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虚拟仪器在磁轴承数字控制中的应用

作者:时间:2012-06-18来源:网络收藏

1 介绍

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/193721.htm

(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。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;

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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。

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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。,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中的具体应用

基于虚拟仪器和的上述优点,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。

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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。

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