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虛擬儀器在磁軸承數(shù)字控制中的應(yīng)用

作者: 時間:2012-06-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 介紹

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/193721.htm

(Virtual Instrument,VI)是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C(jī)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(jī),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。具有以下特點(diǎn):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(biāo)準(zhǔn);利用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和控制能力,使系統(tǒng)組建、擴(kuò)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(dú)使用,又可以實(shí)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(jī)為平臺,將計算機(jī)硬件(某類總線、特定功能的數(shù)據(jù)采集卡或儀器卡)和計算機(jī)軟件(虛擬儀器應(yīng)用軟件)結(jié)合起來,實(shí)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(qiáng),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:

(1) 內(nèi)插式:將儀器卡插入微機(jī)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;

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圖1 DAQ儀器基本結(jié)構(gòu)

(2) 擴(kuò)展式:將微機(jī)總線引到擴(kuò)展箱,在擴(kuò)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jī)I/O接口數(shù)量。采用USB總線的DAQ儀器具有許多優(yōu)點(diǎn):安裝、攜帶方便;不易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾;不受計算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷等限制,可擴(kuò)展性好;在一些電磁干擾較強(qiáng)的測試現(xiàn)場,可以專門對其進(jìn)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(jī)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(jī)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(dāng)?shù)目刂齐娏鳎?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。

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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(shí)現(xiàn)較先進(jìn)的控制策略等缺點(diǎn)。,較之模擬控制具有以下優(yōu)點(diǎn):易于進(jìn)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(jìn)行傳感器、偏置和其它參數(shù)的在線標(biāo)定;便于對位移、轉(zhuǎn)速、電流等工況參數(shù)進(jìn)行顯示、記錄及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)取?/p>

3 虛擬儀器技術(shù)在磁軸承中的具體應(yīng)用

基于虛擬儀器和的上述優(yōu)點(diǎn),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(shí)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。

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(biāo)看,USB-9100可以滿足兩自由度磁軸承數(shù)字控制的需要。

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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(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過USB傳輸給PC機(jī),由PC機(jī)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗室廣泛接受。LabVIEW采用圖形化編程方式,使用它進(jìn)行系統(tǒng)測試、系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)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。

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