JP2007511305A - 終段制御される調節系を備えた増幅器 - Google Patents
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Abstract
本発明は、電気エネルギー源によって給電される終段(6)を備え、終段(6)の入力側が制御装置(4)に接続され、制御装置(4)の制御信号により、エネルギー源のパラメータ値に依存した終段(6)の出力信号が制御される電気増幅器に関する。本発明によれば、エネルギー源および制御装置(4)に接続されている補償装置(9)が設けられ、該装置(9)によって制御信号がパラメータ値に依存して可変である。パラメータは、例えばエネルギー源の系統電圧である。更に、本発明は、電気エネルギー源によって給電される終段(6)を備えた増幅器の制御方法に関する。この方法では、エネルギー源のパラメータ値を検出し、それから補償信号を導出し、これに依存して終段(6)のための制御信号を形成する。本発明は、磁気共鳴装置のための傾斜磁場増幅器に適する。
Description
本発明は、終段によって制御調節系を備えた増幅器ならびに増幅器の終段制御される調節のための方法に関する。
電気増幅器はしばしば2段構成を有する。第1段においては中間回路ゼネレータ又は電源ユニットが平均的な高さ又は精度の電源電圧を発生する。この電源電圧は所望の特性を有する出力信号を発生する使命を持つ終段に供給される。この出力信号は、要求に応じて電源電圧に対して高圧に変換された電圧を有し、用途に応じて予め与え得る一定又は時間的に変化する信号経過を有する。磁気共鳴装置における傾斜磁場コイルのための傾斜磁場増幅器としての使用のために、特に高速かつ正確に維持すべき時間的な出力信号経過が保証可能でなければならない。終段の電子回路は、必要な電源電圧の供給時に所望の特性を有する出力信号ができるだけ効率的な構成様式にて発生可能であるように調整される。
出力信号の所望のパラメータ値、例えば電流又は電圧が維持される精度は、とり訳電源電圧変動に依存している。電源電圧変動は、場合によっては終段の回路技術上の構成によって部分的に補償される。しかしながら、完全な補償が常に可能という訳ではないので、出力信号に対する全ての要求が容易に満たされ得る訳ではない。
従って、出力信号の品質を顧慮して、一般に安定化された電源ユニットが使用される。付加的に出力信号の所望のパラメータが調節される。この場合に、調節器が、例えば終段のスイッチング素子の動作時間を調節する。変動電源電圧の影響を最小限にするために、このような調節ループが終段の所望の動作態様に最適に調整されるとよい。それにもかかわらず、臨界的な動作点においては、例えば急変する出力信号の時間的経過の際に、電源信号の影響が存在したま迄あることが観察される。従って、出力信号に対する要求に応じて電源変動の追加的な補償が望まれる。
本発明の課題は、2段式増幅器のために、エネルギー供給パラメータの変動に対する付加的な補償可能性を提供することにある。
本発明は、この課題を独立の請求項1の特徴を有する増幅器ならびに独立の請求項10の特徴を有する方法によって解決する。
本発明の基本的な考えは、電気エネルギー源により給電される終段を備えた増幅器であって、終段が入力側を制御装置に接続されていて、制御装置の出力信号によってエネルギー源のパラメータに依存した終段の出力信号が制御される増幅器を提供することにある。終段は、電位分離されて給電される直列接続された複数の個別段から構成することもできる。エネルギー源における変動の追加的補償のために、エネルギー源および制御装置に接続されている補償装置が設けられていて、補償装置によって制御信号がパラメータの値に依存して可変である。
この構成の利点は、エネルギー源における変動が、補償のために終段の出力信号において初めて検出されるのではない点にある。その代わりに、エネルギー源における変動が出力信号の発生時に既に、かつ発生前に検出される。終段の動作へのその変動の影響が、終段のための制御信号において既に考慮され、従って最初から、いわば先を見越して補償される。従って、臨界的な動作点において、例えば終段の制御の動作態様に起因してしばしばオーバーシュートにつながる出力信号の急変時に、所謂オーバーシュートの如き付加的なエラー発生源が補償に影響を及ぼすことなしに変動が抑制される。従って補償は、補償すべき信号に直接に依存して、かつ負所望の他の影響量には依存せずに行なえる。
本発明の有利な構成においては、入力側を終段にかつ出力側を制御装置に接続されている調節装置が設けられていて、調節装置の調節信号によって、制御信号が終段の出力信号に依存して調節される。調節装置は補償装置に接続されていて、補償装置によって調節信号がエネルギー源のパラメータ値に依存して可変である。
それによって、終段の出力信号が調節装置によって可能な限り安定に調節され、そして補償装置が付加的な安定性を生じさせるという利点が生まれる。2つの装置の組み合わせが出力信号の特に信頼できる安定性を生じさせる。本発明の他の有利な構成では、補償装置が次のように構成されている。即ち、補償装置が、エネルギー源のパラメータ値に依存しかつパラメータの公称値又は最大値に依存した補償信号を発生するように構成されている。それによって、補償信号の動作範囲が予め与えられ、この動作範囲はエネルギー源の所望の信号に関係し、従ってそれに合わせられた動作範囲を維持する。
本発明の他の基本的な考えは、電気エネルギー源によって給電される終段を備えた増幅器を制御するための次のステップを有する方法にある。
エネルギー源のパラメータ値を検出するステップ、
パラメータ値に依存した補償信号(K)を発生するステップ、
補償信号(K)に依存した制御信号を発生するステップ、および
制御信号に依存して終段(6)により出力信号を発生するステップ。
エネルギー源のパラメータ値を検出するステップ、
パラメータ値に依存した補償信号(K)を発生するステップ、
補償信号(K)に依存した制御信号を発生するステップ、および
制御信号に依存して終段(6)により出力信号を発生するステップ。
それによって、エネルギー源における変動を直接的に検出し、補償のために考慮できるという利点が生ずる。このため、例えば終段の制御および動作様式に由来する他の間接的な影響量は考慮されず、エラー源として補償に作用を及ぼさない。エネルギー源に直接的に依存する補償が終段の出力信号の安定化を生じさせる。
本方法の有利な構成は、次の更なるステップを含む。
出力信号のパラメータ値を検出するステップ、
出力信号パラメータ値に依存した調節信号を発生するステップ、および
調節信号に付加的に依存した制御信号を発生するステップ。
出力信号のパラメータ値を検出するステップ、
出力信号パラメータ値に依存した調節信号を発生するステップ、および
調節信号に付加的に依存した制御信号を発生するステップ。
エネルギー源の変動の直接的な補償のための方法ステップと終段の出力信号の調節のための方法ステップとの組み合わせは、付加的な、二重の出力信号安定化を生じさせる。
増幅器又は方法は、電源電圧に依存し、補償装置により安定化された出力電圧を発生する。更に調節系が出力電圧を、終段を経てコイルに誘導される電流に基づき調節する。
本願の電圧依存電流調節増幅は、高速で交番する傾斜磁場を発生させるべく、矢継ぎ早に正確に守られるべきコイル電流変化、即ち傾斜磁場を発生せねばならない磁気共鳴装置における傾斜磁場コイルのための傾斜磁場増幅器として特に有利に使用できる。
本発明の他の有利な構成は、従属請求項の対象であり、以下の説明で明らかにする。
以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。
図1は補償装置9を備えた調節型2段式増幅器25を概略的に示す。増幅器25は、終段6に供給される電気エネルギー源E0を有する。終段6は、ここではコイルとして示す負荷8の動作のため用いる出力信号Uoutを発生する。
出力信号Uoutのパラメータ値が、測定装置7によって検出されて、図には「actual」を意味するAにても示される実際値入力線3を介して調節装置1に導かれる。調節装置1は、他の信号入力として目標値入力線2を有し、これは図に「nominal」を意味するNにても示されている。調節信号RSは調節出力線5を経て制御装置4に導かれる。制御装置4は、制御信号MS1〜MS4のための4つの(多数の終段の直列回路では相応に多数の)信号線を介して終段6に接続されている。
終段4は、詳しくは示さない平滑コンデンサと、4つのスイッチS1〜S4と、それに並列接続された、詳しくは示さないフリーホイーリングダイオードとを備えた回路装置を有する。スイッチS1〜S4は制御信号MS1〜MS4によって制御される。その結果終段の出力電圧が生じ、その出力電圧の動作周期にわたる平均値は正の電源電圧+U0と負の電源電圧−U0との間にある。
電源電圧U0は、エネルギー源E0から供給され、従ってエネルギー源における変動に支配されている。その結果、終段6の出力信号Uoutも、この変動の影響下にある。
この変動の補償のため、補償装置9を設けている。補償装置9は出力信号として補償係数k又はその逆数1/kを発生する。補償係数kは、以下に詳しく説明するように、エネルギー源E0のパラメータ値に依存する。補償係数kが補償出力線11又は13を介して調節装置1又は制御装置4に導かれ、或いは逆数1/kが補償出力線14を介して制御装置4に導かれる。補償装置9による補償のために3つの補償出力線11、13、14のうち1つだけが必要とされるという点では、補償出力線11、13、14は重複している。その限りでは補償出力線11、13、14は選択肢として理解できる。
図示の増幅器25は、例えば電源電圧U0に依存して出力電圧Uoutを発生し、この出力は補償装置9によって安定化されている。この場合に補償装置9は、エネルギー源E0のパラメータとして、それの電圧、即ち電源電圧U0が検出される。終段電源電圧U0の測定によって、終段の負荷変動によって生じる電圧崩落も一緒に補償される。更に測定装置7は、終段6の出力電圧Uoutによってコイル8に誘導される電流を測定する電流測定装置であるとよい。このような電圧依存性の電流調節型増幅器25は、例えば急変する傾斜磁場を発生させるべく、矢継ぎ早にコイル電流変化、即ち傾斜磁場を発生させる磁気共鳴装置における傾斜磁場増幅器として使用できる。
図2は、先に説明した図1に対して変更した補償装置9を備えた増幅器26を示す。調節装置1および制御装置4と一緒に終段6は先の説明に対応しており、同一の符号を付している。補償装置9は、先に説明と同様にエネルギー源E0のパラメータ値に依存した補償係数kを発生する。補償係数kは、補償出力線12を介して調節信号増幅装置10に導かれる。調節信号増幅装置10は、入力側を調節出力線5に接続されていて、調節信号RSを補償係数kに依存して増幅する。かくして補償装置9が終段6の制御に寄与する。
図3は、調節信号RSに依存した制御信号MS1およびMS4の経過を示す。調節信号RSは、任意に定められた信号範囲−RS0〜+RS0内の値を取り得る。制御装置4はアナログ又はディジタル変調器であってよく、この変調器は、信号MS1〜MS4を介して終段6のスイッチS1〜S4を、例えばその都度スイッチS1とS4又はスイッチS2とS3が同時に開閉するように制御する。
アナログ変調器の場合、調節信号RSは、一般に変調器内で比較量として三角波電圧と比較される電圧である。RSが三角電圧の瞬時値よりも大きいとき、例えば信号MS1およびMS4がスイッチS1およびS4をオンさせるようにセットされる。これに対しRSが三角波電圧の瞬時値よりも小さいときには、その代わりにスイッチS2とS3をオンさせるようにMS2とMS3がセットされる。ディジタル変調器の場合は、比較量がカウンタ内容であるとよい。数値として存在する調節信号RSがカウンタ内容よりも大きいときには、ここでも、例えばMS1とMS4がセットされる。これに対しRSがカウント内容よりも小さいときには、その代わりにMS2とMS3がセットされる。
スイッチS1とS4がオン、スイッチS2とS3がオフのときには、出力電圧Uoutとして電圧+U0が生じる。これに対し逆にスイッチS2とS3がオン、スイッチS1とS4がオフのときには、出力電圧Uoutとして電圧−U0が生じる。スイッチが変調動作に従って交互にオン・オフされると、出力電圧Uoutの平均値として+U0と−U0との間にあり、スイッチS1〜S4の動作時間に依存した電圧が生じる。
従って、調節信号RSの図示の経過は、例えば−RS0では、信号MS1とMS4がセットされてなく、信号MS2とMS3がセットされていることを意味する。調節信号RSと共に直線的に上昇する経過中に、信号MS1とMS4並びにMS2とMS3は変化する動作時間を伴って交互にオン・オフされ、0の調節信号において、S1とS4又はS2とS3の動作時間が等しい長さとなり、そして+RS0の調節信号において、信号MS1とMS1のみがセットされるのに対しMS2とMS3がセットされないと言う状態に至る。
図4は、制御信号MS1〜MS4に対する終段出力信号Uoutの推移を示す。MS1とMS4に関し信号がセットされていない場合(その代わり、この場合にはMS2、MS3が100%にセットされている。)における出力信号−U0から出発して、出力信号は、MS1およびMS4ならびにMS2およびMS3の動作時間が等しい長さになる0の値迄上昇する。更に、専らMS1およびMS4がセットされるようになる迄動作時間が変移する。即ち、出力信号は、終段出力信号Uoutに対する+U0の最大値が到達される迄、更に直線的に上昇する。
先の図の説明と併せて、−RS0〜+RS0の調節信号範囲に関して、−U0〜+U0の出力信号調節範囲がもたらされる。
制御信号MS1〜MS4と調節信号RSとの間の関係に関し、次式が当てはまる。
MS2、3=100%−MS1、4
但し、この表示における制御信号MS1〜MS4はその都度の制御信号がセット状態にある時間の百分率割合として理解される。即ちMS1およびMS4は、例えば100%の値においては連続的にセット状態にあり、例えば75%の値においては時間の75%がセット状態にある。
MS2、3=100%−MS1、4
但し、この表示における制御信号MS1〜MS4はその都度の制御信号がセット状態にある時間の百分率割合として理解される。即ちMS1およびMS4は、例えば100%の値においては連続的にセット状態にあり、例えば75%の値においては時間の75%がセット状態にある。
調節信号RSが付加されると、制御信号MS1、4と調節信号RSとの間の次の関係が当てはまる。
MS1、4=50%+RS×50%/RS0
MS1、4=50%+RS×50%/RS0
制御信号MS1、4と終段出力信号Uoutとの間の関係は、次のとおりである。
Uout=(Uo/50%)×MS1、2−Uo
Uout=(Uo/50%)×MS1、2−Uo
終段6の増幅は、Uoutについての先の関係にMS1、4についての上記の関係を代入することによって、次式が得られ、
Uout=(Uo/50%)×(50%+RS×50%/RS0)−Uo
その変形によって、次式がもたらされる。
Uout=Uo×RS/RS0
この結果、制御装置4と終段6からなるカスケードの増幅度Vに関し、次式が得られる。
V=Uo/RS=Uout/RS0
Uout=(Uo/50%)×(50%+RS×50%/RS0)−Uo
その変形によって、次式がもたらされる。
Uout=Uo×RS/RS0
この結果、制御装置4と終段6からなるカスケードの増幅度Vに関し、次式が得られる。
V=Uo/RS=Uout/RS0
従って、終段6の出力信号Uoutは調節信号RSに線形に依存する。しかしながら、同様に電源電圧Uoの依存性が存在する。安定化されていない、又は不十分にしか安定化されていない電源電圧Uoの場合には、例えば系統変動時又は負荷急変時に調節特性の影響が顕著である。一般に、変調法の狙いは終段の出力信号と終段の調節信号との間の線形関係を達成することにあることから、これらの考察は、詳しくは説明されていない他の変調法についても意味内容的に当てはまる。
先の式から、電源電圧Uoの変動の補償が、
k=UN/Uo
なる関係が当てはまる補償係数kによって可能なことを認識できる。但し、UNは公称の又は典型的な、例えば最大の電源電圧である。補償のために、調節信号RSが補償係数kを掛算されるか、又は範囲限界がRS0×1/kにあるように調節信号の範囲が係数1/kだけ拡張される。
k=UN/Uo
なる関係が当てはまる補償係数kによって可能なことを認識できる。但し、UNは公称の又は典型的な、例えば最大の電源電圧である。補償のために、調節信号RSが補償係数kを掛算されるか、又は範囲限界がRS0×1/kにあるように調節信号の範囲が係数1/kだけ拡張される。
先に説明した図1および図2から分かるように、補償係数k又はそれの逆数1/kが調節装置1か、制御装置4か、又は調節信号増幅装置10かのいずれかに導かれる。
図5は、図1に含まれる調節器の例として、D制御要素および可調整の調節器パラメータとを有するPID調節器を示す。目標値NがD要素16を有する分岐に導かれる。D要素の増幅度は、D信号増幅装置17によって可調整である。D信号増幅装置17は入力信号として補償係数k又はこれに比例した値を補償出力線11を介して得る。D要素16の増幅された出力信号は加算器に導かれる。
更に、目標値Nは遅れ要素DEL(遅延)に導かれ、そこから差形成器DIFFに導かれる。差形成器DIFFは更に実際値Aを入力信号として得て、目標値Nと実際値Aとの間の制御偏差を形成する。制御偏差は可調整P要素18に導かれると共にI要素19に道かれ、I要素19からI信号増幅装置20に導かれる。P要素18およびI信号増幅装置20の調整は同様に補償出力線11によって行なわれ、補償出力線11を介して補償係数k又はこれに比例した値が導かれる。P信号PSおよびI信号ISは、D信号DSと同様に加算器SUMに導かれ、加算器SUMはそれらの信号から調節信号RSを形成する。上述のディジタルの可調整のPID調節器15を、先に説明した図1又は図2の増幅器における調節装置として使用できる。
この場合に、調節パラメータ「P」、「I」および「D」の調整のためにどうせ必要な増幅装置17、18および20は、補償係数の調整のためにも使用できるので、好ましいことに、付加的な増幅装置10は必要としない。
図6はD要素16のためのディジタル構成を示す。目標値Nが、nビット幅のメモリ、DフリップフロップDFlipならびにmビット幅の減算器SUBに導かれる。特にm=n+1であるとよい。DFlipはクロックCLKによって作動させられ、例えばCLKが高速のシステムクロックである場合には、信号CLK−enableによってクロック動作を引き下げることができる。
図7はI要素19のディジタル構成を示す。入力信号INが、即ちPID調節器の場合には制御偏差信号が、加算器ADDに導かれる。ADDの出力信号はDフリップフロップDFlipに導かれる。このDフリップフロップDFlipはクロック信号CLKによって作動させられ、かつ信号CLK−enableによってクロックが低減される。DFlipの出力信号QはADDの他の入力に導かれる。従って、加算器ADDの出力信号は同時に増幅装置20の入力信号である。この代わりに、出力として、ADDの出力に比べて1クロックだけ遅れて現れるDFlipの出力Qを使用できる。上述のI要素のステップ応答は模範的には次の表2のようになる。但し、開始条件はQ=0である。
アナログ構成の積分器は、クロック長に相当する時定数と上記の時間基準において0Vの開始条件の下で0から1Vへ変化する入力電圧において、同様に上記の時間基準において示すようにクロック長当たり1Vにて変化する出力電圧を有する。これら2つの例から分かるように、類似して相応に構成された調節器回路の動作原理と規則性は基本的には等価である。
補償が補償係数k又はその逆数によって制御装置4において行なわれるべき場合において、アナログ調節信号RSの変換のために1つ以上のアナログ・ディジタル変換器を有するディジタルの制御装置の場合には、アナログ・ディジタル変換器のうちの1つにおける1/kに相当する変換尺度のための外部入力を使用することで、調節信号RSと補償係数kとの掛算をアナログ・ディジタル変換器で行なえる。完全なディジタルの制御装置4なら、ディジタルの調節信号と補償係数とを掛算するとよい。アナログの制御装置4の場合には、比較量(三角波電圧)と補償係数の逆数1/kとの掛算を行なうことで、好適な回路変形が可能である。この場合には、図1で説明した補償出力線14が使用できる。
補償係数kについては、増幅限界値の実用的な適用を考慮して予め与え得る。例えば電源電圧U0が零に向かうときには、補償係数kは無限大に近づき得る。しかし、増幅器の有意義な動作が非常に僅かな電源電圧U0にはあるという訳ではない。従って、実際的な設計は電源電圧U0の公称値に対する最大で約30%の不足又は電源電圧U0の最大値に対する約40%の不足のところにある電源電圧U0に制限できる。この限界値の外側の電源電圧U0については補償係数が一定に保たれる。
終段の出力信号と調節信号との関係に対する考察では、理想的な線形の関係が仮定される。例えば、短絡制御回避のための終段スイッチの制御における安全時間によって、たとえこの理想的な関係が実際に与えられていなくても、有意義な動作範囲への制限により十分な補償精度が達成される。他の場合にはkの検出時に非線形が考慮されるとよい。
1 調節装置、2 目標値入力線、3 実際値入力線、4 制御装置、5 調節出力線、6 終段、7 測定装置、8 負荷、9 補償装置、10 調節信号増幅装置、11、12、13、14 補償出力線、15 PID調節器、16 D要素、17 D信号増幅装置、18 P要素、19 I要素、20 増幅装置、25、26 増幅器、A 実際値、ADD 加算器、DEL 遅れ要素、DFlip Dフリップフロップ、DIFF 差形成器、DS D信号、E0 エネルギー源、IN 入力信号、IS I信号、k 補償係数、MS1〜MS4 制御信号、N 目標値、PS P信号、RS 調節信号、S1〜S4 スイッチ、SUM 加算器、U0 電源電圧、Uout 出力電圧
Claims (12)
- 電気エネルギー源によって給電される終段(6)を備え、終段(6)の入力側が制御装置(4)に接続され、制御装置(4)の制御信号によって、エネルギー源のパラメータ値に依存した終段(6)の出力信号が制御される電気増幅器において、
エネルギー源および制御装置(4)に接続された補償装置(9)を備え、該装置(9)により制御信号がパラメータ値に依存して可変であることを特徴とする電気増幅器。 - 入力側が終段(6)に、出力側が制御装置(4)に接続された調節装置(1)を備え、調節装置(1)の調節信号(RS)により、制御信号が終段(6)の出力信号に依存して調節され、調節装置(1)は補償装置(9)に接続されていて、補償装置(9)によって調節信号(RS)がパラメータ値に依存して可変であることを特徴とする請求項1記載の電気増幅器。
- エネルギー源が電圧源として構成され、パラメータが電源電圧であることを特徴とする請求項1乃至2の1つに記載の電気増幅器。
- 制御装置(4)がパルス幅変調器として構成されたことを特徴とする請求項1乃至3の1つに記載の電気増幅器。
- 補償装置(9)が、パラメータ値およびパラメータの公称値又は最大値に依存した補償信号(K)を発生するように構成されたことを特徴とする請求項1乃至4の1つに記載の電気増幅器。
- 補償装置(9)の出力側が、制御装置(4)又は調節装置(1)に接続されたことを特徴とする請求項1乃至5の1つに記載の電気増幅器。
- 調節装置(1)に接続された調節信号前置増幅器(10)が設けられ、補償装置(9)の出力側が調節信号前置増幅器(10)に接続されたことを特徴とする請求項1乃至5の1つに記載の電気増幅器。
- 電気増幅器が磁気共鳴装置の傾斜磁場増幅器として構成されたことを特徴とする請求項1乃至5の1つに記載の電気増幅器。
- 請求項8記載の傾斜磁場増幅器を備えた磁気共鳴装置。
- 電気エネルギー源によって給電される終段(6)を備えた増幅器を制御するための方法であって、次のステップを有することを特徴とする方法。
エネルギー源のパラメータ値を検出するステップ、
パラメータ値に依存した補償信号(K)を発生するステップ、
補償信号(K)に依存した制御信号を発生するステップ、および
制御信号に依存し、終段(6)により出力信号を発生するステップ。 - 次の他のステップを更に有することを特徴とする請求項10記載の方法。
出力信号のパラメータ値を検出するステップ、
出力信号パラメータ値に依存した調節信号を発生するステップ、および
調節信号に付加的に依存した制御信号を発生するステップ。 - 増幅器が磁気共鳴装置のための傾斜磁場増幅器として構成されたことを特徴とする請求項10又は11記載の方法。
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