CN108267701A - 一种用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统 - Google Patents

一种用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统，将矢量磁传感器测量到的环境干扰磁场转化为电压信号输入到补偿控制器中，并与目标磁场进行比较，通过反馈控制模块产生补偿信号，与前馈控制模块产生的补偿信号相加后输入到补偿线圈相应方向的绕组中，激励补偿线圈产生磁场，抵消波动干扰；成功的解决了磁场复现系统中标量补偿存在的问题；该方法具有操作方便、自动化程度高、成本低、性价比高等优点，同时，补偿过程中还可通过补偿参数修正方法对补偿电流中的直流偏置部分进行修正，以达到只对干扰磁场进行抵消，不影响复现磁场准确度的目的；还对环境中存在的工频和谐波频率进行了前馈补偿。

Description

一种用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统
技术领域
本发明属于磁场复现技术领域，具体涉及一种用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统。
背景技术
环境磁干扰主要指由于车辆、电梯等磁性物体移动产生的低频扰动磁场，以及电力线缆中50Hz/60Hz工频及谐波电流产生的交流扰动磁场。在磁场复现系统中环境磁干扰是影响复现磁场准确度及稳定度的重要因素。
申请号为200810187847.X，名称为“超低磁空间与磁场复现的集成装置”的专利申请中描述了一种采用多层高导磁材料构建立方体屏蔽室，利用磁旁路原理抑制环境磁干扰，是一种被动方式。该种方式具有造价高(屏蔽室的造价远高于磁场复现系统)，高导磁材料与磁场线圈相互影响等缺陷。
申请号为201320722859.4，实用新型名称为“一种磁场复现测量噪声补偿装置”的专利提出了一种采用钾光泵磁强计进行总场测量，并进行噪声磁场补偿的方法。该方案采用的补偿传感器为钾光泵磁强计，一种测量总场的标量传感器，补偿过程中只可将补偿信号传输到一个磁场分量中，而环境的干扰磁场的强度、方向、频率均是实时变动并且不确定的，因此该补偿方式具有一定的缺陷，不适用于标量磁传感器的测试。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统可同时对三个分量的磁场环境进行动态补偿，达到复现稳定磁场的目的。
一种用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统，包括矢量磁传感器、三轴补偿线圈、磁场补偿控制器和上位机；其中，磁场补偿控制器包括采集模块、磁场设置模块、PI反馈控制模块、PID前馈控制模块以及电压电流转换模块；
所述三轴补偿线圈放置于需要进行补偿的磁场环境中；
所述矢量磁传感器放置在三轴补偿线圈的磁场均匀区内，其三个磁敏感轴分别与三轴补偿线圈的三轴对应平行，用于实时测量环境总磁场，并输出对应的模拟电压信号；
所述采集模块用于将所述矢量磁传感器输出的模拟信号转化为数字量，然后将该数字量发送给所述上位机；
所述磁场设置模块用于接收上位机发送的标准电压值Ur，然后转换为标准电压模拟信号；
所述PI反馈控制模块包括模拟减法电路和模拟比例积分PI电路；模拟减法电路用于将所述磁场设置模块输出的标准电压Ur模拟信号与矢量磁传感器输出的模拟电压信号作差，得到差值；模拟比例积分PI电路对所述差值进行比例积分运算，得到电压形式的反馈补偿信号；
所述PID前馈控制模块包括微处理器、频率直接合成DDS电路和比例积分微分PID电路；所述微处理器接收上位机发送的磁场幅值命令字及频率命令字；频率直接合成DDS电路根据磁场幅值命令字及频率命令字得到相应的交流电压信号；所述比例积分微分PID电路对所述交流电压信号进行PID运算后，得到电压形式的前馈补偿信号；
所述电压电流转换模块将PI反馈控制模块输出的反馈补偿信号和PID前馈控制模块输出的前馈补偿信号相加，得到补偿电压；然后再把相加后的补偿电压转换为补偿电流，送入三轴补偿线圈；
所述三轴补偿线圈根据输入的补偿电流产生磁场，抵消环境磁干扰；
所述上位机根据外部输入的目标磁场值Br，根据标准电压转换模型 Ur＝kBr+Uo，计算得到标准电压值Ur，式中，k和U0为转换参数，所述标准电压转换模型具体获得过程为：在三轴补偿线圈不工作的情况下，获得在磁场复现线圈工作时，低噪矢量磁传感器测量的电压值；将磁场复现线圈的磁场值作为 Br，将此时低噪矢量磁传感器测量的电压值作为Ur，获得多组Br和Ur后，对模型 Ur＝kBr+Uo进行最小二乘估计，得到k和Uo；
所述上位机根据外部输入的需要补偿的50Hz/60Hz工频及谐波磁场的磁场值和频率值，分别转换为磁场幅值命令字及频率命令字，并发送到所述PID前馈控制模块中。
较佳的，所述各功能模块参数还应满足如下充要条件：
T1T2K1K2KSWKI-(T1+T2)(K1K2KSWKP+1)＜0 (1)
K1K2KSWKI＞0 (2)
式中：T1表示电压电流转换模块中电压转电流的时间常数，K1表示电压电流转换系数，T2表示矢量磁传感器时间常数，K2表示矢量磁传感器的磁电转换系数，KSW表示三轴补偿线圈的单轴常数，KP表示PI反馈控制模块的比例系数，KI表示PI反馈控制模块的积分系数。
较佳的，所述三轴补偿线圈的三个中心轴线两两相互垂直，且各自磁场均匀区中心点重叠，
较佳的，三轴磁场线圈之间通过环氧树脂、聚甲醛或铝合金材料的无磁性支架实现相互连接固定。
较佳的，所述矢量磁传感器为磁通门磁传感器、磁阻式磁传感器或巨磁阻抗磁传感器。
较佳的，还包括电源管理模块，用于进行电压转换，对控制系统中的各个电路模块进行供电。
进一步的，所述上位机通过串行总线实时接收磁场补偿控制器发送的磁场数据，然后以文本和曲线方式实时显示环境总磁场三数值。
较佳的，所述上位机中目标磁场值Br的磁场设置范围为±100μT。
较佳的，所述上位机中工频及谐波磁场的磁场值和频率值的范围分别为±3 μT和40Hz～400Hz。
本发明具有如下有益效果：
本发明采用低噪矢量磁传感器放置在三轴补偿线圈磁场均匀区，将测量到的环境干扰磁场转化为电压信号输入到补偿控制器中，并与目标磁场进行比较，通过反馈控制模块产生补偿信号，与前馈控制模块产生的补偿信号相加后输入到补偿线圈相应方向的绕组中，激励补偿线圈产生磁场，抵消波动干扰；可同时对环境磁干扰的三个分量进行分别补偿，成功的解决了磁场复现系统中标量补偿存在的问题；该方法具有操作方便、自动化程度高、成本低、性价比高等优点，同时，补偿过程中还可通过补偿参数修正方法对补偿电流中的直流偏置部分进行修正，以达到只对干扰磁场进行抵消，不影响复现磁场准确度的目的；还对环境中存在的工频和谐波频率进行了前馈补偿；在磁通门磁强计、矢量磁传感器、磁罗盘等的测试校准中具有较高应用价值，亦在电子显微镜成像质量改善、生物磁场测量、动态磁环境模拟中具有很好的应用价值。
附图说明
图1为本发明的磁场复现系统环境磁干扰主动补偿结构框图；
图2为本发明的环境磁干扰反馈补偿系统原理框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明的用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统包括低噪矢量磁传感器、三轴补偿线圈、磁场补偿控制器和上位机，磁场补偿控制器组装集成了采集模块、磁场设置模块、PI反馈控制模块、PID前馈控制模块、电压电流转换模块等，其物理连接关系如图1所示。
三轴补偿线圈放置于需要进行补偿的磁场环境中，三轴补偿线圈包括X轴补偿线圈、Y轴补偿线圈和Z轴补偿线圈，X轴补偿线圈、Y轴补偿线圈和Z 轴补偿线圈的中心轴线相互垂直，X轴补偿线圈、Y轴补偿线圈和Z轴补偿线圈的磁场均匀区中心点重叠，三个磁场线圈通过环氧树脂、聚甲醛、铝合金等无磁性支架实现相互连接固定。
低噪矢量磁传感器包括但不限于磁通门磁传感器、磁阻式磁传感器、巨磁阻抗磁传感器，放置在三轴补偿线圈的磁场均匀区内，并使低噪矢量磁传感器的三个磁敏感轴分别与X轴补偿线圈、Y轴补偿线圈和Z轴补偿线圈的中心轴线相互平行，用于实时测量环境总磁场在X、Y、Z三个方向上的分量，并输出对应的三路模拟电压信号。
磁场补偿控制器内的采集模块主要包括微处理器和模数转换电路，主要功能是将低噪矢量磁传感器输出的模拟信号转化为数字量，然后将该数字量通过串行总线发送给上位机。
磁场补偿控制器内的磁场设置模块主要包括微处理器和16位及以上模数转换电路,接收上位机器发送的三通道标准电压数然后转换为标准电压模拟信号。
如图2所示，磁场补偿控制器内的PI反馈控制模块包括三通道模拟减法电路和模拟比例积分(PI)电路，功能是将磁场设置模块输出的标准电压模拟信号与低噪矢量磁传感器输出的的模拟电压信号作差，然后对差值进行比例积分运算，得到电压形式的反馈补偿信号。
磁场补偿控制器内的PID前馈控制模块包括微处理器、频率直接合成(DDS) 电路和比例积分微分(PID)电路，PID前馈控制模块接收上位机发送的幅值命令字及频率命令字后，首先通过DDS电路得到相应的交流电压信号，再通过PID 运算后得到电压形式的前馈补偿信号。
磁场补偿控制器内的电压电流转换模块包括模拟加法电路和电压电流转换电路，模拟加法电路将PI反馈控制模块输出的反馈补偿信号和PID前馈控制模块输出的前馈补偿信号相加，然后再通过电压电流转换电路把相加后的补偿电压转换为补偿电流，送入补偿线圈。所述补偿线圈根据输入的补偿电流产生磁场，抵消环境磁干扰。
磁场补偿控制器内电源管理模块主要功能是进行电压转换，对控制器中的各个电路模块，如磁场设置模块、PI反馈控制模块、电压电流转换模块等进行供电。
上位机通过串行总线实时接收磁场补偿控制器发送的磁场三分量数据，然后以文本和曲线方式实时显示环境总磁场的三分量数值。
上位机配置目标磁场值Br设置软件，设置磁场范围±100uT，根据标准电压转换模型Ur＝kBr+U0，计算得到标准电压值，然后将该电压值通过RS232串口通讯发送到磁场补偿控制器。式中，k和U0即为转换参数，该转换模型是在考虑到实际应用中，三轴补偿线圈的尺寸不一，当补偿线圈的尺寸较小时，补偿传感器安装位置处与工作区的线圈常数不一致，可能导致补偿传感器存在零偏U0，影响补偿磁场准确度。为了确保补偿动态干扰的同时，补偿线圈不产生额外的恒定磁场影响工作区的参考磁场，其充分条件是补偿绕组中补偿电流的恒定分量为零，需要对目标磁场及控制电路的参考电压进行修正，具体为：在三轴补偿线圈不工作的情况下，获得在磁场复现线圈工作时，低噪矢量磁传感器测量的电压值；将磁场复现线圈的磁场值作为Br，将此时低噪矢量磁传感器测量的电压值作为Ur，获得多组Br和Ur后，对模型Ur＝kBr+Uo进行最小二乘估计，得到 k和Uo。
由于环境中存在50Hz/60Hz工频及谐波磁场的干扰，需要对其进行补偿，上位机配置50Hz/60Hz前馈补偿设置软件，上位机接收外部输入的需要补偿的磁场值和频率值后，将以上两参数转换为磁场幅值命令字及频率命令字，并通过串行总线发送到磁场补偿控制器的PID前馈控制模块中。其中，磁场幅值范围±3uT，频率范围40Hz～400Hz。
上述环境磁干扰主动补偿系统在三个方向独立实施补偿，为了达到复现磁场稳定的目的，根据自动控制原理，各功能模块参数还应满足如下充要条件(以 X方向为例)：
T1T2K1K2KSWKI-(T1+T2)(K1K2KSWKP+1)＜0 (1)
K1K2KSWKI＞0 (2)
式中：T1表示电压电流转换时间常数，K1表示电压电流转换系数，T2表示低噪矢量磁传感器时间常数，K2表示低噪矢量磁传感器的磁电转换系数，KSW表示X轴补偿线圈常数，KP表示反馈控制模块的比例系数，KI表示反馈控制模块的积分系数。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统，其特征在于，包括矢量磁传感器、三轴补偿线圈、磁场补偿控制器和上位机；其中，磁场补偿控制器包括采集模块、磁场设置模块、PI反馈控制模块、PID前馈控制模块以及电压电流转换模块；
所述三轴补偿线圈放置于需要进行补偿的磁场环境中；
所述矢量磁传感器放置在三轴补偿线圈的磁场均匀区内，其三个磁敏感轴分别与三轴补偿线圈的三轴对应平行，用于实时测量环境总磁场，并输出对应的模拟电压信号；
所述采集模块用于将所述矢量磁传感器输出的模拟信号转化为数字量，然后将该数字量发送给所述上位机；
所述磁场设置模块用于接收上位机发送的标准电压值Ur，然后转换为标准电压模拟信号；
所述PI反馈控制模块包括模拟减法电路和模拟比例积分PI电路；模拟减法电路用于将所述磁场设置模块输出的标准电压Ur模拟信号与矢量磁传感器输出的模拟电压信号作差，得到差值；模拟比例积分PI电路对所述差值进行比例积分运算，得到电压形式的反馈补偿信号；
所述PID前馈控制模块包括微处理器、频率直接合成DDS电路和比例积分微分PID电路；所述微处理器接收上位机发送的磁场幅值命令字及频率命令字；频率直接合成DDS电路根据磁场幅值命令字及频率命令字得到相应的交流电压信号；所述比例积分微分PID电路对所述交流电压信号进行PID运算后，得到电压形式的前馈补偿信号；
所述电压电流转换模块将PI反馈控制模块输出的反馈补偿信号和PID前馈控制模块输出的前馈补偿信号相加，得到补偿电压；然后再把相加后的补偿电压转换为补偿电流，送入三轴补偿线圈；
所述三轴补偿线圈根据输入的补偿电流产生磁场，抵消环境磁干扰；
所述上位机根据外部输入的目标磁场值Br，根据标准电压转换模型Ur＝kBr+Uo，计算得到标准电压值Ur，式中，k和U0为转换参数，所述标准电压转换模型具体获得过程为：在三轴补偿线圈不工作的情况下，获得在磁场复现线圈工作时，低噪矢量磁传感器测量的电压值；将磁场复现线圈的磁场值作为Br，将此时低噪矢量磁传感器测量的电压值作为Ur，获得多组Br和Ur后，对模型Ur＝kBr+Uo进行最小二乘估计，得到k和Uo；
所述上位机根据外部输入的需要补偿的50Hz/60Hz工频及谐波磁场的磁场值和频率值，分别转换为磁场幅值命令字及频率命令字，并发送到所述PID前馈控制模块中。
2.如权利要求1所述的用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统，其特征在于，所述各功能模块参数还应满足如下充要条件：
T1T2K1K2KSWKI-(T1+T2)(K1K2KSWKP+1)＜0 (1)
K1K2KSWKI＞0 (2)
式中：T1表示电压电流转换模块中电压转电流的时间常数，K1表示电压电流转换系数，T2表示矢量磁传感器时间常数，K2表示矢量磁传感器的磁电转换系数，KSW表示三轴补偿线圈的单轴常数，KP表示PI反馈控制模块的比例系数，KI表示PI反馈控制模块的积分系数。
3.如权利要求1或2所述的用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统，其特征在于，所述三轴补偿线圈的三个中心轴线两两相互垂直，且各自磁场均匀区中心点重叠。
4.如权利要求1或2所述的用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统，其特征在于，三轴磁场线圈之间通过环氧树脂、聚甲醛或铝合金材料的无磁性支架实现相互连接固定。
5.如权利要求1或2所述的用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统，其特征在于，所述矢量磁传感器为磁通门磁传感器、磁阻式磁传感器或巨磁阻抗磁传感器。
6.如权利要求1或2所述的用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统，其特征在于，还包括电源管理模块，用于进行电压转换，对控制系统中的各个电路模块进行供电。
7.如权利要求1或2所述的用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统，其特征在于，所述上位机通过串行总线实时接收磁场补偿控制器发送的磁场数据，然后以文本和曲线方式实时显示环境总磁场三数值。
8.如权利要求1或2所述的用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统，其特征在于，所述上位机中目标磁场值Br的磁场设置范围为±100μT。
9.如权利要求1或2所述的用于磁场复现线圈的环境磁干扰主动补偿系统，其特征在于，所述上位机中工频及谐波磁场的磁场值和频率值的范围分别为±3μT和40Hz～400Hz。
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