阅读说明：本技术 一种利用电容充放电时序控制旋转磁场的装置及方法 (Device and method for controlling rotating magnetic field by using capacitor charging and discharging time sequence ) 是由 徐建省 于阳 于 2020-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用电容充放电时序控制旋转磁场的装置及方法,所述装置包括：多组线圈、多个高压直流电源、多个高压电容、多组开关切换电路、微控制器；每组线圈连接一个可控高压直流电源、以及两个高压电容,每组线圈连接的所述高压直流电源用于对所述两个高压电容进行充电；微控制器通过控制开关切换电路来实现多组中高压电容的充电、高压电容对线圈的放电时序,从而控制多组线圈中产生旋转磁场；所述两个高压电容对所述每组线圈依次轮流放电,即其中一个电容在放电时,另一个在进行充电,循环切换,多组线圈电路轮流执行该过程。(The invention relates to a device and a method for controlling a rotating magnetic field by utilizing a capacitor charging and discharging time sequence, wherein the device comprises: the system comprises a plurality of groups of coils, a plurality of high-voltage direct-current power supplies, a plurality of high-voltage capacitors, a plurality of groups of switch switching circuits and a microcontroller; each group of coils is connected with a controllable high-voltage direct-current power supply and two high-voltage capacitors, and the high-voltage direct-current power supply connected with each group of coils is used for charging the two high-voltage capacitors; the microcontroller realizes the charging of a plurality of groups of middle and high voltage capacitors and the discharging time sequence of the high voltage capacitors to the coils by controlling the switch switching circuit, thereby controlling the rotating magnetic field generated in the plurality of groups of coils; the two high-voltage capacitors discharge each group of coils in turn, namely when one capacitor discharges, the other capacitor charges and is switched circularly, and the process is executed by a plurality of groups of coil circuits in turn.)

一种利用电容充放电时序控制旋转磁场的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种旋转磁场发生装置，特别涉及生物实验及驱动磁性微型机器人的一种利用电容充放电时序控制旋转磁场的装置及方法。

背景技术

随着社会的发展，旋转磁场得到越来越多的应用，各种旋转磁场在生物医学中的应用尤其具有重要的价值。目前旋转磁场的实现有多种方法，有利用机械结构的旋转永磁体来实现，有利用三对相互垂直的线圈，通过信号源输出的正弦信号，经功率放大器驱动线圈，其装置构成较为复杂。另外，现有的旋转磁场方案难以兼顾在一个较大空间实现高的磁场幅值，同时做到旋转轴向的快速切换。

发明内容

本发明的目的是克服现有旋转磁场发生系统构成复杂且难以实现快速调节旋转轴朝向及高场幅值的问题，提出一种利用电容充放电时序控制旋转磁场的装置及方法，利用高压直流电源给高压电容充电，然后通过时序控制电路控制多个高压电容对多路线圈进行放电时序，从而产生旋转磁场。本发明可实现旋转磁场的产生，并采用微控制器来控制旋转磁场的幅值、频率和轴向，来实现任意轴向的旋转磁场。

本发明采用的技术方案是，一种利用电容充放电时序控制旋转磁场的装置，包括：多组线圈、多个高压直流电源、多个高压电容、多组开关切换电路、微控制器；

所述高压直流电源带有电压控制端口或者串行通信接口，高压直流电源输出电压的大小由微处理器通过电压控制端口或者串行通信接口进行控制；

所述多组线圈是两组、三组或者更多组，每组线圈对应设置一组开关切换电路；

每组线圈连接一个高压直流电源、以及两个高压电容，每组线圈连接的所述高压直流电源用于对所述两个高压电容进行充电；微控制器通过控制开关切换电路来实现多组线圈电路中高压电容的充电、高压电容对线圈的放电时序，从而控制多组线圈中产生的电流的时序，产生旋转磁场；所述两个高压电容对所述每组线圈依次轮流放电，即其中一个电容在放电时，另一个在进行充电，循环切换。

进一步的，包括：所述高压电源和高压电容的电压值为3-20kV，所述高压电源的电压可控，所述高压电容对线圈放电，放电回路工作于临界阻尼或者欠阻尼状态，且放电时多个放电回路的震荡频率相同。

进一步的，包括：当线圈的数量设置为三组时，所述三组线圈为两两相互垂直的三对亥姆霍兹线圈，三对亥姆霍兹线圈尺寸依次变大，并且从小尺寸到大尺寸嵌套安装，三对亥姆霍兹线圈的轴向分别对应磁场发生装置的X,Y,Z轴，三对亥姆霍兹线圈的轴中心交于坐标原点O，OXYZ构成笛卡尔坐标系；三对亥姆霍兹线圈通入正电流所产生的磁场沿坐标轴正方向；每对亥姆霍兹线圈连接一路直流高压电流源，以及两个高压电容，对应的通过一组开关切换电路控制该路高压直流电源、两个高压电容对该对亥姆霍兹线圈之间的充放电；在微控制器的作用下，实现高压直流电源对高压电容的充电、通过触发电路触发可控硅控制高压电容对三路线圈开始放电的时序。

进一步的，电路具体包括：

高压直流电源U1的正极经过开关S1连接到高压电容C2的一极，即节点b，然后经过开关S4连接到节点d，C2的另一极连接到高压直流电源U1的负极，该负极为节点f；高压直流电源U1的正极经过开关S2连接到高压电容C1的一极，即节点c，然后经过开关S3连接到节点d，C1的另一极连接到高压直流电源U1的负极，即节点f；高压直流电源U1的负极连接节点f；泄放电阻R1串联开关S5后两端分别连接于节点d和f；可控硅Q1的阳极和二极管D1的阴极连接到节点d，可控硅Q1的阴极和二极管D1的阳极连接到节点e，X轴线圈L1两端分别连接到节点e和节点f，节点f连接到GND；Y轴线圈L2和Z轴线圈L3的连接方式同X轴线圈L1。

根据本发明的另一方面，提出一种利用电容充放电时序控制旋转磁场的方法，其用于前述装置，包括如下步骤：

线圈的数量为两组，两组线圈对应的高压电源的输出，也即两组线圈相连接的电容的充电电压为：V_x＝B₀/k_x，V_y＝B₀/k_y，在电路频率为ω时，两路电容开始放电的时刻为：t₁＝kT，t₂＝kT+π/2，k取自然数，T为一个正弦波周期；B₀为需要实现旋转磁场的幅值，k_x,k_y分别为两组线圈中放电电容的电压值V_x，V_y和两路线圈中产生磁场最大值B_xmax,B_ymax的比例系数，即B_xmax＝V_xk_x,B_ymax＝V_yk_y；若要实现方向反方向旋转，只需要将两路电容放电时刻对换即可；当需要改变旋转频率时，同时改变连接入电路中电容的值或者电感值，使得两个放电回路的震荡频率等于设定的频率。

根据本发明的另一方面，提出一种利用电容充放电时序控制旋转磁场的方法，其用于前述装置，具体包括如下步骤：

线圈的数量为三组，当旋转磁场的旋转轴为三维空间中的任一方向时，令三组相互正交的平行线圈对，它们的中心轴为OX,OY,OZ，它们正交于原点O；设磁场旋转轴方向n的方位角为

其中，θ为磁场旋转轴方向与OZ轴正向的夹角，为磁场旋转轴方向在XOY平面上投影与OX正向的夹角，则幅值为B₀，旋转频率为ω的旋转磁场在直角坐标系中的三分量[B_x B_y B_z]表示为：

其中η＝ωt，t为时间；

三路线圈对应的高压电源的输出，也即三路线圈相连接的电容的充电电压为：

B₀为需要实现旋转磁场的幅值，k_x,k_y,k_z分别为三路线圈中放电电容的电压值和三路线圈中产生磁场最大值的比例系数，即B_xmax＝V_xk_x,B_ymax＝V_yk_y,B_zmax＝V_zk_z；在电路角频率为ω时，三路高压电容开始放电的时刻为：

其中T为旋转磁场的周期，即T＝2π/ω，k取自然数，θ为磁场旋转轴方向与OZ轴正向的夹角，为磁场旋转轴方向在XOY平面上投影与OX正向的夹角；

通过下面的式子求得：

进一步的，当需要改变旋转磁场的方向时，对应改变磁场旋转轴方向的方位角并改变三路线圈高压电容的放电时刻，旋转磁场即能够迅速改变；

当需要改变磁场强度时，改变三路高压电源上的输出电压，即改变三路线圈上连接的高压电容的充电电压；

当需要改变旋转频率时，同时改变连接入电路中电容的值或者电感值，使得三个放电回路的震荡频率等于设定的频率。

进一步的，包括如下步骤：

当磁场旋转轴用方向余弦表示为(cosα,cosβ,cosγ)，三路线圈对应的高压电源的输出，也即三路线圈相连接的电容的充电电压为：

B₀为需要实现旋转磁场的幅值，α,β,γ为旋转磁场旋转轴的方向角，k_x,k_y,k_z分别为三路线圈中放电电容的电压值和三路线圈中产生磁场最大值的比例系数，即B_xmax＝V_xk_x,B_ymax＝V_yk_y,B_zmax＝V_zk_z；在电路角频率为ω时，三路高压电容开始放电的时间为：

其中T为旋转磁场的周期，即T＝2π/ω，k取自然数。其中

可以由下面的式子求得，

根据本发明的另一方面，提出一种利用电容充放电时序控制旋转磁场的方法，其用于前述装置，包括如下步骤：

当磁场旋转轴用方向余弦表示为(cosα,cosβ,cosγ)，三路线圈对应的高压电源的输出，也即三路线圈相连接的电容的充电电压为：

B₀为需要实现旋转磁场的幅值，α,β,γ为旋转磁场旋转轴的方向角，k_x,k_y,k_z分别为三路线圈中放电电容的电压值和三路线圈中产生磁场最大值的比例系数，即B_xmax＝V_xk_x,B_ymax＝V_yk_y,B_zmax＝V_zk_z；在电路角频率为ω时，三路高压电容开始放电的时间为：

其中T为旋转磁场的周期，即T＝2π/ω，k取自然数；其中

可以由下面的式子求得，

进一步的，当需要改变旋转磁场的方向时，对应改变磁场旋转轴的方向角α,β,γ，并改变三路线圈高压电容的放电时刻；

当需要改变磁场强度时，改变三路高压电源上的输出电压，即改变三路线圈上连接的高压电容的充电电压；

当需要改变旋转频率时，同时改变连接入电路中电容的值或者电感值，使得三个放电回路的震荡频率等于设定的频率。

根据本发明的另一方面，还提供一种前述的装置控制旋转磁场的方法，其中，在线圈L1中产生正弦波的过程，包括如下步骤：

初始状态下S1～S5均开路；在微控制器的作用下S1闭合，U1对C2充电到给定电压Vx，S1断开，S4闭合，在给定的时刻微控制器通过触发电路触发可控硅Q1导通，则C2，L1构成震荡回路，完成一个正半波，当电路电流为零时，即

时刻，可控硅Q1自动断开，此时C2上电压为负；之后C2，L1通过D1完成负半波；从而在L1中形成一个周期为T的正弦波；同时，在时刻微控制器控制S2闭合对C1充电，直到充到给定的电压Vx，断开S2；

在时刻

断开S4，接通S3，微控制器通过触发电路触发可控硅Q1导通，C1，L1构成震荡回路，完成一个正半波，当电路电流为零时，即

时刻，可控硅Q1自动断开，此时C1上电压为负；之后C1，L1通过D1完成负半波；从而，L1中形成另一个周期为T的正弦波；同样在给定的时刻

微控制器控制S1闭合对C2充电，直到充到给定的电压Vx，断开S1；

并随后在

时刻断开S3接通S4；如此循环，U1交替对C1，C2充电，C2，C1交替对L1进行放电，在L1中形成正弦波磁场；

根据控制时序，控制其他两路开关切换电路，对L2、L3分别进行充放电过程。

有益效果：

本发明利用高压电容以及开关切换电路的时序配合，对线圈放电和切换，实现提高线圈旋转磁场的幅值和旋转轴的方向的快速切换。微控制器通过控制开关切换电路来实现对高压电容的充电、高压电容对线圈的放电时序，从而控制多组线圈中产生的电流，产生旋转磁场。本发明的技术方案容易实现对旋转磁场幅值、频率、轴向的精确控制，为生物实验及体内磁性微型机器人驱动和导向提供了一条方便途径。

附图说明

图1是旋转磁场装置示意图；

图2旋转磁场电路连接图；

图3电路控制时序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明磁场发生装置主要包括多组线圈、多个高压直流电源、多个高压电容、多组开关切换电路、微控制器。为了表述的简洁，图示时没有给出微控制器。

所述高压直流电源部分包括3路可控高压直流电源，3路可控高压直流电源均有电压控制端口或者串行通信接口，高压直流电源输出电压的大小可由微处理器通过3路电压控制端口或者串行通信接口进行控制。所述高压电源和高压电容的电压值可为3-20kV；

本发明中的多组线圈可以是两组、三组或者更多组，每组线圈对应设置一组切换电路，例如，当线圈为两组时，对应设置有两组开关切换电路；当线圈为三组时，对应设置有三组切换电路；以此类推。

优选的，当线圈的数量设置为三组时，所述三组线圈为两两相互垂直的三对亥姆霍兹线圈，并且从小尺寸到大尺寸嵌套安装，三对亥姆霍兹线圈的轴向对应磁场发生装置的X,Y,Z轴，三对亥姆霍兹线圈的轴中心交于坐标原点O，OXYZ构成笛卡尔坐标系。三对线圈通入正电流所产生的磁场沿坐标轴正方向。每对线圈连接一路可控直流高压电流源，以及两个高压电容，对应的通过一组开关切换电路控制该路高压直流电源、高压电容及该对线圈。在微控制器的作用下，可以实现高压直流电源对高压电容的充电、可以通过触发电路触发可控硅控制高压电容对三路线圈开始放电的时序，具体的电路连接如图2所示。

图2给出了本发明旋转磁场发生系统电路连接示意图，以X轴线圈L1为例说明电路的连接方式。Y轴线圈和Z轴线圈的连接电路跟X轴线圈的连接方式同理。高压直流电源U1的正极经过开关S1连接到高压电容C2的一极，即节点b，然后经过开关S4连接到节点d，C2的另一极连接到高压直流电源U1的负极，该负极为节点f；高压直流电源U1的正极经过开关S2连接到高压电容C1的一极，即节点c，然后经过开关S3连接到节点d，C1的另一极连接到高压直流电源U1的负极，即节点f；高压直流电源U1的负极连接节点f；泄放电阻R1串联开关S5后两端分别连接于节点d和f；可控硅Q1的阳极和二极管D1的阴极连接到节点d，可控硅Q1的阴极和二极管D1的阳极连接到节点e，X轴线圈L1两端分别连接到节点e和节点f，节点f连接到GND。

利用微控制器控制高压电容充放电和开关切换，从而在X轴线圈L1中产生一个周期正弦波形的过程描述如下：如图3所示，

初始状态下S1～S5均开路；在微控制器的作用下S1闭合，U1对C2充电到给定电压Vx，S1断开，S4闭合，在给定的时刻微控制器通过触发电路触发可控硅Q1导通，则C2，L1构成震荡回路，完成一个正半波，当电路电流为零时，即时刻，可控硅Q1自动断开，此时C2上电压为负；之后C2，L1通过D1完成负半波；从而在L1中形成一个周期为T的正弦波；同时，在时刻

微控制器控制S2闭合对C1充电，直到充到给定的电压Vx，断开S2；

在时刻断开S4，接通S3，微控制器通过触发电路触发可控硅Q1导通，C1，L1构成震荡回路，完成一个正半波，当电路电流为零时，即时刻，可控硅Q1自动断开，此时C1上电压为负；之后C1，L1通过D1完成负半波；从而，L1中形成另一个周期为T的正弦波；同样在给定的时刻

微控制器控制S1闭合对C2充电，直到充到给定的电压Vx，断开S1；

并随后在时刻断开S3接通S4；如此循环，U1交替对C1，C2充电，C2，C1交替对L1进行放电，在L1中形成正弦波磁场；

根据控制时序，控制其他两路开关切换电路，对L2、L3分别进行充放电过程。其他两路开关切换电路与第一路开关电路结构完全相同。

用C1，C2两个电容交替充放电，一方面可以克服单一电容无法实现连续放电造成L1电流波形不连续的缺点，实现电容对线圈L1的连续放电；另一方面可以实现在一个电容充电时另一个电容放电，节约充电时间，能提高旋转磁场的频率。

下面进一步对本发明用于控制旋转磁场所需要的精确时刻进行计算和说明。

假设高压直流电源对高压电容C充电到电压u_C(0)后，对线圈L放电，当放电回路工作于临界阻尼或者欠阻尼状态时，衰减常数a，固有震荡频率ω₀，震荡频率ω_d：

回路中的电流为：

其中

R为回路中的电阻，t为时间。其电流的最大值是：

可以看出当电路确定后，放电回路中电流的最大值跟高压电容的初始电压成正比，也即线圈中磁场的最大值正比于电容的初始电压。高压电容放电的形式可以产生幅值较高的磁场。在第一电容放电一个震荡周期后，本发明将切换到线圈中的电压已经充到给定值的第二电容，再完成一个震荡周期。在第一电容放电时，将对第二电容充电到给定电压；在第二电容放电时，将对第一电容充电到给定电压。再根据产生空间旋转磁场的基本原理，可以得出本发明的旋转磁场的实现方法。

当旋转磁场的轴是固定的时，旋转磁场可以由两个相互垂直的线圈或者线圈对组成。设定两对线圈所连接的电容的初始值使得两个线圈中产生的磁场的最大值等于给定的磁场的幅值。放电时刻差T/4，即两个正弦波相位差π/2，即可以实现平面上的旋转磁场。当需要将旋转轴反向时，只需要对换一下两线圈放电的时刻即可以实现。

当旋转磁场的旋转轴为三维空间中的任一方向时，令三组相互正交的平行线圈对，典型的为亥姆霍兹线圈对，它们的中心轴为OX,OY,OZ，它们正交于原点O。由空间解析几何可知，在空间的向量可以用方位角表示。设磁场旋转轴方向n的方位角为

其中，θ为磁场旋转轴方向与OZ轴正向的夹角，为磁场旋转轴方向在XOY平面上投影与OX正向的夹角，则幅值为B₀旋转频率为ω的旋转磁场在直角坐标系中的三分量[B_x B_y B_z]可以表示为：

其中η＝ωt，t为时间。

设k_x,k_y,k_z分别为三路线圈中放电电容的电压值和三路线圈中产生磁场最大值的比例系数，即B_xmax＝V_xk_x,B_ymax＝V_yk_y,B_zmax＝V_zk_z。又因：

其中

其中

即三组线圈中的磁场是有一定相位差的同频率正弦波，三线圈中磁场的相位为

实际应用时，三路线圈对应的高压电源的输出，也即三路线圈相连接的电容的充电电压为：

三路高压电容接通线圈开始放电的时刻为：

T为电路的震荡周期，T＝2π/ω，k为自然数。即可以得到旋转磁场。

又当磁场旋转轴用方向余弦表示为(cosα,cosβ,cosγ)，α,β,γ为旋转轴方向跟坐标轴OX,OY,OZ的夹角，则产生旋转磁场所需的三组线圈中产生的磁场为：

其中

可以由下面的式子求得，

三路线圈对应的高压电源的输出，也即三路线圈相连接的电容的充电电压值为

三路电路中高压电容接通电路开始放电的时刻为：

T为电路的震荡周期，T＝2π/ω，k为自然数。

旋转磁场的实现过程如下：

设X,Y,Z轴向三对亥姆霍兹线圈所产生的磁场强度B_x,B_y,B_z与三对线圈相连接的高压电容的初始电压V_x,V_y,V_z比例系数为k_x,k_y,k_z，即B_xmax＝V_xk_x，B_ymax＝V_yk_y，B_zmax＝V_zk_z。当需要产生旋转轴的方位角为幅值为B₀旋转频率为ω的旋转磁场时，设磁场旋转角为η，η＝ωt，t为时间，则三对亥姆霍兹线圈中产生的磁场则为：

又因

其中

其中

三路线圈对应的高压电源的输出，也即三路线圈相连接的电容的充电电压为：

三路高压电容接通线圈开始放电的时刻为：

T为电路的震荡周期，T＝2π/ω，k为自然数。

微控制器按照公式(10)设定与三对亥姆霍兹线圈线圈连接的高压电源的输出，使得对应的高压电容器充电到V_x,V_y,V_z，然后按照公式(11)对应的时刻触发三路可控硅即可以得到所需要的旋转磁场。

当需要改变磁场幅值时，改变公式(10)中幅值B₀即可；当需要改变磁场旋转轴方向时，改变公式(10)中对应的方位角即可。如此便可实现任意轴向的旋转磁场。当需要改变旋转频率时，同时改变连接入电路中得到电容的值或者电感值，使得三个放电回路的震荡频率等于设定的频率即可。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。