分析虚拟仪器在磁轴承数字控制中的设计与应用

　　1 虚拟仪器介绍

　　虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。

　　“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I／O部件来构建虚拟仪器。I／O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。

　　DAQ仪器是一种典型的虚拟仪器，它以微型计算机为平台，将计算机硬件和计算机软件结合起来，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，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。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

　　磁轴承，是一种新型高性能轴承。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环境。可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域，被公认为极有前途的新型轴承。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，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，支持100kS/s持续采样速率和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，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，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

　　虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全"继承"  虚拟仪器系统框图了以现成即用的PC技术为主导的商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

　　NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，终以较少的成本加速产品上市的时间。

　　在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器  传统仪器与虚拟仪器构成比较仪表和通讯方面的技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。