磁懸浮微驅動器的定位控制系統設計*

陳 軍,楊數強

(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的硬件設備普遍采用DSP數字信號處理芯片結合高速的AD/DA轉換器來構成。軟件編寫的上位機測控系統目前沒有統一的整體發展趨勢。傳統的上位機編寫軟件是由VC++、VB等可視化軟件來編寫，這種開發形式過于偏重語言自身的學習，不利于測控工程師們根據實際需要靈活地改變上位機測控系統的功能，因此，本文采用DSP硬件電路結合圖形化測控軟件LabVIEW編寫上位機測控系統實現高精度磁懸浮驅動器的定位控制。

1 磁懸浮驅動器結構

本論文使用的磁懸浮微驅動器結構如圖1所示[1]。驅動器的底座由絕緣材料制成，縱橫正交疊放160×160匝導線并用環氧樹脂膠結形成導線陣列，用于產生同步跟隨磁場[2]來驅動驅動器的運動部分，導線陣列上方四周的框體是水平驅動模塊，由8個線圈繞組構成，用于水平驅動和定位。框內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成水平驅動定位系統。運動部分的上方用來安放光學測量設備。

2 定位控制系統總體設計

結合理論分析與仿真研究[5]可知，微驅動器要求測控系統性能穩定，精度高，實時性好，編程調試和功能修改方便。因此，選擇TI公司的TMS320F2812DSP數字處理器作為控制芯片，采用16 bit 250 kS/s的AD7656和DAC7744實現數據采集和控制量輸出的轉換，電壓范圍±10 V,共同構成硬件控制核心。采用NI公司的Lab-VIEW專業測控軟件以及數據采集卡制作實時的監測軟件，對驅動器運動的數據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。定位控制系統的總體框圖如圖2所示，系統由上位機、DSP控制器、驅動電路、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，并把處理的結果通過DA傳輸至導線陣列換向電路以及水平驅動電路。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集成開發環境編寫，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行效率。

軟件流程圖見圖3。整個程序包括系統初始化模塊（包括DSP系統初始化、片上外設的初始化、擴展外設初始化、控制參數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，控制信號經過功放板驅動微驅動器運動，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，在同一個循環周期內A/D采集模擬信號，轉換為對應的數字信號后在程序內部作為控制算法的誤差來源，誤差經過控制算法的計算后由D/A輸出，完成一次控制循環。每一次的循環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,例如調整EvaRegs.T1PR=0x0200的參數就可以改變定時器的循環周期。

4 上位機軟件設計

在微驅動器的運動過程中，傳感器采集的數據經過數據采集卡進入上位機的數據保存與監測系統。設計這樣一個上位機模塊可以對運動過程中的數據進行及時的分析。為了減輕DSP運算負擔，采用先進的虛擬儀器技術來完成這個功能。目前最合適的用于虛擬儀器開發的軟件就是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據采集卡的通信。利用G語言圖形化編程對數據進行繪圖處理；對采集的數據進行保存；利用軟件輸出信號進行開環控制。各模塊的關系如圖4所示。

首先在LabVIEW的程序編輯區內設置一個循環，再從Express選項中把兩個DAQ助手放置在循環區內，分別設置為輸入輸出功能。然后在前面板區域內放置數據顯示模塊、圖形顯示模塊以及輸出量的控制參數。最后，在程序編輯區內添加相關的數據處理關系，使前面板的數據顯示區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據采集卡的上位機控制模塊，采集的數據具有很高的精度，為了運算和編程顯示方便，通過對數據進行10 000倍的放大，在圖5(a)中就是乘以常數10 000。然后再通過取整運算，去掉小數點。再除以常數10 000，使數據具有小數點后四位精度。由于數據采集卡自身的零點漂移使得采集數據的零點不能回零，因此要對漂移的數據進行清零。經過處理后的數據就是驅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系已經經過多次的標定測試。傳感器的標定至關重要，傳感器把位移的變化轉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）關系計算出位移并顯示在前面板上。在圖5(a)中已經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軸定位參數輸出給水平驅動模塊。主要的參數有：控制信號的幅值、周期、偏移量。這些參數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動器性能的重要指標。因此，本論文對該驅動器進行了平面內的跟蹤定位實驗。利用FFPID控制算法對平面內的兩個點進行了多次的定位實驗，在平面內的坐標為（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,能夠實現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。說明控制系統設計能夠滿足高精度定位的要求。

采用TMS320S2812數字處理芯片結合電渦流傳感器，構建了一套數據采集運算和控制的硬件系統。利用LabVIEW虛擬儀器軟件和數據采集卡結合的方法在上位機設計了數據采集、顯示、分析、保存于一體的磁懸浮微驅動器定位測控系統，通過實驗驗證了該控制系統能夠實現驅動器的高精度定位。

[1]陳本永,陳軍,楊濤,等.同步跟隨式電磁懸浮微驅動器的力學分析與測試[J].測試技術學報,2009(2):95-101.

[2]姜偉光,楊濤,陳軍,等.電磁懸浮式微驅動器的同步跟隨驅動設計[J].浙江理工大學學報,2009,26(4):534-537.

[3]HAN Q,HAM C,PHILLIPS R.Four-and eight-piece halbach array analysis and geometry optimisation for maglev[C].IEE Proc.Electr.Power Appl.,United Kingdom:the Institution of Engineering and Technology,2005,152(3):535-542.

[4]TRUMPER D L,KIM W J,WILLIAMS M E.Magnetic arrays:USA,5631618[P].1997-05-20.

[5]潘科榮.磁場同步跟隨式電磁懸浮微驅動器理論分析與建模研究[D].杭州：浙江理工大學,2008.