虛擬儀器在磁軸承數字控制中的應用

1 虛擬儀器介紹

虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是指通過(guò)應用程序將通用計算機與儀器硬件結合起來(lái)，用戶(hù)通過(guò)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儀器一樣，從而完成被測量的采集、分析、判斷、顯示和數據存儲等。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(guò)軟件編程，用戶(hù)即可定制特殊用途的儀器;支持開(kāi)放的工業(yè)標準;利用計算機強大的數據處理、傳輸和控制能力，使系統組建、擴展更加靈活、簡(jiǎn)便，也便于構成復雜的系統。虛擬儀器既可以作為測試儀器單獨使用，又可以實(shí)現測試、控制與故障診斷一體化。

DAQ（Data AcquisiTIon：數據采集）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(lèi)總線(xiàn)、特定功能的數據采集卡或儀器卡）和計算機軟件（虛擬儀器應用軟件）結合起來(lái)，實(shí)現特定的測量和測試功能。DAQ儀器性?xún)r(jià)比高、設計手段靈活、通用性強，應用前景十分廣闊。DAQ儀器按儀器卡的組成方式可分為三類(lèi)：

（1） 內插式：將儀器卡插入微機內部總線(xiàn)上構成DAQ儀器，如圖1（a）所示，這是最常用方式;

圖1 DAQ儀器基本結構

（2） 擴展式：將微機總線(xiàn)引到擴展箱，在擴展箱里插入儀器卡構成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(xiàn)（如并行口，USB，1394）上直接接入儀器卡，該方式避免了PC機內部的噪聲，為儀器設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。

本文采用通過(guò)USB總線(xiàn)直接外掛的DAQ儀器。選擇USB總線(xiàn)，主要考慮到USB總線(xiàn)目前已成為PC機的標準配置，數據傳輸率高。 USB1.1支持兩種數據傳送速度：低速為1.5Mbps，全速為12Mbps，而USB2.0提供高達400Mbps的高速數據傳輸，完全可以滿(mǎn)足高性能動(dòng)態(tài)測試的要求。另外，它還支持熱插拔、支持多設備連接，減少了PC機I/O接口數量。采用USB總線(xiàn)的DAQ儀器具有許多優(yōu)點(diǎn)：安裝、攜帶方便;不易受機箱內環(huán)境的干擾;不受計算機插槽數量、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場(chǎng)，可以專(zhuān)門(mén)對其進(jìn)行電磁屏蔽，避免數據失真等。目前采用USB總線(xiàn)的便攜式儀器越來(lái)越普遍。

2 磁軸承控制系統

主動(dòng)磁懸浮軸承系統（簡(jiǎn)稱(chēng)磁軸承）由于具有無(wú)機械摩擦、無(wú)接觸磨損、無(wú)需潤滑，定位精度高、適應的轉速范圍廣、對環(huán)境無(wú)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(zhù)廣泛的應用前景。磁軸承控制系統組成如圖2所示，主要由轉子、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換成控制信號，控制信號通過(guò)功率放大器產(chǎn)生適當的控制電流，驅動(dòng)電磁鐵產(chǎn)生磁力，從而使轉子保持在平衡懸浮位置。

圖2 磁軸承控制系統組成原理圖

磁軸承系統性能（剛度、阻尼及穩定性等）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(mǎn)足磁軸承系統的性能要求，但存在著(zhù)參數調整不方便、硬件結構不易改變、難以實(shí)現較先進(jìn)的控制策略等缺點(diǎn)。數字控制，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;能夠實(shí)現復雜的控制器功能;易于進(jìn)行傳感器、偏置和其它參數的在線(xiàn)標定;便于對位移、轉速、電流等工況參數進(jìn)行顯示、記錄及遠距離傳輸等。

3 虛擬儀器技術(shù)在磁軸承數字控制中的具體應用

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

3.1系統結構及工作原理

應用虛擬儀器技術(shù)構建的兩自由度磁軸承數字控制系統結構如圖3，其中USB-9100是臺灣凌華公司出品的一款100kS/s多功能USB接口數據采集模塊，它兼容USB1.1 規范，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位節拍發(fā)生器和2個(gè)16位通用定時(shí)器/計數器; 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(mǎn)足兩自由度磁軸承數字控制的需要。

圖3 兩自由度磁軸承數字控制系統結構框圖

系統的基本控制原理為：在每個(gè)控制周期內，由USB-9100對兩個(gè)通道的位移傳感器測量信號進(jìn)行數據采集，通過(guò)USB傳輸給PC機，由PC機根據數字控制算法計算所需的控制量，數字控制量通過(guò)USB傳輸給USB-9100，由USB-9100實(shí)現兩通道D/A輸出，在所得模擬控制信號控制下，功率放大器驅動(dòng)電磁鐵工作，保持磁軸承的轉子處于平衡位置。

3.2系統軟件環(huán)境

數字控制系統使用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種標準的虛擬儀器設計軟件，它被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗室廣泛接受。LabVIEW采用圖形化編程方式，使用它進(jìn)行系統測試、系統設計與實(shí)現時(shí)，可以大大提高工作效率。LabVIEW應用程序包括前面板（Front Panel）和流程圖（Block Diagram）兩部分。前面板是圖形用戶(hù)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(jiǎn)便、高效地設計控制算法。另外，USB-9100提供了LabVIEW驅動(dòng)，方便了編程。