CC BY
116
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ • ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ...
УДК 621.318
Г. В. МИЛОВЗОРОВ, А. М. ШАПОШНИКОВ, Ю. П. ЖИЛЯЕВ, А. Г. МИЛОВЗОРОВ
ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Предложены различные системы генерирования опорных магнитных полей на базе колец Гельмгольца. Представлены особенности построения программно-управляемых генераторов вращающихся магнитных полей. Предложена методика калибровки трехкомпонентного магнитометра на базе пространственной системы колец Гельмгольца с микропроцессорным управлением. Опорные магнитные поля; вектор магнитной индукции; системы колец Гельмгольца; магнитометрический преобразователь
Разработка систем генерирования опорных магнитных полей (ОМП), к которым относятся и вращающиеся магнитные поля (ВМП), алгоритмов управления их параметрами представляет собой вполне определенный интерес как при построении магнитометрической аппаратуры, в том числе инклинометрических геонави-гационных систем, и исследовании ее характеристик, так и при проведении медико-биологических исследований.
В частности, современные инклинометри-ческие системы (ИС) обычно оснащаются трехкомпонентными датчиками магнитного поля, с помощью которых в совокупности с акселерометрами определяются угловые параметры пространственной ориентации этих систем. С помощью датчиков магнитного поля обеспечивается фиксация направления и величины геомагнитного поля (ГМП), индукция которого относительно мала и составляет приблизительно 45...60 мкТл. При этом для калибровки магнитных датчиков используются искусственно создаваемые магнитные поля.
Постоянные, переменные и импульсные магнитные воздействия с индукцией поля от 0,1 до 5 Тл также широко используются для лечения различных заболеваний человека.
Таким образом, создание высокоэффективных систем генерирования ОМП (ВМП) представляется весьма актуальным научно-техническим направлением.
Генерирование магнитных полей осуществляется, как правило, с помощью систем контурных токов, протекающих в катушках различной конфигурации. В качестве элементов конструкции выступают секции (кольца) круглой или квадратной (прямоугольной) формы.
Контактная информация: (347) 273-78-36
Конструкции отличаются количеством секций, их взаимным расположением, радиусом и количеством витков в каждой секции.
К основным конструкциям на базе круглых секций относятся системы Гельмгольца, Максвелла, Баркера, Браунбека, Гаррета. При размерах систем, составляющих 1 метр и более, для генерирования ОМП изготавливают конструкции на основе квадратных контуров [1].
Среди систем, обеспечивающих высокую степень однородности генерируемого ОМП в заданном объеме (до 0,001%), кольца Гельмгольца (КГ) получили наиболее широкое распространение, поскольку они просты в изготовлении по сравнению с другими системами. КГ представляют собой две идентичные круглые секции, расположенные на одной оси параллельно друг другу, расстояние между которыми равно радиусу секции. С помощью КГ создаются магнитные поля, вектор индукции которых направлен перпендикулярно плоскости колец [1]. Для создания вращающихся ОМП на базе описанной установки создают более сложные конструкции - системы колец Гельмгольца (СКГ). Особенности установок на базе КГ и алгоритмы управления различными СКГ представляют вполне определенный интерес. Генерирование ОМП с помощью токовых контуров может осуществляться двумя способами - вручную и автоматически.
Первый случай является традиционным и применяется, как правило, тогда, когда необходимо генерирование статического поля фиксированной величины. Осуществляется это путем контроля тока в цепях катушек с использованием коэффициента преобразования «ток-индукция». С совершенствованием вычислительной техники, в частности, высокопроизводительных микроконтроллеров (МК) с развитой периферией, наиболее целесообразно создавать
программно управляемые системы генерирования ОМП. Одним из вариантов подобного рода систем является двухфазная СКГ. Данная система предназначена для создания ВМП в плоскости и представляет собой две пары перпендикулярно расположенных КГ.
На рис. 1 представлена структура системы, в которой с помощью управляемых коммутаторов УК-1 (х, у) и УК-2 (х, у) по управляющим сигналам Q1x и Q2x дискретно изменяется направление постоянного тока в КГ. Токозадающие резисторы на схеме не указаны.
протекать в «прямом» и «обратном» направлениях.
\У
Рис. 1. Структура двухфазной дискретноуправляемой системы генерирования ВМП
Каждая пара КГ1 (х) и КГ1 (у), включенная отдельно, создает напряженность ОМП Нх и Ну соответственно. При одновременном протекании токов 1х и 1у через катушки создается поле, направление вектора напряженности которого зависит от соотношения этих токов.
На рис. 2 представлены векторные диаграммы результирующих напряженностей индуктируемого магнитного поля в плоскости осей намагничивания КГ1 (х) и КГ2 (у). При этом возможны два алгоритма функционирования системы. Первый предполагает поочередное включение катушек по оси Ох и Оу в прямом и обратном направлениях. ОН (х), ОН (у) -оси намагничивания, создаваемые парами КГ1 (х) и КГ2 (у) соответственно.
В этом случае кольца Гельмгольца работают автономно и последовательно, а вращение вектора напряженности создаваемого магнитного поля осуществляется следующим образом:
( ® л ( ® л ( ® л ( ® л
+ Нх + Ну - Нх - НУ
Нху | Ну 1 х \ ЇЇу / / 1
1 ЇЇу/ \ 1 \ 1 \ 1 \ 1 \|
-Ж
ЇЇх* ЇЇх 1 1
' \-Л 1 1 \ 1
В соответствии с временными диаграммами, представленными на рис. 2, в парах КГ1 (х) и КГ2 (у) токи ¡х1 и у последовательно будут
Нх}
Рис. 2. Векторные диаграммы работы двухфазной СКГ
Второй алгоритм функционирования предполагает «перекрытие» диапазонов (токи 1х2 и /у2). Этому режиму соответствует восемь дискретных положений результирующего вектора (рис. 2). Недостатком системы является то, что модуль вектора Нху превосходит Их(у) приблизительно в 1,41 раза, т. е. при таком вращении поля величина его индукции не остается постоянной, а будет «пульсирующей» [2]. На рис. 3 представлен функциональный электронный узел, с помощью которого решается проблема «выравнивания» результирующего вектора при его вращении в режиме восьми дискретных положений. При поочередной работе двух катушек микросхема ББ1 удерживает транзистор УТ1 в открытом состоянии и напряжение и приложено к резисторам Я1 и К2, включенным параллельно. При одновременном включении катушек транзистор УТ1 запирается и ток, проходящий через каждую катушку, становится меньше, чем в первом случае, поскольку ограничен лишь резистором Я1. Расчет соотношения сопротивлений резисторов для формирования необходимых токов сложности не представляет.
Другим вариантом построения систем генерирования ВМП является трехфазная СКГ, структура которой представлена на рис. 4. Индуктор состоит из источника опорного напряжения (ИОН), управляемых коммутаторов УК, катушек ^ь, и токозадающих резисторов. ИОН через УК1, УК2 и УК3 посредством резисторов подключается к катушкам wa, ^ь, wc соответственно. Резисторы предназначены для обеспечения равенства магнитных потоков, создаваемых каждой из катушек.
V
У
У
У
У
Рис. 3. Принципиальная схема электронного узла коррекции тока в паре КГ
УК1
Рис. 4. Структура трехфазного индуктора генерирования ВМП
На рис. 5 представлены векторные диаграммы напряженности результирующего вектора индуцируемого магнитного поля в плоскостях осей намагничивания катушек. При этом возможны два алгоритма функционирования системы. Первый предполагает поочередное включение катушек и состоит из трех тактов. Вращение вектора напряженности схематично представляется следующим образом:
( ® л ( ® л ( ® л
нА Нв Не
V ) V ) V )
( ® л ( ® л ( ® л
тирующие векторы Нав Нве и Нас
V ) V ) V )
При одновременном (попарном) включении катушек (6-тактный цикл работы) количество возможных направлений векторов напряженности увеличивается вдвое (появляются резуль-
),
что позволяет осуществлять вращение результирующего вектора с меньшей дискретностью (рис. 5). На рис. 6 представлена структура трехфазного индуктора ВМП, в которой реализована возможность смены направления на противоположное векторов напряженности магнитного поля, наводимых каждой из катушек (режим реверса).
Рис. 6. Структура индуктора с реверсом векторов напряженности магнитного поля
В данном случае количество положений результирующего вектора напряженности увеличивается вдвое. Векторные диаграммы работы этой схемы представлены на рис. 7.
Рис. 5. Векторные диаграммы 3- и 6-тактных циклов работы трехфазного индуктора ВМП
Рис.7. Векторные диаграммы работы трехфазного индуктора с реверсом
Для получения одинакового по модулю результирующего вектора напряженности поля при различных комбинациях включения кату-
шек (т. е. с использованием так называемой «перекрестной» коммутации) можно воспользоваться схемой токовой коррекции, представленной на рис. 3. Преимуществом данной схемы по сравнению с предыдущей является меньшая дискретность смены угла вращаемого вектора индукции [3]. Независимо от количества фаз в СКГ, можно осуществлять более плавное вращение вектора ВМП за счет применения цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), управляемых с помощью МК. Это особенно актуально в СКГ, состоящей из трех взаимно перпендикулярных КГ. С помощью этой СКГ осуществляется вращение ВМП в любом направлении трехмерного пространства с произвольной величиной индукцией магнитного поля. На рис. 8 представлена схема трехмерной СКГ.
Рис. 8. Схема СКГ вращения вектора индукции ОМП в пространстве
Для обеспечения высокой степени однородности ОМП внутри системы, равно как и в классической паре КГ, необходимо выдерживать расстояние между кольцами каждой пары, равное радиусу кольца.
На рис. 9 представлена функциональная схема предлагаемой установки для генерирования магнитного поля и контроля его параметров.
Рис. 9. Функциональная схема управления трехмерной СКГ
МК вырабатывает управляющие коды для ЦАП. Усилители тока (УТ) масштабируют до необходимого уровня и создают токи в СКГ. Напряженность суммарного магнитного поля, наводимого системой СКГ, и геомагнитного поля (ГМП) фиксируется каждым магнитометром М. Кроме того, в цепи каждой пары КГ установлено по одному датчику тока (ДТ). Следовательно, по показаниям ДТ однозначно определяется вектор напряженности магнитного поля, наводимого СКГ. Блоки ЦАП, УТ, М, ДТ на рис. 9 показаны условно, в системе их по три штуки, т. к. они формируют независимые друг от друга каналы управления тремя парами КГ.
Индукция поля Bi, генерируемого каждой парой КГ, определяется выражением:
в =ттН=тто • ~т~ ■ (1+«2)" 3/2> (1)
R
где ц - относительная магнитная проницаемость окружающей среды; ц0 - магнитная постоянная, равная 4п • 10-7 Гн/м; I - ток через пару КГ; w - количество витков одного кольца КГ; Я - радиус кольца; а - отношение расстояния от центра пары КГ до точки, в которой измеряется индукция, к радиусу кольца [1].
Индукция результирующего поля определяется как векторная сумма векторов индукции каждой пары КГ. Приведенная трехмерная СКГ является универсальной, поскольку с помощью нее можно генерировать как постоянные, так и переменные магнитные поля с произвольным законом изменения вектора напряженности ВМП. В частности, указанная СКГ может быть использована в качестве стендовой установки для калибровки трехкомпонентного магнитометра (ТМ), представляющего собой систему из трех взаимно перпендикулярных магнитных датчиков с нормирующими преобразователями для измерения напряженности и направления составляющих магнитных полей. Каждый магнитометр в совокупности с нормирующим устройством образует магнитометрический преобразователь (МП).
На рис. 10 условно представлена схема ИС и размещенные в ней магнитометры Ех , Гу , ^.
ИС закрепляется таким образом, что магнитометры находятся ближе к центру СКГ, а ось 02 перпендикулярна паре КГ2. В течение всего процесса калибровки пространственное положение СКГ и ИС остается неизменным.
Предлагаемые авторами алгоритмы калибровки, в отличие от традиционных методик, не требуют задания множества строго определенных пространственных положений ТМ, большого количества времени и использования до-
рогостоящего установочного оборудования. Процесс калибровки заключается в нахождении основных параметров каждого из МП ТМ, значения которых являются индивидуальными для каждого прибора.
Рис. 10. Размещение магнитометров в ИС
При калибровке необходимо исключать влияние напряженности как ГМП, так и иных
техногенных источников магнитного поля Т на показания ТМ, т. е. система должна обладать свойством инвариантности. Предлагается осуществлять компенсацию влияния ГМП. Например, нужно, чтобы на ТМ действовал вектор
напряженности магнитного поля К произвольной величины и направления. Тогда с помощью СКГ необходимо генерировать вектор:
А = К - Т. (2)
Таким образом, сначала необходимо найти
вектор - Т. Его нахождение сводится к применению поисковых методов, одним из которых является метод наискорейшего спуска. За критерий окончания поиска принято стремление величины 8р к минимуму:
БР=и2х + Щ+и2 ® ШІП,
(3)
где их, иу, и - значения напряжений на выходе соответствующих МП.
Подавление влияния ГМП осуществляется в процессе всей калибровки, но для простоты изложения далее будет упоминаться только о результирующем векторе ОМП. Рассмотрим поэтапно алгоритмы нахождения основных искомых параметров ТМ.
1. Углы смещения магнитометров при их монтаже относительно корпуса ИС. На рис. 11 представлен ортогональный базис Охуг, а также, для примера, магнитометр ¥г с неидеальным расположением оси его чувствительности (ОЧ). В идеальном случае ОЧ Ог' магнитометра ¥г образует углы а^ = а2у = 90° с осями Ох, Оу. В действительности ОЧ ¥г не совпадает с осью О- и указанные углы отличаются от 90°. Разности у2х(у) = 90° - а2х(у) называются углами смещения ОЧ магнитометра ¥г относительно осей Ох и Оу соответственно. Для определения ве-
личины у2у необходимо в плоскости уОг произвести вращение вектора ОМП, задавая ток в катушках КГу и КГг и сохраняя величину напряженности ОМП постоянной.
Рис. 11. К определению углов смещения магнитометров
При каждом изменении угла вектора ОМП необходимо контролировать показания МП2.
Значения токов ¡г и ¡у катушек, которым соответствует максимальное из всех полученных значений напряжение выхода МП2, однозначно определяют величину у2у:
У 2у = аг^Е—• (4)
I-
Аналогично, вращением вектора ОМП в плоскости хОг находится значение у2х. Углы смещения магнитометров ¥х и ¥у измеряются подобным образом.
2. Коэффициент преобразования МП, определяемый как производная напряжения и, на выходе МП по напряженности ОМП:
к, = ^. (5)
' Ш
Этот коэффициент можно определить, используя небольшое приращение величины вектора ОМП, направление которого остается постоянным для ,-го датчика и совпадает с его ОЧ.
3. Предельные значения динамического диапазона измерения МП, и, тах и и, т;п. Для определения этих параметров необходимо вдоль ОЧ датчиков подавать ОМП (для каждого магнитометра в отдельности), изменяя как величину ОМП, так и направление (изменение на строго противоположное). Последовательно увеличивая амплитуду напряженности ОМП за счет токов СКГ, находят напряжение датчика, значение которого будет максимальным (минимальным), т. е. будет оставаться неизменным с увеличением (уменьшением) амплитуды вектора напряженности ОМП.
4. Выходная характеристика МП - зависимость напряжения выхода МП от напряженности магнитного поля, приложенного вдоль ОЧ.
Определение характеристики сводится к выполнению действий п. 3 с фиксацией промежуточных точек.
5. Напряжение смещения нуля МП!. Определяется соотношением:
miiv + min
2
(6)
Представленная система позволяет производить калибровку ТМ в автоматическом режиме за меньшее по сравнению с традиционными методиками калибровки время. Одной из отличительных черт является отсутствие необходимости создания специальных узлов - компенсирующих обмоток, подавляющих влияние ГМП [4].
Таким образом, приведенные в данной статье СКГ могут найти свое применение в зависимости от конкретной области, требуемой точности, конструктивных особенностей магнитометрической аппаратуры. Преимуществами представленных СКГ являются:
1) отсутствие необходимости изменения пространственной ориентации магнитометрической аппаратуры, в результате чего нет влияния «человеческого фактора» на результат измерений;
2) малое время проведения калибровочных операций;
3) отсутствие больших финансовых затрат на приобретение дорогостоящего позиционирующего оборудования;
4) возможность проведения калибровки при различных температурных диапазонах (существующие методики и конструкции не позволяют этого делать в принципе).
Представленные СКГ и алгоритмы управления генерированием ОМП (ВМП) позволяют решать задачи экспериментального исследования статических и динамических характеристик магнитометрических преобразователей, а также являются эффективным средством при проведении различных опытов в современной биологии и медицине.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Средства измерений параметров магнитного поля / Ю. В. Афанасьев [и др.]. Л., 1979. 320 с.
2. Шапошников А. М., Миловзоров А. Г. Дискретно управляемая система генерирования вращающегося магнитного поля // Электронные устройства и системы: межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2008. С. 79-84.
3. Шапошников А. М., Миловзоров А. Г. Трехфазный индуктор вращающегося магнитного
поля с дискретно-релейными режимами управления // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2008. С. 268-271.
4. Шапошников А. М. Особенности алгоритмического обеспечения для калибровки трехкомпонентного феррозондового геомагнитометра инкли-нометрической системы // Актуальные проблемы науки и техники: сб. тр. Уфа, 2009. Т. 2. С. 404-407.
ОБ АВТОРАХ
Миловзоров Георгий Владимирович, проф., зав. каф. пром. электр. Дипл. инж.-электромех. (УАИ, 1978). Д-р техн. наук по элементам и устройствам вы-числ. техники и систем управления (УГАТУ, 1998). Иссл. в обл. инф.-измер. систем.
Шапошников Александр Михайлович, асп. той же каф. Магистр техники и технологии по электронике и микроэлектронике (УГАТУ, 2007). Иссл. в обл. устройств инф.-измер. систем и САУ.
Жиляев Юрий Павлович, дир. ООО «Т елекоммуникации Г А» (г. Уфа). Дипл. инж. электронной техники (УАИ, 1979). Канд. техн. наук по элементам и устройствам вычисл. техн. и систем управления (УАИ, 1988). Иссл. в обл. высокоточн. электрон. из-
мер. приборов.
Миловзоров Алексей Георгиевич, асп. каф. приборов и методов контроля качества ИжГТУ. Дипл. инж. по приборам и методам контроля качества и диагностики (ИжГТУ, 2006). Иссл. в обл. слабых магнитных полей, построения магнитометрической аппаратуры.
