目前磁懸浮控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備普遍采用DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片結(jié)合高速的AD/DA轉(zhuǎn)換器來(lái)構(gòu)成。軟件編寫(xiě)的上位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)目前沒(méi)有統(tǒng)一的整體發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的上位機(jī)編寫(xiě)軟件是由VC++、VB等可視化軟件來(lái)編寫(xiě)，這種開(kāi)發(fā)形式過(guò)于偏重語(yǔ)言自身的學(xué)習(xí)，不利于測(cè)控工程師們根據(jù)實(shí)際需要靈活地改變上位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的功能，因此，本文采用DSP硬件電路結(jié)合圖形化測(cè)控軟件LabVIEW編寫(xiě)上位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度磁懸浮驅(qū)動(dòng)器的定位控制。

1 磁懸浮驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)
    本論文使用的磁懸浮微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。驅(qū)動(dòng)器的底座由絕緣材料制成，縱橫正交疊放160×160匝導(dǎo)線并用環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)形成導(dǎo)線陣列，用于產(chǎn)生同步跟隨磁場(chǎng)[2]來(lái)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)部分，導(dǎo)線陣列上方四周的框體是水平驅(qū)動(dòng)模塊，由8個(gè)線圈繞組構(gòu)成，用于水平驅(qū)動(dòng)和定位。框內(nèi)放置永磁陣列運(yùn)動(dòng)部分。運(yùn)動(dòng)部分由49塊磁極方向各異的小磁塊，按照Halbach陣列原理[3]，由45°旋轉(zhuǎn)角型二維矢量疊加的方式[4]排列組成。在運(yùn)動(dòng)體的四周安裝有3個(gè)一組的簡(jiǎn)化Halbach陣列，對(duì)應(yīng)于周?chē)木€圈繞組構(gòu)成水平驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)部分的上方用來(lái)安放光學(xué)測(cè)量設(shè)備。

2 定位控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    結(jié)合理論分析與仿真研究[5]可知，微驅(qū)動(dòng)器要求測(cè)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，精度高，實(shí)時(shí)性好，編程調(diào)試和功能修改方便。因此，選擇TI公司的TMS320F2812 DSP數(shù)字處理器作為控制芯片，采用16 bit 250 kS/s的AD7656和DAC7744實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制量輸出的轉(zhuǎn)換，電壓范圍±10 V,共同構(gòu)成硬件控制核心。采用NI公司的LabVIEW專(zhuān)業(yè)測(cè)控軟件以及數(shù)據(jù)采集卡制作實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)軟件，對(duì)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集和分析修正。采用高精度的電渦流傳感器作為位移檢測(cè)裝置。定位控制系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示，系統(tǒng)由上位機(jī)、DSP控制器、驅(qū)動(dòng)電路、換向控制電路、傳感器等幾部分組成。

3 硬件控制板的軟件設(shè)計(jì)
    硬件控制板的主要作用是：采集由電渦流傳感器傳來(lái)的0~10 V電壓信號(hào)；進(jìn)行控制算法處理，并把處理的結(jié)果通過(guò)DA傳輸至導(dǎo)線陣列換向電路以及水平驅(qū)動(dòng)電路。在DSP上面運(yùn)行的程序是下位機(jī)控制算法程序，軟件應(yīng)用TI公司的CCS2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)，同時(shí)為了使程序易于編寫(xiě)、測(cè)試和維護(hù)，采用了功能模塊化設(shè)計(jì)。軟件采用C語(yǔ)言和匯編混合編程的方法，對(duì)整體程序框架和對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的模塊采用了C語(yǔ)言編寫(xiě)，這樣可讀性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，易于擴(kuò)展。而在算法處理，即運(yùn)算量大的地方，采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，從而提高了代碼的執(zhí)行效率。
    軟件流程圖見(jiàn)圖3。整個(gè)程序包括系統(tǒng)初始化模塊（包括DSP系統(tǒng)初始化、片上外設(shè)的初始化、擴(kuò)展外設(shè)初始化、控制參數(shù)初始化及中斷方式的選取等）、A/D采樣模塊、控制算法模塊、D/A輸出模塊四部分。

　一個(gè)控制周期的循環(huán)過(guò)程：先由D/A依次輸出編寫(xiě)好的控制信號(hào)序列，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)功放板驅(qū)動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)，電渦流傳感器采集位移信號(hào)，通過(guò)變送器濾波后直接送入A/D，在同一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)A/D采集模擬信號(hào)， 轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后在程序內(nèi)部作為控制算法的誤差來(lái)源，誤差經(jīng)過(guò)控制算法的計(jì)算后由D/A輸出，完成一次控制循環(huán)。每一次的循環(huán)時(shí)間和采樣率可以在文件初始化時(shí)對(duì)A/D的定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置,例如調(diào)整EvaRegs.T1PR=0x0200的參數(shù)就可以改變定時(shí)器的循環(huán)周期。
4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    在微驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入上位機(jī)的數(shù)據(jù)保存與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這樣一個(gè)上位機(jī)模塊可以對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的分析。為了減輕DSP運(yùn)算負(fù)擔(dān)，采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)來(lái)完成這個(gè)功能。目前最合適的用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的軟件就是LabVIEW。
    上位機(jī)的程序編寫(xiě)主要由幾大模塊組成：DAQ助手完成軟件和硬件數(shù)據(jù)采集卡的通信。利用G語(yǔ)言圖形化編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖處理；對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；利用軟件輸出信號(hào)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。各模塊的關(guān)系如圖4所示。

    首先在LabVIEW的程序編輯區(qū)內(nèi)設(shè)置一個(gè)循環(huán)，再?gòu)腅xpress選項(xiàng)中把兩個(gè)DAQ助手放置在循環(huán)區(qū)內(nèi)，分別設(shè)置為輸入輸出功能。然后在前面板區(qū)域內(nèi)放置數(shù)據(jù)顯示模塊、圖形顯示模塊以及輸出量的控制參數(shù)。最后，在程序編輯區(qū)內(nèi)添加相關(guān)的數(shù)據(jù)處理關(guān)系，使前面板的數(shù)據(jù)顯示區(qū)可以正確地顯示位移、偏移量、設(shè)置量以及輸出量的輸出旋鈕可以按精度要求手動(dòng)調(diào)整。測(cè)控程序樣圖如圖5所示。

     圖中的DAQ輸入模塊是對(duì)應(yīng)硬件數(shù)據(jù)采集卡的上位機(jī)控制模塊，采集的數(shù)據(jù)具有很高的精度，為了運(yùn)算和編程顯示方便，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行10 000倍的放大，在圖5(a)中就是乘以常數(shù)10 000。然后再通過(guò)取整運(yùn)算，去掉小數(shù)點(diǎn)。再除以常數(shù)10 000，使數(shù)據(jù)具有小數(shù)點(diǎn)后四位精度。由于數(shù)據(jù)采集卡自身的零點(diǎn)漂移使得采集數(shù)據(jù)的零點(diǎn)不能回零，因此要對(duì)漂移的數(shù)據(jù)進(jìn)行清零。經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)就是驅(qū)動(dòng)器位置對(duì)應(yīng)的電壓值，這個(gè)值由電渦流傳感器測(cè)得。電渦流傳感器的電壓輸出值和位移的關(guān)系已經(jīng)經(jīng)過(guò)多次的標(biāo)定測(cè)試。傳感器的標(biāo)定至關(guān)重要，傳感器把位移的變化轉(zhuǎn)換為反饋的電壓變化，上位機(jī)采集的電壓信號(hào)將通過(guò)標(biāo)定好的電壓位移（U-D）關(guān)系計(jì)算出位移并顯示在前面板上。在圖5(a)中已經(jīng)對(duì)這些公式進(jìn)行了程序編寫(xiě)、顯示、繪圖、保存。圖5(a)中的兩個(gè)仿真信號(hào)模塊就是把要求的XY軸定位參數(shù)輸出給水平驅(qū)動(dòng)模塊。主要的參數(shù)有：控制信號(hào)的幅值、周期、偏移量。這些參數(shù)就是通過(guò)在前面板上的旋鈕和輸入控件來(lái)修改。
5 定位實(shí)驗(yàn)
    定位精度和反復(fù)定位精度是評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)器性能的重要指標(biāo)。因此，本論文對(duì)該驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了平面內(nèi)的跟蹤定位實(shí)驗(yàn)。利用FFPID控制算法對(duì)平面內(nèi)的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了多次的定位實(shí)驗(yàn)，在平面內(nèi)的坐標(biāo)為（1.23,1.23）mm，（1.52,1.52）mm，如圖6(a)、(b)所示。

     從圖中可以看出，DSP控制器使運(yùn)動(dòng)體在每一個(gè)位置信號(hào)來(lái)臨后,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)定位信號(hào)的快速定位。圖中兩個(gè)采樣點(diǎn)的位置平均值為(1.231,1.227)， (1.529,1.516)。X軸的誤差為0.001 mm和0.09 mm，Y軸的誤差為0.003 mm和0.004 mm。說(shuō)明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足高精度定位的要求。
     采用TMS320S2812數(shù)字處理芯片結(jié)合電渦流傳感器，構(gòu)建了一套數(shù)據(jù)采集運(yùn)算和控制的硬件系統(tǒng)。利用LabVIEW虛擬儀器軟件和數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合的方法在上位機(jī)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集、顯示、分析、保存于一體的磁懸浮微驅(qū)動(dòng)器定位測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的高精度定位。
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