磁共振成像系统匀场电源优化设计

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第I页国内图书分类号：TN46密级：公开国际图书分类号：621.314西南交通大学硕士研究生学位论文磁共振成像系统匀场电源优化设计年级二〇一五级姓名刘畅申请学位级别工学硕士专业电气工程指导教师许建平教授二〇一八年五月西南交通大学硕士研究生学位论文第II页ClassifiedIndex:TN46U.D.C:621.314SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisOptimizedDesignofShimmingPowerofMagneticResonanceImagingSystemGrade:2015Candida

2、te:LiuChangAcademicDegreeAppliedfor:MasterSpeciality:ElectricalEngineeringSupervisor:Prof.XuJianpingMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第III页西南交通大学硕士研究生学位论文第IV页西南交通大学硕士研究生学位论文第V页摘要匀场电源是磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)系统的重要组成部分，它给负载匀场线圈供电并产生快速变化的输出梯形电流，对MRI系统中不均匀的主磁场进行补偿矫正。由于匀场线圈为感性负载，在传统全桥结构的匀场电源中，它与LC输出滤波器产

3、生谐振易造成系统不稳定，通常通过无源阻尼法消除谐振尖峰来提高系统的稳定性，但阻尼电阻的引入会产生阻尼损耗。因此，优化设计匀场电源参数对减小阻尼损耗和提高系统稳定性具有重要意义。详细分析了基于全桥结构的匀场电源的工作原理，建立了其数学模型，设计了一种滤波器参数和控制环路参数的优化方案，根据谐振频率和阻尼系数的约束条件得到滤波电感和滤波电容的取值区间。通过建立滤波器和负载电感的等效电路模型，推导了阻尼损耗的表达式。为了减小阻尼损耗，在取值区间内优化了滤波器参数。进一步优化了控制环路参数，提高了系统的稳定性。仿真及实验结果验证了理论分析的正确性。为了进一步减小匀场电源的阻尼损耗，从系统拓扑结构的角

4、度进行了优化，采用双Buck变换器取代全桥变换器作为匀场电源结构。详细分析了其工作原理，建立了系统的数学模型，采用前面设计的优化方案，优化了滤波器和控制环路参数。与基于全桥结构的匀场电源相比，基于双Buck变换器的匀场电源的滤波器参数取值更小、具有更低的阻尼损耗。同时该方案减小了输出电流的纹波，提高了电流精度。仿真及实验结果验证了理论分析的正确性。在低功率场合，基于双Buck变换器的匀场电源的阻尼损耗对系统效率的影响仍然较大。为了消除阻尼损耗，本文从控制技术的角度设计了输出电流反馈补偿作内环的有源阻尼控制方案。通过详细分析其工作原理，建立了系统的数学模型，分析了系统不稳定的原因，在控制方案的

5、内环控制电路分别设计了一阶补偿器和二阶补偿器。与基于双Buck变换器的无源阻尼控制相比，两者均能消除阻尼损耗和减小输出电流纹波。与一阶补偿器相比，二阶补偿器作内环控制时，输出电流纹波更小，系统模型更简单，控制环路也便于设计。仿真结果验证了理论分析的正确性。关键词：阻尼损耗；LC滤波器；控制环路；参数优化设计；输出电流反馈补偿西南交通大学硕士研究生学位论文第VI页AbstractShimmingpowerisanimportantpartofMRIsystem,anditprovidespowertotheshimmingcoiltoproducearapidlychangingoutputg

6、radientcurrent,whichcompensatesthemainmagneticfield.TheresonancebetweenshimmingcoilandtheLCoutputfilteriseasytocausethesysteminstabilityinthetraditionalfull-bridgestructure.Thestabilityofthesystemcanbeimprovedbythepassivedampingmethod,butthedampinglossiscausedbydampingresistance.Therefore,itisofgre

7、atsignificancetooptimizetheparametersofshimmingpowertoreducedampinglossandimprovesystemstability.Basedonthefull-bridgestructure,theworkingprincipleandmathematicalmodelareanalyzedindetail.Onthisbasis,asoluti