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