虚拟仪器在磁轴承数字控制中的应用

1 虚拟仪器介绍

虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是指通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户通过友好的图形界面（即虚拟前面板）操作该计算机，如同操作自己定制的一台传统仪器一样，从而完成被测量的采集、分析、判断、显示和数据存储等。虚拟仪器具有以下特点：突出“软件就是仪器”的新概念，不需改变硬件，仅通过软件编程，用户即可定制特殊用途的仪器;支持开放的工业标准;利用计算机强大的数据处理、传输和控制能力，使系统组建、扩展更加灵活、简便，也便于构成复杂的系统。虚拟仪器既可以作为测试仪器单独使用，又可以实现测试、控制与故障诊断一体化。

DAQ（Data AcquisiTIon：数据采集）仪器是一种典型的虚拟仪器，它以微型计算机为平台，将计算机硬件（某类总线、特定功能的数据采集卡或仪器卡）和计算机软件（虚拟仪器应用软件）结合起来，实现特定的测量和测试功能。DAQ仪器性价比高、设计手段灵活、通用性强，应用前景十分广阔。DAQ仪器按仪器卡的组成方式可分为三类：

（1） 内插式：将仪器卡插入微机内部总线上构成DAQ仪器，如图1（a）所示，这是最常用方式;

图1 DAQ仪器基本结构

（2） 扩展式：将微机总线引到扩展箱，在扩展箱里插入仪器卡构成DAQ仪器，如图1（b）所示，该方式支持更多的仪器卡;

（3） 直接外挂式：在微机外总线（如并行口，USB，1394）上直接接入仪器卡，该方式避免了PC机内部的噪声，为仪器设计提供了更大的空间、更好的隔离性能和更方便的连接形式，特别适用于由便携式微机组成的仪器系统。

本文采用通过USB总线直接外挂的DAQ仪器。选择USB总线，主要考虑到USB总线目前已成为PC机的标准配置，数据传输率高。 USB1.1支持两种数据传送速度：低速为1.5Mbps，全速为12Mbps，而USB2.0提供高达400Mbps的高速数据传输，完全可以满足高性能动态测试的要求。另外，它还支持热插拔、支持多设备连接，减少了PC机I/O接口数量。采用USB总线的DAQ仪器具有许多优点：安装、携带方便;不易受机箱内环境的干扰;不受计算机插槽数量、地址、中断等限制，可扩展性好;在一些电磁干扰较强的测试现场，可以专门对其进行电磁屏蔽，避免数据失真等。目前采用USB总线的便携式仪器越来越普遍。

2 磁轴承控制系统

主动磁悬浮轴承系统（简称磁轴承）由于具有无机械摩擦、无接触磨损、无需润滑，定位精度高、适应的转速范围广、对环境无污染等优良特性，在能源、交通、超高速超精密加工、航空航天、机器人等高科技领域有着广泛的应用前景。磁轴承控制系统组成如图2所示，主要由转子、位移传感器、控制器和功率放大器等组成，其中位移传感器检测转子偏移平衡位置的位移量，控制器将检测到的位移偏差按一定的控制律转换成控制信号，控制信号通过功率放大器产生适当的控制电流，驱动电磁铁产生磁力，从而使转子保持在平衡悬浮位置。

图2 磁轴承控制系统组成原理图

磁轴承系统性能（刚度、阻尼及稳定性等）的优劣主要取决于控制器采用的控制律。模拟控制器虽然在一定程度上可以满足磁轴承系统的性能要求，但存在着参数调整不方便、硬件结构不易改变、难以实现较先进的控制策略等缺点。数字控制，较之模拟控制具有以下优点：易于进行各种控制策略的试验;能够实现复杂的控制器功能;易于进行传感器、偏置和其它参数的在线标定;便于对位移、转速、电流等工况参数进行显示、记录及远距离传输等。

3 虚拟仪器技术在磁轴承数字控制中的具体应用

基于虚拟仪器和数字控制的上述优点，将虚拟仪器技术引入到磁轴承系统的数字控制中，大大降低了磁轴承数字控制系统的设计、实现和调试的复杂程度，有力地保障了科研人员专心研究更合理、更高效的控制算法。

3.1系统结构及工作原理

应用虚拟仪器技术构建的两自由度磁轴承数字控制系统结构如图3，其中USB-9100是台湾凌华公司出品的一款100kS/s多功能USB接口数据采集模块，它兼容USB1.1 规范，具有8 路12位差动模拟输入，可4通道并行采样，集成了4K容量FIFO缓存，支持最大100kS/s持续采样速率和最大500kS/s突发采样速率 ;具有2路12位D/A输出;32MHz 16位节拍发生器和2个16位通用定时器/计数器; 8 路隔离输入和8路隔离输出。从A/D和D/A的指标看，USB-9100可以满足两自由度磁轴承数字控制的需要。

图3 两自由度磁轴承数字控制系统结构框图

系统的基本控制原理为：在每个控制周期内，由USB-9100对两个通道的位移传感器测量信号进行数据采集，通过USB传输给PC机，由PC机根据数字控制算法计算所需的控制量，数字控制量通过USB传输给USB-9100，由USB-9100实现两通道D/A输出，在所得模拟控制信号控制下，功率放大器驱动电磁铁工作，保持磁轴承的转子处于平衡位置。

3.2系统软件环境

数字控制系统使用LabVIEW软件开发环境，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种标准的虚拟仪器设计软件，它被工业界、学术界和研究实验室广泛接受。LabVIEW采用图形化编程方式，使用它进行系统测试、系统设计与实现时，可以大大提高工作效率。LabVIEW应用程序包括前面板（Front Panel）和流程图（Block Diagram）两部分。前面板是图形用户界面，即VI前面板，流程图提供VI的图形化源程序，控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。 LabVIEW中附加了PID控制工具套件，利用它，可以简便、高效地设计控制算法。另外，USB-9100提供了LabVIEW驱动，方便了编程。

3.3系统功能

USB-9100多功能USB接口数据采集模块与LabVIEW软件开发环境相配合，以PC机为核心，构成一个完整的虚拟仪器系统。虚拟仪器技术的应用，使磁轴承数字控制的设计与实现更为方便、快捷，具体地，能够实现以下功能：

（1）图形化界面：利用图形化界面实时、动态显示有关的系统参数，如位移、转速、电流等，灵活地在线设定数字PID控制器的各项参数;

（2）双工作模式：提供控制和监测两种工作模式，其中控制是主模式，监测是辅模式。在控制模式下，只提供基本的图形功能，以确保数字控制算法的实时性;在监测模式下，突出图形显示功能，除转子位移量，增加线圈电流、转子转速等参数的动态显示。

（3）数据存储与分析：系统运行时实时记录相关参数，待系统运行结束，利用LabVIEW的事后记录波形控件将数据重现，进行频谱分析和控制系统的评估，为PID控制参数的优化设计提供参考。

（4）预留网络扩展接口：充分挖掘虚拟仪器的网络编程能力，针对磁轴承控制系统，为将来开展网络化系统监测与控制奠定基础。

4 结束语

随着虚拟仪器硬件和软件开发技术的不断发展，虚拟仪器技术不仅适用于仪器设计和仪器控制领域，在复杂控制系统的设计与实现方面也有非常广泛的应用。虚拟仪器技术的应用，降低了复杂控制系统的设计难度，提高了系统实现的效率。