1 虛擬儀器介紹

　　虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問(wèn)世以來(lái)，世界各國(guó)的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要。

　　“軟件即是儀器”這是NI公司提出的虛擬儀器理念的思想。從這一思想出發(fā)，基于電腦或工作站、軟件和I／O部件來(lái)構(gòu)建虛擬儀器。I／O部件可以是獨(dú)立儀器、模塊化儀器、數(shù)據(jù)采集板（DAQ）或傳感器。NI所擁有的虛擬儀器產(chǎn)品包括軟件產(chǎn)品（如LabVIEW）、GPIB產(chǎn)品、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品、信號(hào)處理產(chǎn)品、圖像采集產(chǎn)品、DSP產(chǎn)品和VXI控制產(chǎn)品等。

　　DAQ儀器是一種典型的虛擬儀器，它以微型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)特定的測(cè)量和測(cè)試功能。DAQ儀器性價(jià)比高、設(shè)計(jì)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，這是常用方式；

　　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；

　?。?） 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，為儀器設(shè)計(jì)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(guò)USB總線直接外掛的DAQ儀器。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(jì)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，可以專門對(duì)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(lái)越普遍。

　　2 磁軸承控制系統(tǒng)

　　磁軸承，是一種新型高性能軸承。與傳統(tǒng)滾珠軸承、滑動(dòng)軸承以及油膜軸承相比，磁軸承不存在機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)子可以達(dá)到很高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，具有機(jī)械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長(zhǎng)、無(wú)需潤(rùn)滑、無(wú)油污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適用高速、真空、超凈等特殊環(huán)境?？蓮V泛用于機(jī)械加工、渦輪機(jī)械、航空航天、真空技術(shù)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性辨識(shí)與測(cè)試等領(lǐng)域，被公認(rèn)為極有前途的新型軸承。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(cè)轉(zhuǎn)子偏移平衡位置的位移量，控制器將檢測(cè)到的位移偏差按一定的控制律轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)功率放大器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂齐娏?，?qū)動(dòng)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，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(yàn)；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(duì)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(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(jì)、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(tái)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，支持100kS/s持續(xù)采樣速率和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(gè)16位通用定時(shí)器/計(jì)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。

　　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(gè)控制周期內(nèi)，由USB-9100對(duì)兩個(gè)通道的位移傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在所得模擬控制信號(hào)控制下，功率放大器驅(qū)動(dòng)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(jì)軟件，它被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)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(cè)試、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以大大提高工作效率。LabVIEW中附加了PID控制工具套件，利用它，可以簡(jiǎn)便、高效地設(shè)計(jì)控制算法。另外，USB-9100提供了LabVIEW驅(qū)動(dòng)，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(jī)為，構(gòu)成一個(gè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)更為方便、快捷，具體地，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

　?。?）圖形化界面：利用圖形化界面實(shí)時(shí)、動(dòng)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(xiàng)參數(shù)；

　?。?）雙工作模式：提供控制和監(jiān)測(cè)兩種工作模式，其中控制是主模式，監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)性；在監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)顯示。

　?。?）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析：系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)記錄相關(guān)參數(shù)，待系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)行頻譜分析和控制系統(tǒng)的評(píng)估，為PID控制參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

　?。?）預(yù)留網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展接口：充分挖掘虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)編程能力，針對(duì)磁軸承控制系統(tǒng)，為將來(lái)開展網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制奠定基礎(chǔ)。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全"繼承"  虛擬儀器系統(tǒng)框圖了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

　　NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。在利用科技的時(shí)候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。

　　在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器  傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器構(gòu)成比較儀表和通訊方面的技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。