磁懸浮微驅(qū)動器的定位控制系統(tǒng)設計*

陳 軍,楊數(shù)強

(洛陽師范學院 物理與電子信息學院,河南 洛陽 471022)

目前磁懸浮控制系統(tǒng)的硬件設備普遍采用DSP數(shù)字信號處理芯片結(jié)合高速的AD/DA轉(zhuǎn)換器來構(gòu)成。軟件編寫的上位機測控系統(tǒng)目前沒有統(tǒng)一的整體發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的上位機編寫軟件是由VC++、VB等可視化軟件來編寫，這種開發(fā)形式過于偏重語言自身的學習，不利于測控工程師們根據(jù)實際需要靈活地改變上位機測控系統(tǒng)的功能，因此，本文采用DSP硬件電路結(jié)合圖形化測控軟件LabVIEW編寫上位機測控系統(tǒng)實現(xiàn)高精度磁懸浮驅(qū)動器的定位控制。

1 磁懸浮驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

本論文使用的磁懸浮微驅(qū)動器結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。驅(qū)動器的底座由絕緣材料制成，縱橫正交疊放160×160匝導線并用環(huán)氧樹脂膠結(jié)形成導線陣列，用于產(chǎn)生同步跟隨磁場[2]來驅(qū)動驅(qū)動器的運動部分，導線陣列上方四周的框體是水平驅(qū)動模塊，由8個線圈繞組構(gòu)成，用于水平驅(qū)動和定位。框內(nèi)放置永磁陣列運動部分。運動部分由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。在運動體的四周安裝有3個一組的簡化Halbach陣列，對應于周圍的線圈繞組構(gòu)成水平驅(qū)動定位系統(tǒng)。運動部分的上方用來安放光學測量設備。

2 定位控制系統(tǒng)總體設計

結(jié)合理論分析與仿真研究[5]可知，微驅(qū)動器要求測控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，精度高，實時性好，編程調(diào)試和功能修改方便。因此，選擇TI公司的TMS320F2812DSP數(shù)字處理器作為控制芯片，采用16 bit 250 kS/s的AD7656和DAC7744實現(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Lab-VIEW專業(yè)測控軟件以及數(shù)據(jù)采集卡制作實時的監(jiān)測軟件，對驅(qū)動器運動的數(shù)據(jù)進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、DSP控制器、驅(qū)動電路、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計

硬件控制板的主要作用是：采集由電渦流傳感器傳來的0～10 V電壓信號；進行控制算法處理，并把處理的結(jié)果通過DA傳輸至導線陣列換向電路以及水平驅(qū)動電路。在DSP上面運行的程序是下位機控制算法程序，軟件應用TI公司的CCS2集成開發(fā)環(huán)境編寫，同時為了使程序易于編寫、測試和維護，采用了功能模塊化設計。軟件采用C語言和匯編混合編程的方法，對整體程序框架和對實時性要求不高的模塊采用了C語言編寫，這樣可讀性強、編程簡單、調(diào)試方便，易于擴展。而在算法處理，即運算量大的地方，采用匯編語言編寫，從而提高了代碼的執(zhí)行效率。

軟件流程圖見圖3。整個程序包括系統(tǒng)初始化模塊（包括DSP系統(tǒng)初始化、片上外設的初始化、擴展外設初始化、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。

一個控制周期的循環(huán)過程：先由D/A依次輸出編寫好的控制信號序列，控制信號經(jīng)過功放板驅(qū)動微驅(qū)動器運動，電渦流傳感器采集位移信號，通過變送器濾波后直接送入A/D，在同一個循環(huán)周期內(nèi)A/D采集模擬信號，轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字信號后在程序內(nèi)部作為控制算法的誤差來源，誤差經(jīng)過控制算法的計算后由D/A輸出，完成一次控制循環(huán)。每一次的循環(huán)時間和采樣率可以在文件初始化時對A/D的定時器進行設置,例如調(diào)整EvaRegs.T1PR=0x0200的參數(shù)就可以改變定時器的循環(huán)周期。

4 上位機軟件設計

在微驅(qū)動器的運動過程中，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進入上位機的數(shù)據(jù)保存與監(jiān)測系統(tǒng)。設計這樣一個上位機模塊可以對運動過程中的數(shù)據(jù)進行及時的分析。為了減輕DSP運算負擔，采用先進的虛擬儀器技術(shù)來完成這個功能。目前最合適的用于虛擬儀器開發(fā)的軟件就是LabVIEW。

上位機的程序編寫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語言圖形化編程對數(shù)據(jù)進行繪圖處理；對采集的數(shù)據(jù)進行保存；利用軟件輸出信號進行開環(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)設置一個循環(huán)，再從Express選項中把兩個DAQ助手放置在循環(huán)區(qū)內(nèi)，分別設置為輸入輸出功能。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、設置量以及輸出量的輸出旋鈕可以按精度要求手動調(diào)整。測控程序樣圖如圖5所示。

圖中的DAQ輸入模塊是對應硬件數(shù)據(jù)采集卡的上位機控制模塊，采集的數(shù)據(jù)具有很高的精度，為了運算和編程顯示方便，通過對數(shù)據(jù)進行10 000倍的放大，在圖5(a)中就是乘以常數(shù)10 000。然后再通過取整運算，去掉小數(shù)點。再除以常數(shù)10 000，使數(shù)據(jù)具有小數(shù)點后四位精度。由于數(shù)據(jù)采集卡自身的零點漂移使得采集數(shù)據(jù)的零點不能回零，因此要對漂移的數(shù)據(jù)進行清零。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)就是驅(qū)動器位置對應的電壓值，這個值由電渦流傳感器測得。電渦流傳感器的電壓輸出值和位移的關(guān)系已經(jīng)經(jīng)過多次的標定測試。傳感器的標定至關(guān)重要，傳感器把位移的變化轉(zhuǎn)換為反饋的電壓變化，上位機采集的電壓信號將通過標定好的電壓位移（U-D）關(guān)系計算出位移并顯示在前面板上。在圖5(a)中已經(jīng)對這些公式進行了程序編寫、顯示、繪圖、保存。圖 5(a)中的兩個仿真信號模塊就是把要求的XY軸定位參數(shù)輸出給水平驅(qū)動模塊。主要的參數(shù)有：控制信號的幅值、周期、偏移量。這些參數(shù)就是通過在前面板上的旋鈕和輸入控件來修改。

5 定位實驗

定位精度和反復定位精度是評價驅(qū)動器性能的重要指標。因此，本論文對該驅(qū)動器進行了平面內(nèi)的跟蹤定位實驗。利用FFPID控制算法對平面內(nèi)的兩個點進行了多次的定位實驗，在平面內(nèi)的坐標為（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控制器使運動體在每一個位置信號來臨后,能夠?qū)崿F(xiàn)對定位信號的快速定位。圖中兩個采樣點的位置平均值為(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。說明控制系統(tǒng)設計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)合的方法在上位機設計了數(shù)據(jù)采集、顯示、分析、保存于一體的磁懸浮微驅(qū)動器定位測控系統(tǒng)，通過實驗驗證了該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動器的高精度定位。

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