一种用于电动振动台的空间三轴磁场控制方法与流程

本发明涉及一种环境试验设备，具体涉及一种用于电动振动台的漏磁自动控制方法。

背景技术：

电动振动台是一款广泛应用于国防、航空、航天、运载火箭、军工单位、核工业、通讯等行业的抗震性能试验仪器。电动振动台的运作基于电磁感应原理，在励磁线圈中通过直流电时产生恒定磁场，而处于磁场内的动圈线圈中通过交变电流时产生激振力，即产生振动运动。通电的动圈线圈在磁场中所受的力即为振动台的推力。电动振动台工作时，需要很强的磁感应强度，由于电动振动台结构的特殊性，振动台工作时台面上必定存在漏磁场。

电动振动台工作时，磁场分为两部分，一是由励磁线圈中的直流电流激发产生的恒定磁场，二是由励磁线圈中的交变成分及动圈线圈驱动电流激发的交变磁场。相应的，漏磁也分为恒定磁场与交变磁场两部分，实际工作中，电动振动台的漏磁是一个变化的值。由于振动台结构的特殊性，振动台工作气隙及安装孔存在且不均匀分布。振动台处于垂直状态工作时，漏磁通主要通过工作气隙及安装孔泄露到振动台表面上方；振动台处于水平状态工作时，漏磁通主要通过工作气隙及安装孔泄露到振动台表面前方；漏磁通在空间的不是均匀分布，而且随着振动台内部工作电流的变化而变化。

随着可靠性试验技术的发展，越来越多的仪器仪表和电子类产品需要进行振动台试验。诸如陀螺仪之类的精密仪器和一些敏感电子产品等敏感元件的试验需要低电磁甚至无磁环境。部分尺寸较大的敏感电子产品需要保证元件所处空间的电磁场强度维持在超低的数值，而且试件安装位置可能会随试验而改变，显然，传统的恒电流消磁模式已经无法提供敏感元件进行振动试验时所需的一定空间范围内低电磁或者无磁的环境。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种用于电动振动台的空间三轴磁场控制方法，使测试位置漏磁保持在试验环境所允许的范围内，满足敏感元件试验时所需的低电磁或者无磁环境需要。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于电动振动台的空间三轴磁场控制方法：

预先，在电动振动台的台面上安装一消磁试件安装座，该消磁试件安装座的中部为试件安装位，围绕该试件安装位设置有x向亥姆霍兹线圈、y向亥姆霍兹线圈及z向亥姆霍兹线圈，所述x向亥姆霍兹线圈、y向亥姆霍兹线圈及z向亥姆霍兹线圈均是由一对平行串联共轴的相同匝数的正方形线圈组成；并且，在试件安装位上或一旁设三轴向的磁场传感器；

在电动振动台的工作时，由微控制单元以pwm方式进行三轴漏磁的控制，具体如下执行：

第一步，由三轴向的磁场传感器实时测量出试位安装位所处空间的磁场强度b的的三轴分量bx，by，bz及各个轴向上磁场的方向，并将其转换为连续的、可识别的电流或者电压信号；且将三轴向的磁场传感器输出的电流或者电压信号经a/d转换电路转换为对应的数字信号后，输入微控制单元；

第二步，由微控制单元实时根据第一步各轴向的数字信号，产生占空比分别为ηx，ηy，ηz，幅值为a的电流方波pwm控制信号；

第三步，将占空比为ηx，ηy，ηz的电流方波pwm控制信号输入三路驱动电路，控制各路驱动电路中的功率开关管的通断，产生三路与方波控制信号频率、占空比一致，幅值为a的大电流方波驱动信号；

第四步，以三个整流滤波电路把幅值为a的大电流方波驱动信号分别整流成电流为ix，iy，iz的直流电，并输出给所述x向亥姆霍兹线圈、y向亥姆霍兹线圈及z向亥姆霍兹线圈，以使所述x向亥姆霍兹线圈、y向亥姆霍兹线圈及z向亥姆霍兹线圈在试件安装位所处空间范围内产生的磁场的大小与振动台在该范围内漏磁的大小相同，方向相反，以实时抵消漏磁。

上述方案中，当三轴向磁场传感器检测到试件安装位所处空间内某个轴向上磁场的方向发生改变时，由微控制单元控制该轴向亥姆霍兹线圈前端的电流换向电路工作，使流过该轴向亥姆霍兹线圈内的电流方向发生改变。

上述方案中，采用一恒流电源，用该恒流电源提供各个元件所需的电压的直流电。

上这方案中，所述第二步微控制单元产生占空比分别为ηx，ηy，ηz，幅值为a的电流方波pwm控制信号的具体方法是：对x向、y向、z向的三向控制方式均相同，以一x向说明：首先，判断三轴向磁场传感器输出的x轴值大于还是小于试验环境所允许的x轴向最大空间磁场强度；若小于，则维持上一个采样时刻的x轴向的控制信号占空比ηx1，x向亥姆霍兹线圈内电流维持不变，x向亥姆霍兹线圈的产生的空间补偿磁场的强度维持不变；若大于，判断电动振动台漏磁的x轴向分量变大还是减小；如果电动振动台漏磁的x轴向分量变大，微控制单元根据传感器测量值计算出占空比的变化值，从而增加x向亥姆霍兹线圈中的电流，x向亥姆霍兹线圈产生的空间补偿磁场强度变大，使试件安装位所处空间的磁场强度减小到允许值以内；如果电动振动台漏磁的x轴向分量变小，微控制单元根据磁场传感器测量值计算出占空比的变化值，从而减少x向亥姆霍兹线圈中的电流，x向亥姆霍兹线圈产生的空间补偿磁场强度变小，使试件安装位所处空间的磁场强度减小到允许值以内；然后，判断相邻两个采样时刻，振动台漏磁在x轴向上磁场分量bx1与bx2的方向，如果bx1与bx2方向相反，而且而且|δbx|的数值已经大于bx＂时，微控制单元控制电流换向电路工作，x向亥姆霍兹线圈内的电流方向发生改变，否则电流方向维持不变。所述bx1为上一个采样时刻的x轴向的控制信号占空比，所述δbx为磁场传感器的x轴向的测量值，所述n为设定的pwm信号周期的等分数，所述1/n为控制信号的最小占空比，所述bx1/n为在最小占空比下的x轴向的控制电流所产生的空间磁场强度。

由于采用上述方案，本发明具有以下优点：

本发明能实时监测试件安装位所处空间范围内的漏场的大小和方向，并用x向亥姆霍兹线圈、y向亥姆霍兹线圈及z向亥姆霍兹线圈实时产生与测得的漏场大小相同，方向相反的磁场来实时抵消漏磁，以保证测试件安装位所处空间范围内的磁场很小，基本接近于零，即达到了敏感元件试验所需的一定空间范围内低电磁或者无磁的环境要求。

附图说明

图1为本发明采用的消磁试件安装座示意图；

图2为应用本发明方法的电动振动台的示意图；

图3为本发明的电路原理框图；

图4为本发明的电流换向电路的示意图；

图5为本发明的第二步微控制单元的具体控制流程图。

以上附图中：1、消磁试件安装座；11、试件安装位；2、x向亥姆霍兹线圈；21、方形线圈；22、方形线圈；3、y向亥姆霍兹线圈；31、方形线圈；32、方形线圈；4、z向亥姆霍兹线圈；41、方形线圈；42、方形线圈；5、磁场传感器；6、动圈台面；7、水平滑台；8、试件。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：参见图1-图5：

一种用于电动振动台的空间三轴磁场控制方法，预先，要在电动振动台的台面上安装一消磁试件安装座1，该消磁试件安装座1如图1所示，消磁试件安装座1的中部为试件安装位11，试件安装位11就是试验时在该位置上安装试件。如图1所示，消磁试件安装座1上，围绕该试件安装位11设置有x向亥姆霍兹线圈2、y向亥姆霍兹线圈3及z向亥姆霍兹线圈4。所述x向亥姆霍兹线圈2、y向亥姆霍兹线圈3及z向亥姆霍兹线圈4均是由一对平行串联共轴的相同匝数的正方形线圈组成，即，x向亥姆霍兹线圈2由正方形线圈21和正方形线圈22组成，且正方形线圈21和正方形线圈22的匝数相同、大小相等，且正方形线圈21和正方形线圈22以试件安装位11为中心对称布置，正方形线圈21和正方形线圈22相距的距离等于正方形线圈21的宽度。而，y向亥姆霍兹线圈3和z向亥姆霍兹线圈4也同x向亥姆霍兹线圈2一样，是两个线圈组成。并且，所述x向亥姆霍兹线圈2、y向亥姆霍兹线圈3及z向亥姆霍兹线圈4的公共轴线中点均重合于试件安装位11处。

并且，本实施例方法是在试件安装位11上或一旁设三轴向的磁场传感器5。该三轴向的磁场传感器5是指能测得三轴向的磁强大小及方向的传感器，比如可采用三轴向的磁强探头。

消磁试件安装座1安装在电动振动台上的状态如图2所示，如z向振动台，消磁试件安装座1就安装于动圈台面6上，如水平向振动台，消磁试件安装座1就安装于水平滑台7上。

本实施例方法在电动振动台的工作时，是由微控制单元以pwm方式进行三轴漏磁的控制，具体如下执行：

第一步，由三轴向的磁场传感器5实时测量出试位安装位11所处空间的磁场强度b的的三轴分量bx，by，bz及各个轴向上磁场的方向，并将其转换为连续的、可识别的电流或者电压信号；且将三轴向的磁场传感器输出的电流或者电压信号经a/d转换电路转换为对应的数字信号后，输入微控制单元；

第二步，由微控制单元实时根据第一步各轴向的数字信号，产生占空比分别为ηx，ηy，ηz，幅值为a的电流方波pwm控制信号；

第三步，将占空比为ηx，ηy，ηz的电流方波pwm控制信号输入三路驱动电路，控制各路驱动电路中的功率开关管的通断，产生三路与方波控制信号频率、占空比一致，幅值为a的大电流方波驱动信号；

第四步，以三个整流滤波电路把幅值为a的大电流方波驱动信号分别整流成电流为ix，iy，iz的直流电，并输出给所述x向亥姆霍兹线圈、y向亥姆霍兹线圈及z向亥姆霍兹线圈，以使所述x向亥姆霍兹线圈、y向亥姆霍兹线圈及z向亥姆霍兹线圈在试件安装位所处空间范围内产生的磁场的大小与振动台在该范围内漏磁的大小相同，方向相反，以实时抵消漏磁。

当三轴向磁场传感器检测到试件安装位所处空间内某个轴向上磁场的方向发生改变时，由微控制单元控制该轴向亥姆霍兹线圈前端的电流换向电路工作，使流过该轴向亥姆霍兹线圈内的电流方向发生改变。

本方法还采用一恒流电源，用该恒流电源提供各个元件所需的电压的直流电。

参见图5所示，所述第二步微控制单元中的微控制器中刻录的程序，该程序实时根据第一步产生的各轴向的数字信号，产生占空比分别为ηx，ηy，ηz，幅值为a的电流方波pwm控制信号，其具体方法是：对x向、y向、z向的三向控制方式均相同，以x向说明：首先，判断三轴向磁场传感器输出的x轴值大于还是小于试验环境所允许的x轴向最大空间磁场强度；若小于，则维持上一个采样时刻的x轴向的控制信号占空比ηx1，x向亥姆霍兹线圈内电流维持不变，x向亥姆霍兹线圈的产生的空间补偿磁场的强度维持不变；若大于，判断电动振动台漏磁的x轴向分量变大还是减小；如果电动振动台漏磁的x轴向分量变大，微控制单元根据传感器测量值计算出占空比的变化值，从而增加x向亥姆霍兹线圈中的电流，x向亥姆霍兹线圈产生的空间补偿磁场强度变大，使试件安装位所处空间的磁场强度减小到允许值以内；如果电动振动台漏磁的x轴向分量变小，微控制单元根据磁场传感器测量值计算出占空比的变化值，从而减少x向亥姆霍兹线圈中的电流，x向亥姆霍兹线圈产生的空间补偿磁场强度变小，使试件安装位所处空间的磁场强度减小到允许值以内；然后，判断相邻两个采样时刻，振动台漏磁在x轴向上磁场分量bx1与bx2的方向，如果bx1与bx2方向相反，而且而且|δbx|的数值已经大于bx＂时，微控制单元控制电流换向电路工作，x向亥姆霍兹线圈内的电流方向发生改变，否则电流方向维持不变。

根据电动振动台的最大工作频率f(一般为5000hz)，设置微处理器的采样时间t＝1/f，系统每t秒进行一组判定，循环往复直至操作员主动关闭系统。

根据试验条件需要，把pwm信号周期n等分，1/n为控制信号的最小占空比。对于x向亥姆霍兹线圈，最小控制电流ix1/n所产生的空间补偿磁场强度bx1/n小于试验条件所要求的x轴向磁场强度的最小允许值bx＂。假设t1时刻，振动台漏磁的x轴向分量为bx1,微处理器产生的控制信号占空比为ηx1，x向亥姆霍兹线圈的电流为ix1，x向亥姆霍兹线圈产生的补偿磁场的强度为bx1＇，|bx1-bx1＇|＝δbx≤bx＂,δbx为三轴向的磁强探头测量的x轴向输出。

在下一个采样时刻t2,振动台漏磁x轴向分量为bx2，如果

|bx2-bx1＇|＝δbx≤bx＂,微处理器产生的x轴向控制信号占空比维持ηx1不变，x向亥姆霍兹线圈电流维持ix1，x向亥姆霍兹线圈产生的补偿磁场的强度保持为bx1＇；如果bx2-bx1＇＝δbx＞bx＂＞0(振动台漏磁的x轴向分量变大),微处理器产生的x轴向控制信号占空比x向亥姆霍兹线圈电流增大到ix2，x向亥姆霍兹线圈产生的磁场的强度增加为bx2＇，|bx2-bx2＇|≤bx＂；如果bx2-bx1＇＝δbx＜bx＂＜0(振动台漏磁的x轴向分量变小),微处理器产生的x轴向控制信号占空比x向亥姆霍兹线圈电流减少到ix2，x向亥姆霍兹线圈产生的补偿磁场的强度减弱为bx2＇，|bx2-bx2＇|≤bx＂。

在t2采用时刻,如果bx1与bx2方向相反，而且|δbx|的数值已经大于bx＂时,微处理器控制x向亥姆霍兹线圈前端的电流换向电路工作，使流过x向亥姆霍兹线圈内的电流ix方向改变。如果bx1与bx2方向相同，x向亥姆霍兹线圈内的电流ix方向维持不变。

微处理器的采样时间设置为t,t秒后进行下一组判定，循环往复直至操作员主动关闭系统。y轴向、z轴向的控制方法与x轴向一致。对于不同的试验条件，bx＂，by＂，bz＂可以相同,也可以随试验条件要求的变化改变为不同的数值。若无特殊要求，试验条件所要求的空间磁场强度的最小允许值

参见图3、图4所示，本发明实现所采用的电路硬件框图如图示。

电动振动台工作过程中，漏磁大小随励磁电流、动圈电流的改变而波动。三轴向的磁场传感器5实时测量出试件安装位11上的漏磁大小b的三轴分量bx，by，bz，再由微控制单元内的微处理器根据传感器的测量值实时调整各轴向的pwm控制信号的占空比ηx，ηy，ηz，从而根据振动台漏磁大小实时调整各轴向补偿磁场电流的大小ix，iy，iz，从而实时保证在电动振动台运行过程中试件所处的空间的磁场保持在允许范围以内。

本发明采用三组亥姆霍兹线圈(x向亥姆霍兹线圈2、y向亥姆霍兹线圈3及z向亥姆霍兹线圈4)，从而能在试件安装位11一定区域内产生均匀度非常高的补偿磁场，各轴向的补偿磁场与振动台的在试件所处空间产生的漏磁的该轴向漏磁分量相抵消，使得试件所处空间处于近乎无磁的状态，而且试件的安装位置可以随试验要求而改变，是无磁振动的理想解决方案，能满足如激光陀螺仪等敏感电子元器件振动试验时所需要的低电磁环境的需求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。