[发明专利]基于压控恒流源的旋转磁场实现装置及方法

权利要求书

1.一种基于压控恒流源的旋转磁场实现装置，其特征在于，包括：一个磁场源模块、一个压控恒流源模块和一个控制处理模块；其中：

所述磁场源模块，由三个中心点重合且相互正交的线圈即三轴线圈组成，通过控制三个线圈的激励电流强度实现磁感应强度最大值矢量的任意指向；

所述压控恒流源模块，根据控制处理模块的指令，为磁场源模块的各线圈提供合适的激励电流；该压控恒流源模块由同相放大器单元、反相放大器单元和压控恒流源单元组成，并且分为三路，分别激励磁场源模块的三个线圈；

所述控制处理模块，根据所要求的磁场源合成磁感应强度最大值矢量的指向，计算磁场源各线圈激励电流的强度，并通过控制压控恒流源模块输出相应强度的电流，以激励磁场源的三轴线圈；该控制处理模块包括算法单元、电压输出控制单元、单片机电压输出单元；

其中：

所述磁场源模块的三个线圈所产生的最大磁感强度通过矢量合成的方式形成唯一的合成磁感应强度最大值；当激励线圈的电流发生变化时，各线圈的磁感应强度最大值的指向虽然仍沿各自轴线方向，但其大小将随激励电流强度的变化而变化，导致合成磁感应强度最大值的指向也发生相应变化；故通过分别控制三个正交线圈所通电流强度的大小，可以实现对合成磁感应强度最大值方向的控制，即使磁场在空间中旋转；

根据位置和姿态已知的磁场源模块定义系统坐标系：组成磁场源的三个线圈分别沿该坐标系的三个坐标轴即坐标系的三个正交轴与磁场源的三个线圈一致，坐标系原点(0,0,0)为磁场源三个坐标轴的交点，三个正交坐标轴为X,Y,Z；

描述磁场源产生的合成磁感应强度最大值矢量指向的角度定义如下：

经度角A：指磁场源产生的合成最大磁感应强度矢量在XY平面内的投影与X轴之间的夹角；

纬度角B：指磁场源产生的合成最大磁感应强度矢量与其在XY平面内的投影之间的夹角；

定义轴线为X轴、Y轴、Z轴的三个线圈的激励电流强度F1、F2、F3；则磁场源产生的合成磁感应强度最大值指向的经度角为A和纬度角为B时，磁场源三轴线圈的激励电流强度由下式(1)计算：

由控制处理模块中的电压输出控制单元控制单片机电压输出单元输出6路一定强度的电压；

假设三路压控恒流源电压电流转换系数分别对应为R_i,i＝1,2,3，单片机输出电压与压控恒流源输入电压之间的转换系数为K，则单片机输出电压与恒流源输出电流之间的关系为U_io＝FiR_i/K,i＝1,2,3；

假设压控恒流源模块中，三个支路的单元分别记为：第一压控恒流源单元、第一同相放大器单元、第一反相放大器单元；第二压控恒流源单元、第二同相放大器单元、第二反相放大器单元；第三压控恒流源单元、第三同相放大器单元、第三反相放大器单元；

假设同相放大器单元放大系数均为K，K0,反相放大器单元放大系数均为-K,三个压控恒流源单元采样电阻分别对应为R_i，i＝1,2,3；根据放大器的放大系数及单片机电压输出单元输出电压大小范围，假设U_1m,U_1i,U_2m,U_2i,U_3m,U_3i分别为第一同相放大器单元、第一反相放大器单元、第二同相放大器单元、第二反相放大器单元、第三同相放大器单元、第三反相放大器单元的输入电压；假设U_1v,U_2v,U_3v分别为第一压控恒流源单元、第二压控恒流源单元、第三压控恒流源单元的输入电压；于是：

对于第一支路：当经度角或者时，第一压控恒流源单元输出电流为：

I_1v＝U_1v/R₁＝KU_1m/R₁ (2)

根据公式(1)中所述线圈激励电流强度，即F1＝I_1v,以及公式(2)；单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

U_1m＝F1R₁/K (3)

U_1i＝0 (4)

同理，当经度角时，第一压控恒流源单元输出电流为：

I_1v＝U_1v/R₁＝-KU_1i/R₁ (5)

单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

U_1i＝-F1R₁/K (6)

U_1m＝0 (7)

对于第二支路：当经度角时，第二压控恒流源单元输出电流为:

I_2v＝U_2v/R₂＝KU_2m/R₂ (8)

根据公式(1)中所述线圈激励电流强度，即F2＝I_2v,以及公式(8)；单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

U_2m＝F2R₂/K (9)

U_2i＝0 (10)

同理，当经度角时，第二压控恒流源单元输出电流为：

I_2v＝U_2v/R₂＝-KU_2i/R₂ (11)

单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

U_2i＝-F2R₂/K (12)

U_2m＝0 (13)

对于第三支路：当纬度角时，第三压控恒流源单元输出电流为：

I_3v＝U_3v/R₃＝KU_3m/R₃ (14)

根据公式(1)所述线圈激励电流强度，即F3＝I_3v，以及公式(14)；单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

U_3m＝F3R₃/K (15)

U_3i＝0 (16)

同理；当纬度角时，压第三控恒流源单元输出电流为：

I_3v＝U_3v/R₃＝-KU_3i/R₃ (17)

单片机电压输出控制单元此时输出电压为：

U_3i＝-F3R₃/K (18)

U_3m＝0 (19)

当所需的磁场源合成磁感应强度最大值矢量的经度角为A，纬度角为B时，控制处理模块中的算法单元，按公式(3)、(4)、(6)、(7)、(9)、(10)、(12)、(13)、(15)、(16)、(18)、(19)，即可确定单片机电压输出单元输出的6路电压强度，使压控恒流源模块同时输出三路合适的电流强度，最终激励三轴线圈。

2.基于权利要求1所述装置的旋转磁场实现方法，其特征在于，使磁场源合成磁感应强度最大值矢量指向指定方向的具体步骤如下：

(一)首先控制处理模块中的算法单元根据所需的磁场源合成磁感应强度最大值矢量的指向的经度角A和纬度角B，以及相关算法确定三轴线圈激励电流的大小；

(二)控制处理模块中的电压输出控制单元根据电流强度控制单片机电压输出单元输出6路一定强度的电压，经过同相放大器单元和反相放大器单元放大后输入压控恒流源单元；

(三)最后压控恒流源单元将输入电压整形为三路一定强度的恒流脉冲，同时激励对应的三轴线圈，使磁场源模块的合成磁感应强度最大值矢量指向符合步骤(一)所要求的经度角A和纬度角B。