1 虛擬儀器介紹

　　虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是指通過應用程序將通用計算機與儀器硬件結合起來，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、顯示和數據存儲等。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據處理、傳輸和控制能力，使系統(tǒng)組建、擴展更加靈活、簡便，也便于構成復雜的系統(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：數據采集）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、特定功能的數據采集卡或儀器卡）和計算機軟件（虛擬儀器應用軟件）結合起來，實現(xiàn)特定的測量和測試功能。DAQ儀器性價比高、設計手段靈活、通用性強，應用前景十分廣闊。DAQ儀器按儀器卡的組成方式可分為三類：

　�。�1） 內插式：將儀器卡插入微機內部總線上構成DAQ儀器，如圖1（a）所示，這是最常用方式;

　　圖1 DAQ儀器基本結構

　�。�2） 擴展式：將微機總線引到擴展箱，在擴展箱里插入儀器卡構成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機內部的噪聲，為儀器設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，數據傳輸率高。 USB1.1支持兩種數據傳送速度：低速為1.5Mbps，全速為12Mbps，而USB2.0提供高達400Mbps的高速數據傳輸，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、支持多設備連接，減少了PC機I/O接口數量。采用USB總線的DAQ儀器具有許多優(yōu)點：安裝、攜帶方便;不易受機箱內環(huán)境的干擾;不受計算機插槽數量、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，避免數據失真等。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、適應的轉速范圍廣、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、機器人等高科技領域有著廣泛的應用前景。磁軸承控制系統(tǒng)組成如圖2所示，主要由轉子、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換成控制信號，控制信號通過功率放大器產生適當的控制電流，驅動電磁鐵產生磁力，從而使轉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，但存在著參數調整不方便、硬件結構不易改變、難以實現(xiàn)較先進的控制策略等缺點。數字控制，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;能夠實現(xiàn)復雜的控制器功能;易于進行傳感器、偏置和其它參數的在線標定;便于對位移、轉速、電流等工況參數進行顯示、記錄及遠距離傳輸等。

　　3 虛擬儀器技術在磁軸承數字控制中的具體應用

　　基于虛擬儀器和數字控制的上述優(yōu)點，將虛擬儀器技術引入到磁軸承系統(tǒng)的數字控制中，大大降低了磁軸承數字控制系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)和調試的復雜程度，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。

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