摘 要：本文介紹了
虛擬儀器技術在磁軸承數字控制系統中的具體應用。針對磁軸承數字控制系統的特點，采用USB-9100多功能USB數據采集模塊與虛擬儀器開發系統LabVIEW相配合，使復雜控制系統的設計與實現更簡便、更高效。
關鍵詞：虛擬儀器 磁軸承 數字控制 LabVIEW
1 虛擬儀器介紹
虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是指通過應用程序將通用計算機與儀器硬件結合起來，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：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
總線、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，實現特定的測量和測試功能。DAQ儀器性價比高、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：
（1） 內插式：將儀器卡插入微機內部總線上構成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（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，完全可以滿足高性能動態測試的要求。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總線的DAQ儀器具有許多優點：安裝、攜帶方便;不易受機箱內環境的干擾;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，可以專門對其進行電磁屏蔽，避免數據失真等。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
主動磁懸浮軸承系統（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、適應的轉速范圍廣、對環境無污染等優良特性，在能源、交通、超高速超精密加工、航空航天、機器人等高科技領域有著廣泛的應用前景。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，控制信號通過功率放大器產生適當的控制電流，驅動
電磁鐵產生磁力，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的性能要求，但存在著參數調整不方便、硬件結構不易改變、難以實現較先進的控制策略等缺點。數字控制，較之模擬控制具有以下優點：易于進行各種控制策略的試驗;能夠實現復雜的控制器功能;易于進行傳感器、偏置和其它參數的在線標定;便于對位移、轉速、電流等工況參數進行顯示、記錄及遠距離傳輸等。
3 虛擬儀器技術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點，將虛擬儀器技術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、實現和調試的復雜程度，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系統結構及工作原理
應用虛擬儀器技術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突發采樣速率 ;具有2路12位D/A輸出;32MHz 16位節拍發生器和2個16位通用定時器/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：在每個控制周期內，由USB-9100對兩個通道的
位移傳感器測量信號進行數據采集，通過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USB傳輸給USB-9100，由USB-9100實現兩通道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系統軟件環境
數字控制系統使用LabVIEW軟件開發環境，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種標準的虛擬儀器設計軟件，它被工業界、學術界和研究實驗室廣泛接受。LabVIEW采用圖形化編程方式，使用它進行系統測試、系統設計與實現時，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、高效地設計控制算法。另外，USB-9100提供了LabVIEW驅動，方便了編程。
3.3系統功能
USB-9100多功能USB接口數據采集模塊與LabVIEW軟件開發環境相配合，以PC機為核心，構成一個完整的虛擬儀器系統。虛擬儀器技術的應用，使磁軸承數字控制的設計與實現更為方便、快捷，具體地，能夠實現以下功能：
（1）圖形化界面：利用圖形化界面實時、動態顯示有關的系統參數，如位移、轉速、電流等，靈活地在線設定數字PID控制器的各項參數;
（2）雙工作模式：提供控制和監測兩種工作模式，其中控制是主模式，監測是輔模式。在控制模式下，只提供基本的圖形功能，以確保數字控制算法的實時性;在監測模式下，突出圖形顯示功能，除轉子位移量，增加線圈電流、轉子轉速等參數的動態顯示。
（3）數據存儲與分析：系統運行時實時記錄相關參數，待系統運行結束，利用LabVIEW的事后記錄波形控件將數據重現，進行頻譜分析和控制系統的評估，為PID控制參數的優化設計提供參考。
（4）預留網絡擴展接口：充分挖掘虛擬儀器的網絡編程能力，針對磁軸承控制系統，為將來開展網絡化系統監測與控制奠定基礎。
4 結束語
隨著虛擬儀器硬件和軟件開發技術的不斷發展，虛擬儀器技術不僅適用于儀器設計和儀器控制領域，在復雜控制系統的設計與實現方面也有非常廣泛的應用。虛擬儀器技術的應用，降低了復雜控制系統的設計難度，提高了系統實現的效率。
參考文獻
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