 32', 32'')
aufweist.
13. Kernspintomograph nach Anspruch 12 mit einem Gradien
tenverstärker nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kalibriereinrichtung
dazu eingerichtet ist, zunächst eine Einstellung des P-Reg
lerzweigs (60) und dann eine Einstellung des I-Reglerzweigs
(62) durch schrittweise Annäherung an eine gewünschte Cha
rakteristik des mindestens einen Rückmeldesignals zu bestim
men.
14. Kernspintomograph nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steu
erwort-Erzeugungseinrichtung und/oder die Kalibriereinrich
tung einer zentralen Anlagensteuerung (10) des Kernspintomo
graphen zugeordnet sind/ist.
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