空间万向旋转磁场方位误差的直线极化相位校正方法

摘要

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种空间万向旋转磁场方位误差的相位校正方法——直线极化电压相位差补偿法。其特征是以大线圈的电压相位为测量基准，借助于两相正交谐波信号叠加的直线极化特性，分别测出小线圈和中间线圈输入电压的相位差，并对输入电压进行数字化补偿，消除三组线圈电学参数不同对旋转磁场方位误差的影响。本发明的效果和益处是采用直线极化电压相位差补偿法，消除了三组不同结构亥姆霍兹线圈的电学参数差异对所叠加旋转磁场产生的方位误差，提高了空间万向旋转磁场的方位精度，尤其消除了线圈互感对空间万向旋转磁场方位精度的影响，解决了线圈互感计算与补偿困难这一技术难题。

主权项

一种空间万向旋转磁场方位误差的直线极化相位校正方法，其特征包括以下步骤，第一步，以大线圈(3)的电压相位为测量基准，借助于两相谐波信号在两组正交线圈内所叠加旋转磁场的直线极化特性，分别测出其余两组线圈内施加正弦电压信号所叠加旋转磁场发生直线极化时相对施加大线圈(3)正弦电压信号的相位差；(1)以大线圈(3)的电压相位为测量基准，小线圈(1)和中间线圈(2)的输入电压相位差θ₁和θ₂分别为：式中，R₃和L₃分别为大亥姆霍兹线圈(3)的电阻和组合电感；R₂和L₂分别为中间亥姆霍兹线圈(2)的电阻和组合电感；R₁和L₁分别为小亥姆霍兹线圈(1)的电阻和组合电感；(2)选取大线圈(3)与小线圈(1)两组正交线圈，采用数字化控制器分别向该两组正交线圈施加正弦电压信号来叠加定轴旋转磁场，轴线沿Y轴；则旋转磁场的磁感应强度分量满足如下关系式：$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=B_0·\sin (\omega t+{\theta }_1+\psi )\\ B_z=B_{0}sin\omega t\end{array}\right.---\left(25\right)$式中，B_z为大线圈(3)产生的磁场，以其电压相位为基准，则相位可视为零，B_x为小线圈(1)产生的磁场，小线圈(1)相对大线圈(3)的电压相位差θ₁是固有的物理量，当频率一定时，θ₁为未知常量，ψ为小线圈(1)输入电压的可调校准相位，其数值通过控制器数字化调整；(3)电压相位差θ₁的获得借助于两相正交谐波信号在两组正交线圈内叠加的直线极化规律进行测量；输入电压相位差θ₁的测量可借助当ψ+θ₁＝π时的直线极化特性，即所叠加磁场为直线极化，而直线极化位相左右两边磁场的旋转方向相反；控制系统大线圈(3)的输入电压相位始终为0，通过控制器不断改变小线圈(1)的输入电压的可调校准相位ψ，通过观察磁场旋转方向，直至找到叠加磁场为直线极化时小线圈(1)的可调校准相位，记为ψ₀；此时，两组线圈产生的磁感应强度分量的相位必定相差π，即满足等式：故ψ₀的补角就是小线圈(1)的输入电压相位差，即θ₁＝π‑ψ₀；同理，可测得θ₂；第二步，在使用过程中，消除感抗对电流滞后和空间万向旋转磁场误差的影响的处理方式是：依据两相正交谐波信号叠加的直线极化特性，在分别测出小线圈(1)、中间线圈(2)发生直线极化时的电压相位差θ₁和θ₂的基础上，对控制系统中三组方形亥姆霍兹线圈的输入电压相位进行补偿，校正由于三组不同结构线圈的电阻、电感不同所引起的叠加空间万向旋转磁场的方位误差，提高旋转磁场的方位精度，控制系统电压相位数字化补偿后磁场叠加效果分析如下：以大线圈(3)的电压相位为基准，分别测得小线圈(1)和中间线圈(2)输入电压相位差θ₁和θ₂后，对控制系统的输入电压相位进行数字化补偿，即三组线圈的输入电压相位由原来的π/2变为π/2；经过补偿之后，三组线圈产生的磁感应强度分量分别为：其中，式中，α、β、γ为旋转磁场的轴线方位角，ω为旋转磁场的角频率，I₀为施加电流信号正弦分量的幅值；$K_i=\frac{4{\mu }_0{N}_i{(a_i+\frac{t_i}{2})}^2}{\pi [{(a_i+\frac{t_i}{2})}^2+{d_i}^2]\sqrt{2{(a_i+\frac{t_i}{2})}^2+{d_i}^2}},i=x,y,z---\left(13\right)$式中，a_i为方形亥姆霍兹线圈内侧边长的一半，t_i为方形线圈厚度，d_i为两线圈中心距的一半，N_i为单个亥姆霍兹线圈的匝数，μ₀＝4π×10^‑7N/A²代表真空磁导率；由于即磁感应强度分量为：