CN115328251A - 一种主动磁补偿装置用的高精度电流源装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动磁补偿装置用的高精度电流源装置及控制方法，包括：DSP模块，两个12位的数模转换器，并联功率放大电路。通过接受主动磁补偿装置线圈中心区域的磁通门传感器感知的磁场变化量，经过数模转换器进入电流源的DSP模块，与参考量进行比较，偏差量经PID控制器后产生的数字控制信号通过两个12位的数模转换器，产生的模拟电压量作为并联功率放大电路的控制量，从而在磁补偿线圈中产生对应的补偿电流。本发明通过设计两级功率放大电路并联，能够在保证足够电流输出能力的同时，结合两路数模转换器实现对电流的高精度控制，从而实现对磁补偿线圈中心稳定的零磁环境。

Description

一种主动磁补偿装置用的高精度电流源装置及控制方法
技术领域
本发明属于磁场补偿技术领域，特别是涉及一种主动磁补偿装置用的高精度电流源装置及控制方法。
背景技术
磁屏蔽装置在理想状态下能够在装置中心区域形成极弱磁环境可以应用于心脑磁成像的心脑疾病研究、极弱磁场计量、弱磁对生物的影响研究以及弱磁检测方法研究。
现有的磁屏蔽装置是通过高磁导率合金层进行被动屏蔽，在很大程度上衰减了地磁场,但是在中心区域的依然会存在剩磁，并且由于外部环境磁场的干扰，仅靠被动屏蔽无法实现稳态的极弱磁区域。而现有的主动磁补偿系统通常将剩磁与动态磁场统一补偿，三个轴向的磁场补偿利用三个单级电流源，对应的电流驱动能力和电流控制精度低，最终将会影响到磁场补偿的能力和精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种主动磁补偿装置用的高精度电流源装置及控制方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种主动磁补偿装置用的高精度电流源装置，包括：
DSP模块、数模转换器模块、双级并联功率放大电路模块；
所述DSP模块用于输出数字控制信号；
所述数模转换器模块用于输出模拟电压信号；
所述双级并联功率放大电路模块基于模拟电压信号产生补偿电流，实现电流的高精度控制。
可选的，所述DSP模块包括对比单元、PID控制单元；对比单元用于获取偏差量；PID控制单元用于将所述偏差量转换为数字控制信号。
可选的，所述数模转换器模块包括第一控制器数模转换单元、第二控制器数模转换单元。
可选的，所述双级并联功率放大电路模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一功率运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第二功率运算放大器。
可选的，所述第一功率运算放大器与所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻、所述第五电阻相连，所述第二功率运算放大器分别与所述第六电阻、所述第七电阻、所述第八电阻、所述第九电阻、所述第十电阻相连，所述第十电阻与所述第五电阻分别接地，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻依次相连，所述第三电阻、所述第四电阻、所述第五电阻依次相连，所述第八电阻、所述第九电阻、所述第十电阻依次相连，所述第六电阻、所述第七电阻、所述第八电阻依次相连。
还提供了一种主动磁补偿装置用的高精度电流源控制方法，其特征在于，包括：
获取磁场变化量与参考量，基于所述磁场变化量与所述参考量获得偏差量，将所述偏差量转化为数字控制信号，基于所述数字控制信号获得两路模拟电压信号，构建双级并联功率放大电路，基于模拟电压信号与并联功率放大电路，生成补偿电流，实现电流的高精度控制。
可选的，基于主动磁补偿装置线圈中心区域的磁通门传感器获取所述磁场变化量。
可选的，所述补偿电流包括补偿动态磁场所需要的电流、补偿静态磁场所需要的电流。
可选的，所述双级并联功率放大电路包括第一功率放大电路与第二功率放大电路，其中，第一功率放大电路用于产生所述补偿静态磁场所需要的电流，第二功率放大电路用于产生所述补偿动态磁场所需要的电流。
本发明的技术效果为：
本发明降低了控制器的成本，以低成本的功率放大器件实现对高精度模数转换器的替换，不仅具有更高的驱动能力，并且提高了电流的控制精度，最终实现主动磁补偿装置磁场补偿能力和磁场控制精度的提高。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的磁补偿装置控制框图；
图2为本发明实施例中的双级并联电流源的电路原理图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
主动磁补偿装置用的高精度电流源包括了两级功率运算放大电路。该电流源通过接受来自控制器的两路模拟控制信号，第一功率运算放大电路为线圈提供补偿静态磁场的电流，第二功率运算放大电路为线圈提供补偿动态磁场的电流。通过两个功率运算放大电路输出电流的叠加，使得线圈能够同时补偿动态磁场和静态磁场，在磁补偿装置中心区域形成极弱磁环境。
通过控制器将剩磁与动态干扰磁场对应的控制量分离，通过两级功率放大电路并联形成的高精度电流源为磁场补偿线圈提供电流，实现对剩磁和动态磁场干扰的高精度补偿。
如图1-2所示，本实施例中提供一种主动磁补偿装置用的高精度电流源装置及控制方法，包括：
本实施例中提供一种主动磁补偿装置用的高精度电流源装置：
DSP模块、数模转换器模块、双级并联功率放大电路模块；
DSP模块用于输出数字控制信号；
数模转换器模块用于输出模拟电压信号；
双级并联功率放大电路模块基于模拟电压信号产生补偿电流，实现电流的高精度控制。
在一些实施例中，DSP模块包括对比单元、PID控制单元；对比单元用于获取偏差量；PID控制单元用于将偏差量转换为数字控制信号。
在一些实施例中，数模转换器模块包括第一控制器数模转换单元、第二控制器数模转换单元；
在一些实施例中，双级并联功率放大电路模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一功率运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第二功率运算放大器。
在一些实施例中，第一功率运算放大器与第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻相连，第二功率运算放大器分别与第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻相连，第十电阻与第五电阻分别接地，第一电阻、第二电阻、第三电阻依次相连，第三电阻、第四电阻、第五电阻依次相连，第八电阻、第九电阻、第十电阻依次相连，第六电阻、第七电阻、第八电阻依次相连。
本实施例中还提供一种主动磁补偿装置用的高精度电流源控制方法，其特征在于，包括：
获取磁场变化量与参考量，基于磁场变化量与参考量获得偏差量，将偏差量转化为数字控制信号，基于数字控制信号获得两路模拟电压信号，构建双级并联功率放大电路，基于模拟电压信号与并联功率放大电路，生成补偿电流，实现电流的高精度控制。
在一些实施例中，基于主动磁补偿装置线圈中心区域的磁通门传感器获取磁场变化量。
在一些实施例中，补偿电流包括补偿动态磁场所需要的电流、补偿静态磁场所需要的电流。
在一些实施例中，双级并联功率放大电路包括第一功率放大电路与第二功率放大电路，其中，第一功率放大电路用于产生补偿静态磁场所需要的电流，第二功率放大电路用于产生补偿动态磁场所需要的电流。
如图1所示，磁通门传感器将磁屏蔽线圈中心磁场转换成电压信号，经过模数转换器传输到PID控制器，PID控制器输出的数字控制信号输入两路12位数模转换器，两路12位数模转换器输出两路模拟电压信号，为本发明的高精度电流源提供静态、动态两种参考控制量。
如图2所示，双级并联功率放大电路分别为第一功率放大电路U1和第二功率放大电路U2，其特征如下：
由第一功率运算放大电路可知：
Figure BDA0003817015520000061
Figure BDA0003817015520000062
上两式中iL为第一功率运放作用在负载上的电流，VL为负载两端电压，VOUT为功率运算放大器的输出电压，R3、R4、R5均为第一功率运算放大器的配比电阻。
Figure BDA0003817015520000063
上式中VDAC1为第一控制器数模转换模块的输出到第一功率运算放大器的电压，V+为第一功率运算放大器的同相端电压，R1和R2均为第一功率运算放大器的配比电阻。
由式(3)可得：
Figure BDA0003817015520000064
由运算放大器虚短虚断的特性可知：
Figure BDA0003817015520000065
V+＝V- (6)
由式(5)(6)可得：
Figure BDA0003817015520000071
将式(7)代入(4)中可得：
Figure BDA0003817015520000072
将(1)(7)(8)代入式(3)中可得：
Figure BDA0003817015520000073
式(9)满足条件
Figure BDA0003817015520000074
时：
Figure BDA0003817015520000075
由上式可知该第一功率放大电路U1作用于负载线圈的电流只与输入电压有关。
同理可得，当第二功率运算放大电路U2的满足
Figure BDA0003817015520000076
时，第二功率放大器输出电流与输入电压之间的关系满足：
Figure BDA0003817015520000077
上式中iL2为第二功率运放作用在负载上的电流，R6、R7、R8、R9、R10为第二功率运算放大器的配比电阻，VDAC2为第二控制器数模转换模块的输出到第二功率运算放大器的电压。
将第一功率运算放大器和第二功率运算放大器负载的上端短接如摘要附图所示则可实现两级电流的叠加：
iSUM＝iL+iL2(12)
对于主动磁补偿装置，补偿的是两种磁场：一种为静态磁场，一种为动态磁场。对应的电流的表达式如下：
Ia＝Id+Is(13)
上式中Ia为补偿所有磁场所需要的电流，Id为补偿动态磁场所需要的电流，Is为补偿静态磁场所需要的电流。
通常的电流源将静态磁场补偿与动态磁场补偿同时实现，即补偿所有磁场所需要的电流为Ia，对于N位的模数转换器对应的最大控制精度为：
Figure BDA0003817015520000081
由式(12)可知当本发明中的电流源应用于磁补偿系统中，此时控制精度取决于动态磁场补偿的精度：
Figure BDA0003817015520000082
由式(13)可知：
Is＜Ia(16)
因此可得本发明电流源的控制精度满足：
C2＞C1(17)
综上所述，本发明中的电流源能够在实现相同驱动能力的前提下实现更高精度的电流控制，从而实现更高精度的磁场补偿。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种主动磁补偿装置用的高精度电流源装置，其特征在于，包括：
DSP模块、数模转换器模块、双级并联功率放大电路模块；
所述DSP模块用于输出数字控制信号；
所述数模转换器模块用于输出模拟电压信号；
所述双级并联功率放大电路模块基于模拟电压信号产生补偿电流，实现电流的高精度控制。
2.根据权利要求1所述的主动磁补偿装置用的高精度电流源装置，其特征在于，所述DSP模块包括对比单元、PID控制单元；对比单元用于获取偏差量；PID控制单元用于将所述偏差量转换为数字控制信号。
3.根据权利要求1所述的主动磁补偿装置用的高精度电流源装置，其特征在于，所述数模转换器模块包括第一控制器数模转换单元、第二控制器数模转换单元。
4.根据权利要求1所述的主动磁补偿装置用的高精度电流源装置，其特征在于，所述双级并联功率放大电路模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一功率运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第二功率运算放大器。
5.根据权利要求4所述的主动磁补偿装置用的高精度电流源装置，其特征在于，所述第一功率运算放大器与所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻、所述第五电阻相连，所述第二功率运算放大器分别与所述第六电阻、所述第七电阻、所述第八电阻、所述第九电阻、所述第十电阻相连，所述第十电阻与所述第五电阻分别接地，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻依次相连，所述第三电阻、所述第四电阻、所述第五电阻依次相连，所述第八电阻、所述第九电阻、所述第十电阻依次相连，所述第六电阻、所述第七电阻、所述第八电阻依次相连。
6.一种主动磁补偿装置用的高精度电流源控制方法，其特征在于，包括：
获取磁场变化量与参考量，基于所述磁场变化量与所述参考量获得偏差量，将所述偏差量转化为数字控制信号，基于所述数字控制信号获得两路模拟电压信号，构建双级并联功率放大电路，基于模拟电压信号与并联功率放大电路，生成补偿电流，实现电流的高精度控制。
7.根据权利要求6所述的主动磁补偿装置用的高精度电流源控制方法，其特征在于，基于主动磁补偿装置线圈中心区域的磁通门传感器获取所述磁场变化量。
8.根据权利要求6所述的主动磁补偿装置用的高精度电流源控制方法，其特征在于，所述补偿电流包括补偿动态磁场所需要的电流、补偿静态磁场所需要的电流。
9.根据权利要求8所述的主动磁补偿装置用的高精度电流源控制方法，其特征在于，所述双级并联功率放大电路包括第一功率放大电路与第二功率放大电路，其中，第一功率放大电路用于产生所述补偿静态磁场所需要的电流，第二功率放大电路用于产生所述补偿动态磁场所需要的电流。
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