一种驱动磁场的快速开关双向恒流源电路及方法技术

本发明专利技术涉及一种驱动磁场的快速开关双向恒流源电路及方法，在恒流源通路开启时，功率放大器输出恒定电流，电流流经磁场线圈和采样电阻。采样电阻两端的电压被采集，经电压跟随器后，输入到PI控制模块的一端，PI控制模块的另一端连接输出电流大小控制信号，两个信号之差采用PI算法，输出电压控制功率放大器的电压输出，进而控制恒流源的输出电流。本发明专利技术能够实现快速开关双向恒流源，为梯度磁场、偏置磁场和补偿磁场线圈提供高精度恒流源，并解决使用电阻和二极管泄放回路关断时间过长问题，提升磁场开关速度。升磁场开关速度。升磁场开关速度。

【技术实现步骤摘要】
一种驱动磁场的快速开关双向恒流源电路及方法


[0001]本专利技术属于快速开关双向恒流源电路
，尤其是一种驱动磁场的快速开关双向恒流源电路及方法。

技术介绍

[0002]在原子冷却阶段，通过磁光阱系统(MOT)对原子进行激光冷却，结合梯度磁场实现冷原子的捕获。梯度磁场通过在反Helmholtz线圈中加载一定强度的电流来实现。在冷原子团的自由下落过程中，要经过原子选态过程，这个阶段需要一个竖直方向磁场提供量子化轴，即偏置磁场。偏置磁场是通过在Helmholtz线圈中加载一定强度的电流来实现。为了消除地磁场的影响，必须在磁光阱外周布设一组三维的磁场线圈对地磁场进行补偿，使磁光阱中心剩余磁场达到零。地磁场补偿是由三对两两正交的Helmholtz线圈组成，分别对称安装于磁光阱系统的上下、东西、南北向，通过加载一定强度的电流实现地磁场在该三个方向的抵消。
[0003]快速开关双向恒流源电路电路负责产生梯度磁场、偏置磁场和补偿磁场线圈所需恒流源电路，同时响应数据采集卡的数字触发控制信号进行开关控制。由于线圈内通过的电流一般是安培量级，切断线圈电流源时，线圈由于感性的存在其内部电流一般是以指数速度衰减，不会立即关断。传统磁场恒流源电路设计方案采用电阻和二极管泄放回路的方式来提高磁场关断速度，在1A工作电流下关断时间达到30～40ms，未关断过程中的梯度磁场的剩磁可能会对后续原子选态等过程的量子化轴产生干扰，影响选态性能，因此设计一个能够快速关断的磁场恒流源电路十分必要。此外，磁场尤其是偏置磁场的稳定性对原子选态过程会产生直接影响，进而对干涉条纹的相移产生一定影响，成为系统误差的一项重要来源，因此对磁场恒流源电路输出电流的相对精度提出较高要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种驱动磁场的快速开关双向恒流源电路及方法，实现快速开关双向恒流源，为梯度磁场、偏置磁场和补偿磁场线圈提供高精度恒流源，并解决使用电阻和二极管泄放回路关断时间过长问题，提升磁场开关速度。
[0005]本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0006]一种驱动磁场的快速开关双向恒流源电路，包括输出电流大小控制模块、PI控制模块、功率放大模块、开关控制模块、采样模块和显控模块，其中，开关控制模块包括开关控制1和开关控制2，输出电流大小控制模块将外部输入的电流大小控制信号和开关控制1通过控制信号调整环节进行调整，输出电流大小控制模块输出信号输入至PI控制模块，同时，采样模块采集采样电阻两端的电压值也输入至PI控制模块；PI控制模块对由输出电流大小控制模块和由采样模块输入的两组信号进行PI计算处理后，输出给功率放大模块进行功率放大，将放大的信号作为驱动源驱动磁场线圈；同时开关控制2控制磁场线圈内电流的通断；采样模块同时将采样电阻两端的电压值分别输入至显控模块和PI控制模块，显控模块
数字化处理采样电压值，转换成电流值进行显示。
[0007]而且，所述输出电流大小控制模块输出信号为：开关控制1信号为高时，输出整合为外部输入电流大小控制信号值；开关控制1信号为低时，输出整合为0V。
[0008]而且，所述PI控制模块包括运算放大器、电阻R34、电阻R33、电容C40，其中，电阻R34的一端连接运算放大器的负极输入端和电阻R33的一端，电阻R33的另一端连接电容C40的一端，电容C40的另一端连接运算放大器的输出端。
[0009]而且，所述开关控制1和外部输入的电流大小控制信号整合为输出电流大小控制信号；开关控制2控制磁场线圈内电流的通断，消除磁场线圈在恒流源关断时残余电流的影响。
[0010]而且，所述采样模块包括两个电压跟随器，一个电压跟随器的输出端连接PI控制模块，另一电压跟随器的输出端连接显控模块。
[0011]而且，所述显控模块包括：A/D转换模块、显控芯片、液晶显示屏和上位机，其中A/D转换模块的输入端连接另一电压跟随器的输出端，A/D转换模块的输出端连接显控芯片，显控芯片连接液晶显示屏用于电流值的显示，显控芯片负责和上位机进行串口通信，发送数据并接收控制指令。
[0012]一种驱动磁场的快速开关双向恒流源电路的驱动方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1、在恒流源通路开启时，功率放大模块输出恒定电流，电流流经磁场线圈和采样电阻；
[0014]步骤2、采样电阻两端的电压被采集，经电压跟随器后，输入到PI控制模块的一端，PI控制模块的另一端输入通过控制信号调整环节的输出电流大小控制信号；
[0015]步骤3、PI控制模块对两种信号采用PI算法计算两个信号的差值，并输出电压控制功率放大模块的电压输出，进而控制恒流源的输出电流。
[0016]而且，所述步骤3计算两个信号的差值的具体实现方法为：
[0017][0018]其中，u1为采样电阻两端的电压，u2为通过控制信号调整环节的输出电流大小控制信号，u
o
为PI控制模块输出电压，t为时间，R33为PI控制器负极输入端电阻、R34和C40为PI控制模块负极输入端和输出端连接的RC电路。
[0019]本专利技术的优点和积极效果是：
[0020]1、本专利技术在恒流源通路开启时，功率放大器输出恒定电流，电流流经磁场线圈和采样电阻。采样电阻两端的电压被采集，经电压跟随器后，输入到PI控制模块的一端，PI控制模块的另一端连接输出电流大小控制信号，两个信号之差采用PI算法，输出电压控制功率放大器的电压输出，进而控制恒流源的输出电流。本专利技术能够实现快速开关双向恒流源，为梯度磁场、偏置磁场和补偿磁场线圈提供高精度恒流源，并解决使用电阻和二极管泄放回路关断时间过长问题，提升磁场开关速度。
[0021]2、本专利技术通过增加线圈关断过程中的PI控制环节，将线圈内电流的关断分为两个步骤实现。当开关控制信号为“低”时，通过恒流源电路内的PI控制迅速将线圈内电流降低，从而大大的改善了线圈感性引起的泄放过慢问题；保留常规磁场线圈FET开关控制部分，在线圈电流通过PI控制接近为“0”时控制FET的关闭，实现电流的彻底关断，不仅大大减小了
磁场线圈在关断瞬间放电的时间，而且物理隔离了磁场线圈和恒流源，完全消除了磁场线圈内电流。最终实现磁场线圈内电流快速和完全的关断。
[0022]3、本专利技术采用温度系数小于1ppm/℃的电压基准芯片，和温度系数小于5ppm/℃的数字电位器，共同构成输出电流大小控制电路，比传统方案中模拟电位器精度提高四倍以上；采用温度系数为5ppm/℃的小功率电阻串并联实现大功率采样电阻的功能，比传统方案中单个大功率采样电阻的性能提高了一个数量级以上。
附图说明
[0023]图1是本专利技术的结构组成框图。
[0024]图2是本专利技术的PI控制算法原理图。
[0025]图3是本专利技术的输出电流大小控制模块原理图。
[0026]图4是本专利技术的显控模块原理图。
[0027]图5是本专利技术的功率放大模块和开关控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种驱动磁场的快速开关双向恒流源电路，其特征在于：包括输出电流大小控制模块、PI控制模块、功率放大模块、开关控制模块、采样模块和显控模块，其中，开关控制模块包括开关控制1和开关控制2，输出电流大小控制模块将外部输入的电流大小控制信号和开关控制1通过控制信号调整环节进行调整，输出电流大小控制模块输出信号输入至PI控制模块，同时，采样模块采集采样电阻两端的电压值也输入至PI控制模块；PI控制模块对由输出电流大小控制模块和由采样模块输入的两组信号进行PI计算处理后，输出给功率放大模块进行功率放大，将放大的信号作为驱动源驱动磁场线圈；同时开关控制2控制磁场线圈内电流的通断；采样模块同时将采样电阻两端的电压值分别输入至显控模块和PI控制模块，显控模块数字化处理采样电压值，转换成电流值进行显示。2.根据权利要求1所述的一种驱动磁场的快速开关双向恒流源电路，其特征在于：所述输出电流大小控制模块输出信号为：开关控制1信号为高时，输出整合为外部输入电流大小控制信号值；开关控制1信号为低时，输出整合为0V。3.根据权利要求1所述的一种驱动磁场的快速开关双向恒流源电路，其特征在于：所述PI控制模块包括运算放大器、电阻R34、电阻R33、电容C40，其中，电阻R34的一端连接运算放大器的负极输入端和电阻R33的一端，电阻R33的另一端连接电容C40的一端，电容C40的另一端连接运算放大器的输出端。4.根据权利要求1所述的一种驱动磁场的快速开关双向恒流源电路，其特征在于：所述开关控制1和外部输入的电流大小控制信号整合为输出电流大小控制信号；开关控制2控制磁场线圈内电流的通断，消除磁场线圈在恒...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴闯，陈玮婷，路想想，孔德龙，刘晓妍，毛佳珍，刘炳春，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：