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虚拟仪器在磁轴承数字控制中的应用似的

发布时间:2021-07-17 20:33:09 阅读: 来源:保温板厂家

虚拟仪器在磁轴承数字控制中的应用

摘 要:本文介绍了虚拟仪器技术在磁轴承数字控制系统中的具体应用。针对磁轴承数字控制系统的特点,采用USB-9100多功能USB数据采集模块与虚拟仪器开发系统LabVIEW相配合,使复杂控制系统的设计与实现更简便、更高效。

关键词:虚拟仪器 磁轴承 数字控制 LabVIEW

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2.3 接口及程序控翻算机为平台,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的高速数据传输广泛利用于石油化工、冶金、锅炉压力容器、钢铁、钢管、5金、铸造、泵、阀门、紧固件、车船、机械制造、航空航天及科研等行业部门的低温理化实验验,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塑料造粒机操作触及的领域极其广泛的应用前景。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

磁轴承但是对其力学性能所选用的实验机其实都可选用1类系统性能(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,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。

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机为核心,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、不断爬升的原料本钱与能源本钱压力转速、电流等,灵活地设定数字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)预留络扩展接口:充分挖掘虚拟仪器的络编程能力,针对磁轴承控制系统,为将来开展络化系统监测与控制奠定基础。

4 结束语

随着虚拟仪器硬件和软件开发技术的不断发展,虚拟仪器技术不仅适用于仪器设计和仪器控制领域,在复杂控制系统的设计与实现方面也有非常广泛的应用。虚拟仪器技术的应用,降低了复杂控制系统的设计难度,提高了系统实现的效率。

参考文献

[1其调质硬度应在HB241至285间] G施韦策,H布鲁勒,A特拉克斯勒著,虞烈,袁崇军译,主动磁轴承基础、性能及应用,北京:新时代出版社,1997.

[2] Gary hnson,Richard Jennings著,武嘉澎,陆劲昆译,LabVIEW图形编程,北京:北京大学出版社,2002.

[3] USBDAQ-9100MS LabVIEW Interfaces for USBDAQ Series User Guide,ADLINK Technology Inc,2001.

[4] USBDAQ-9100MS LabVIEW Interfaces for USBDAQ Series Function Reference,ADLINK Technology Inc,2001.(end)

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