虛擬儀器在磁軸承數(shù)字控制中的應(yīng)用

1 虛擬儀器介紹

虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與儀器硬件結(jié)合起來，用戶通過友好的圖形界面（即虛擬前面板）操作該計(jì)算機(jī)，如同操作自己定制的一臺(tái)傳統(tǒng)儀器一樣，從而完成被測量的采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。虛擬儀器具有以下特點(diǎn)：突出“軟件就是儀器”的新概念，不需改變硬件，僅通過軟件編程，用戶即可定制特殊用途的儀器;支持開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn);利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和控制能力，使系統(tǒng)組建、擴(kuò)展更加靈活、簡便，也便于構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)。虛擬儀器既可以作為測試儀器單獨(dú)使用，又可以實(shí)現(xiàn)測試、控制與故障診斷一體化。

DAQ（Data AcquisiTIon：數(shù)據(jù)采集）儀器是一種典型的虛擬儀器，它以微型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)硬件（某類總線、特定功能的數(shù)據(jù)采集卡或儀器卡）和計(jì)算機(jī)軟件（虛擬儀器應(yīng)用軟件）結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)特定的測量和測試功能。DAQ儀器性價(jià)比高、設(shè)計(jì)手段靈活、通用性強(qiáng)，應(yīng)用前景十分廣闊。DAQ儀器按儀器卡的組成方式可分為三類：

（1） 內(nèi)插式：將儀器卡插入微機(jī)內(nèi)部總線上構(gòu)成DAQ儀器，如圖1（a）所示，這是最常用方式;

圖1 DAQ儀器基本結(jié)構(gòu)

（2） 擴(kuò)展式：將微機(jī)總線引到擴(kuò)展箱，在擴(kuò)展箱里插入儀器卡構(gòu)成DAQ儀器，如圖1（b）所示，該方式支持更多的儀器卡;

（3） 直接外掛式：在微機(jī)外總線（如并行口，USB，1394）上直接接入儀器卡，該方式避免了PC機(jī)內(nèi)部的噪聲，為儀器設(shè)計(jì)提供了更大的空間、更好的隔離性能和更方便的連接形式，特別適用于由便攜式微機(jī)組成的儀器系統(tǒng)。

本文采用通過USB總線直接外掛的DAQ儀器。選擇USB總線，主要考慮到USB總線目前已成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，數(shù)據(jù)傳輸率高。 USB1.1支持兩種數(shù)據(jù)傳送速度：低速為1.5Mbps，全速為12Mbps，而USB2.0提供高達(dá)400Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，完全可以滿足高性能動(dòng)態(tài)測試的要求。另外，它還支持熱插拔、支持多設(shè)備連接，減少了PC機(jī)I/O接口數(shù)量。采用USB總線的DAQ儀器具有許多優(yōu)點(diǎn)：安裝、攜帶方便;不易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾;不受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷等限制，可擴(kuò)展性好;在一些電磁干擾較強(qiáng)的測試現(xiàn)場，可以專門對(duì)其進(jìn)行電磁屏蔽，避免數(shù)據(jù)失真等。目前采用USB總線的便攜式儀器越來越普遍。

2 磁軸承控制系統(tǒng)

主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)（簡稱磁軸承）由于具有無機(jī)械摩擦、無接觸磨損、無需潤滑，定位精度高、適應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍廣、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)良特性，在能源、交通、超高速超精密加工、航空航天、機(jī)器人等高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。磁軸承控制系統(tǒng)組成如圖2所示，主要由轉(zhuǎn)子、位移傳感器、控制器和功率放大器等組成，其中位移傳感器檢測轉(zhuǎn)子偏移平衡位置的位移量，控制器將檢測到的位移偏差按一定的控制律轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，控制信號(hào)通過功率放大器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂齐娏?，?qū)動(dòng)電磁鐵產(chǎn)生磁力，從而使轉(zhuǎn)子保持在平衡懸浮位置。

圖2 磁軸承控制系統(tǒng)組成原理圖

磁軸承系統(tǒng)性能（剛度、阻尼及穩(wěn)定性等）的優(yōu)劣主要取決于控制器采用的控制律。模擬控制器雖然在一定程度上可以滿足磁軸承系統(tǒng)的性能要求，但存在著參數(shù)調(diào)整不方便、硬件結(jié)構(gòu)不易改變、難以實(shí)現(xiàn)較先進(jìn)的控制策略等缺點(diǎn)。數(shù)字控制，較之模擬控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：易于進(jìn)行各種控制策略的試驗(yàn);能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制器功能;易于進(jìn)行傳感器、偏置和其它參數(shù)的在線標(biāo)定;便于對(duì)位移、轉(zhuǎn)速、電流等工況參數(shù)進(jìn)行顯示、記錄及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)取?/p>

3 虛擬儀器技術(shù)在磁軸承數(shù)字控制中的具體應(yīng)用

基于虛擬儀器和數(shù)字控制的上述優(yōu)點(diǎn)，將虛擬儀器技術(shù)引入到磁軸承系統(tǒng)的數(shù)字控制中，大大降低了磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和調(diào)試的復(fù)雜程度，有力地保障了科研人員專心研究更合理、更高效的控制算法。

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的兩自由度磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3，其中USB-9100是臺(tái)灣凌華公司出品的一款100kS/s多功能USB接口數(shù)據(jù)采集模塊，它兼容USB1.1 規(guī)范，具有8 路12位差動(dòng)模擬輸入，可4通道并行采樣，集成了4K容量FIFO緩存，支持最大100kS/s持續(xù)采樣速率和最大500kS/s突發(fā)采樣速率 ;具有2路12位D/A輸出;32MHz 16位節(jié)拍發(fā)生器和2個(gè)16位通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器; 8 路隔離輸入和8路隔離輸出。從A/D和D/A的指標(biāo)看，USB-9100可以滿足兩自由度磁軸承數(shù)字控制的需要。

圖3 兩自由度磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的基本控制原理為：在每個(gè)控制周期內(nèi)，由USB-9100對(duì)兩個(gè)通道的位移傳感器測量信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過USB傳輸給PC機(jī)，由PC機(jī)根據(jù)數(shù)字控制算法計(jì)算所需的控制量，數(shù)字控制量通過USB傳輸給USB-9100，由USB-9100實(shí)現(xiàn)兩通道D/A輸出，在所得模擬控制信號(hào)控制下，功率放大器驅(qū)動(dòng)電磁鐵工作，保持磁軸承的轉(zhuǎn)子處于平衡位置。

3.2系統(tǒng)軟件環(huán)境

數(shù)字控制系統(tǒng)使用LabVIEW軟件開發(fā)環(huán)境，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件，它被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室廣泛接受。LabVIEW采用圖形化編程方式，使用它進(jìn)行系統(tǒng)測試、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以大大提高工作效率。LabVIEW應(yīng)用程序包括前面板（Front Panel）和流程圖（Block Diagram）兩部分。前面板是圖形用戶界面，即VI前面板，流程圖提供VI的圖形化源程序，控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。 LabVIEW中附加了PID控制工具套件，利用它，可以簡便、高效地設(shè)計(jì)控制算法。另外，USB-9100提供了LabVIEW驅(qū)動(dòng)，方便了編程。

3.3系統(tǒng)功能

USB-9100多功能USB接口數(shù)據(jù)采集模塊與LabVIEW軟件開發(fā)環(huán)境相配合，以PC機(jī)為核心，構(gòu)成一個(gè)完整的虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，使磁軸承數(shù)字控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)更為方便、快捷，具體地，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

（1）圖形化界面：利用圖形化界面實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示有關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)，如位移、轉(zhuǎn)速、電流等，靈活地在線設(shè)定數(shù)字PID控制器的各項(xiàng)參數(shù);

（2）雙工作模式：提供控制和監(jiān)測兩種工作模式，其中控制是主模式，監(jiān)測是輔模式。在控制模式下，只提供基本的圖形功能，以確保數(shù)字控制算法的實(shí)時(shí)性;在監(jiān)測模式下，突出圖形顯示功能，除轉(zhuǎn)子位移量，增加線圈電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析：系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)記錄相關(guān)參數(shù)，待系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束，利用LabVIEW的事后記錄波形控件將數(shù)據(jù)重現(xiàn)，進(jìn)行頻譜分析和控制系統(tǒng)的評(píng)估，為PID控制參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

（4）預(yù)留網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展接口：充分挖掘虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)編程能力，針對(duì)磁軸承控制系統(tǒng)，為將來開展網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)監(jiān)測與控制奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

隨著虛擬儀器硬件和軟件開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)不僅適用于儀器設(shè)計(jì)和儀器控制領(lǐng)域，在復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面也有非常廣泛的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，降低了復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，提高了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效率。