基于亥姆霍兹线圈的外干扰磁场主动控制方法研究

作     者：王乐敏 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张晓晖

授予年度：2024年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：外干扰磁场 磁场控制 亥姆霍兹线圈 变步长LMS算法 凸组合滤波 

摘      要：磁场环境作为重要的科学研究因素,影响着许多前沿领域实验结果的准确性及精度,因此实现对外干扰磁场的有效控制,具有重要的科研意义和工程实践价值。基于被动屏蔽方法在建造、使用和维护过程中的不便性,对外干扰磁场进行主动控制的方法应运而生,这种方法通常采用以亥姆霍兹线圈作为磁场发生装置的磁场主动控制系统,通过形成反向补偿磁场来抵消环境中磁场的变化。然而现有的主动控制方法在响应速度、控制精度与稳定性方面存在不足,且磁场发生装置产生的磁场存在不够均匀和难以控制的问题。因此本文围绕外干扰磁场的主动控制方法进行研究,在分析了外干扰磁场主动控制方法实现原理的基础上,对控制系统进行设计,同时引入自适应LMS算法作为基本控制算法并对其进行改进及优化,以更好地实现对外干扰磁场快速、精确且稳定的控制。具体内容如下: （1）针对现有磁场发生装置生成磁场不够均匀且难以控制的问题,设计了基于方形亥姆霍兹线圈的磁场发生装置。在分析线圈的参数配置及应用场景的基础上,建立了线圈参数优化模型,采用多目标优化的方法求解线圈参数的最佳配置,并通过有限元分析方法仿真验证了所得参数的合理性和有效性。在完成线圈结构设计与实物制作的基础上,提出了外干扰磁场主动控制系统的总体设计方案。最终使用STM32微控制器、DAC模块、功率放大模块、亥姆霍兹线圈、磁传感器、电流采样电路和ADC模块完成系统搭建。 （2）针对现有控制算法在收敛速度、准确性与稳定性方面存在的不足,引入自适应LMS算法作为外干扰磁场主动控制的基本算法,并通过建立误差的相关值估计与步长之间基于Sigmoid函数的关系来动态调节步长,以更好地平衡LMS算法收敛速度与稳态误差间的矛盾,同时提高算法的抗干扰能力。为了扩展单一算法的性能局限,在此变步长算法的基础上提出了基于改进的变步长LMS的凸组合算法,并引入权重转移策略加快算法的整体收敛速度。通过理论分析与对比仿真实验,证明了凸组合算法能在保持较快收敛速度的同时拥有更低的稳态误差,适用于外干扰磁场的控制。 （3）对线圈参数和磁场均匀度进行测量,并基于设计搭建的主动控制系统验证所提方法的实际效果。在所测量的20cm×20cm的区域范围内,磁场均匀度ΔB/B_o不超过1%。在实验室环境磁场消除实验中,凸组合算法能够在0.1秒内将磁场强度值下降46dB,并将剩余磁场强度均值降低至0.63nT,同时将稳态磁场波动范围控制在±39nT以内,相比其他算法具有最优的控制效果。在2000nT稳恒磁场的模拟实验中,凸组合算法能够在0.1秒内将环境磁场强度值降至2002nT,并将剩余磁场强度均值降低至1999.3nT,同时将稳态磁场波动范围控制在1976nT～2028nT。