摘 要：本文介紹了虛擬儀器技術(shù)" title="虛擬儀器技術(shù)">虛擬儀器技術(shù)在磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用,。針對磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)" title="數(shù)字控制系統(tǒng)">數(shù)字控制系統(tǒng)的特點,，采用USB-9100多功能USB數(shù)據(jù)采集模塊與虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)LabVIEW相配合,，使復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)更簡便,、更高效。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器　磁軸承　數(shù)字控制　LabVIEW
1 虛擬儀器介紹
　　虛擬儀器（Virtual Instrument,，VI）是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與儀器硬件結(jié)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(tǒng)儀器一樣,，從而完成被測量的采集,、分析、判斷,、顯示和數(shù)據(jù)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(yè)標準;利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和控制能力,，使系統(tǒng)組建,、擴展更加靈活、簡便，也便于構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng),。虛擬儀器既可以作為測試儀器單獨使用,，又可以實現(xiàn)測試、控制與故障診斷一體化,。
　　DAQ（Data Acquisition：數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡或儀器卡" title="儀器卡">儀器卡）和計算機軟件（虛擬儀器應(yīng)用軟件）結(jié)合起來,，實現(xiàn)特定的測量和測試功能。DAQ儀器性價比高,、設(shè)計手段靈活,、通用性強，應(yīng)用前景十分廣闊,。DAQ儀器按儀器卡的組成方式可分為三類：
　?。?） 內(nèi)插式：將儀器卡插入微機內(nèi)部總線上構(gòu)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(jié)構(gòu)
　?。?） 擴展式：將微機總線引到擴展箱，在擴展箱里插入儀器卡構(gòu)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(nèi)部的噪聲,，為儀器設(shè)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(tǒng),。
　　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(shù)據(jù)傳輸率高,。 USB1.1支持兩種數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸,，完全可以滿足高性能動態(tài)測試的要求。另外,，它還支持熱插拔,、支持多設(shè)備連接,，減少了PC機I/O接口數(shù)量。采用USB總線的DAQ儀器具有許多優(yōu)點：安裝,、攜帶方便;不易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾;不受計算機插槽數(shù)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(xiàn)場,，可以專門對其進行電磁屏蔽，避免數(shù)據(jù)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(tǒng)
　　主動磁懸浮軸承系統(tǒng)（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(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍廣,、對環(huán)境無污染等優(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)域有著廣泛的應(yīng)用前景,。磁軸承控制系統(tǒng)組成如圖2所示,，主要由轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成控制信號,，控制信號通過功率放大器產(chǎn)生適當?shù)目刂齐娏?，?qū)動電磁鐵產(chǎn)生磁力，從而使轉(zhuǎn)子保持在平衡懸浮位置,。

圖2 磁軸承控制系統(tǒng)組成原理圖
　　磁軸承系統(tǒng)性能（剛度、阻尼及穩(wěn)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足磁軸承系統(tǒng)的性能要求,，但存在著參數(shù)調(diào)整不方便、硬件結(jié)構(gòu)不易改變,、難以實現(xiàn)較先進的控制策略等缺點,。數(shù)字控制，較之模擬控制具有以下優(yōu)點：易于進行各種控制策略的試驗;能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制器功能;易于進行傳感器,、偏置和其它參數(shù)的在線標定;便于對位移,、轉(zhuǎn)速,、電流等工況參數(shù)進行顯示、記錄及遠距離傳輸?shù)取?br /> 3 虛擬儀器技術(shù)在磁軸承數(shù)字控制中的具體應(yīng)用
　　基于虛擬儀器和數(shù)字控制的上述優(yōu)點,，將虛擬儀器技術(shù)引入到磁軸承系統(tǒng)的數(shù)字控制中,，大大降低了磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)和調(diào)試的復(fù)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" title="控制算法">控制算法。
　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
　　應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的兩自由度磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集模塊,，它兼容USB1.1 規(guī)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(xù)采樣速率和最大500kS/s突發(fā)采樣速率 ;具有2路12位D/A" title="D/A">D/A輸出;32MHz 16位節(jié)拍發(fā)生器和2個16位通用定時器/計數(shù)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(shù)字控制的需要。

圖3 兩自由度磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
　　系統(tǒng)的基本控制原理為：在每個控制周期內(nèi),，由USB-9100對兩個通道的位移傳感器測量信號進行數(shù)據(jù)采集,，通過USB傳輸給PC機，由PC機根據(jù)數(shù)字控制算法計算所需的控制量,，數(shù)字控制量通過USB傳輸給USB-9100,，由USB-9100實現(xiàn)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(qū)動電磁鐵工作,，保持磁軸承的轉(zhuǎn)子處于平衡位置。
　　3.2系統(tǒng)軟件環(huán)境
　　數(shù)字控制系統(tǒng)使用LabVIEW軟件開發(fā)環(huán)境,，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種標準的虛擬儀器設(shè)計軟件,，它被工業(yè)界、學(xué)術(shù)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(tǒng)測試、系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)時,，可以大大提高工作效率,。LabVIEW應(yīng)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(shè)計控制算法,。另外,，USB-9100提供了LabVIEW驅(qū)動，方便了編程,。
　　3.3系統(tǒng)功能
　　USB-9100多功能USB接口數(shù)據(jù)采集模塊與LabVIEW軟件開發(fā)環(huán)境相配合,，以PC機為核心，構(gòu)成一個完整的虛擬儀器系統(tǒng),。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用,，使磁軸承數(shù)字控制的設(shè)計與實現(xiàn)更為方便、快捷,，具體地,，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：
　　（1）圖形化界面：利用圖形化界面實時,、動態(tài)顯示有關(guān)的系統(tǒng)參數(shù),，如位移、轉(zhuǎn)速,、電流等,，靈活地在線設(shè)定數(shù)字PID控制器的各項參數(shù);
　　（2）雙工作模式：提供控制和監(jiān)測兩種工作模式,，其中控制是主模式,，監(jiān)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(shù)字控制算法的實時性;在監(jiān)測模式下，突出圖形顯示功能,，除轉(zhuǎn)子位移量,，增加線圈電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等參數(shù)的動態(tài)顯示,。
　?。?）數(shù)據(jù)存儲與分析：系統(tǒng)運行時實時記錄相關(guān)參數(shù)，待系統(tǒng)運行結(jié)束,，利用LabVIEW的事后記錄波形控件將數(shù)據(jù)重現(xiàn),，進行頻譜分析和控制系統(tǒng)的評估，為PID控制參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供參考,。
　?。?）預(yù)留網(wǎng)絡(luò)擴展接口：充分挖掘虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)編程能力,，針對磁軸承控制系統(tǒng),，為將來開展網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)監(jiān)測與控制奠定基礎(chǔ),。
4 結(jié)束語
　　隨著虛擬儀器硬件和軟件開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)不僅適用于儀器設(shè)計和儀器控制領(lǐng)域,，在復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方面也有非常廣泛的應(yīng)用,。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，降低了復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計難度,，提高了系統(tǒng)實現(xiàn)的效率,。
參考文獻
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