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糜嬎銠C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）操作該計算機，如同操作自己定制的一臺傳統(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)存儲等。虛擬儀器具有以下特點：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)標準;利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和控制能力，使系統(tǒng)組建、擴展更加靈活、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使用，又可以實現(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，它以微型計算機為平臺，將計算機硬件（某類總線、特定功能的數(shù)據(jù)采集卡或儀器卡）和計算機軟件（虛擬儀器應(yīng)用軟件）結(jié)合起來，實現(xiàn)特定的測量和測試功能。DAQ儀器性價比高、設(shè)計手段靈活、通用性強，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） 擴展式：將微機總線引到擴展箱，在擴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機內(nèi)部的噪聲，為儀器設(shè)計提供了更大的空間、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機的標準配置，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400Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，完全可以滿足高性能動態(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I/O接口數(shù)量。采用USB總線的DAQ儀器具有許多優(yōu)點：安裝、攜帶方便;不易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾;不受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷等限制，可擴展性好;在一些電磁干擾較強的測試現(xiàn)場，可以專門對其進行電磁屏蔽，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)

主動磁懸浮軸承系統(tǒng)（簡稱磁軸承）由于具有無機械摩擦、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，控制信號通過功率放大器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂齐娏鳎?qū)動電磁鐵產(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、難以實現(xiàn)較先進的控制策略等缺點。數(shù)字控制，較之模擬控制具有以下優(yōu)點：易于進行各種控制策略的試驗;能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制器功能;易于進行傳感器、偏置和其它參數(shù)的在線標定;便于對位移、轉(zhuǎn)速、電流等工況參數(shù)進行顯示、記錄及遠距離傳輸?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，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、實現(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16位通用定時器/計數(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：在每個控制周期內(nèi)，由USB-9100對兩個通道的位移傳感器測量信號進行數(shù)據(jù)采集，通過USB傳輸給PC機，由PC機根據(jù)數(shù)字控制算法計算所需的控制量，數(shù)字控制量通過USB傳輸給USB-9100，由USB-9100實現(xiàn)兩通道D/A輸出，在所得模擬控制信號控制下，功率放大器驅(qū)動電磁鐵工作，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）是一種標準的虛擬儀器設(shè)計軟件，它被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室廣泛接受。LabVIEW采用圖形化編程方式，使用它進行系統(tǒng)測試、系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)時，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)計控制算法。另外，USB-9100提供了LabVIEW驅(qū)動，方便了編程。