陳章龍， 馬 俊， 陳博行， 方衛(wèi)強， 張凌飛

（1.廣東茂名農(nóng)林科技職業(yè)學(xué)院機電工程系，廣東茂名，525000；2.青海師范大學(xué)計算機學(xué)院，西寧810008）

0 引 言

銅氧化物系列高溫超導(dǎo)體因其具有良好的物理性能，在磁懸浮搬運系統(tǒng)和磁懸浮軌道交通等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用［1-3］，是目前最有希望作為超導(dǎo)磁懸浮實用化的材料之一，其和永磁體之間的磁懸浮力特性是超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的基礎(chǔ)，直接決定了超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的成熟程度。磁場與磁力測量技術(shù)是研究磁懸浮力特性的重要技術(shù)手段，通過先進的測量技術(shù)獲得高質(zhì)量的實驗數(shù)據(jù)，并對測量結(jié)果進行分析，根據(jù)分析結(jié)果，揭示關(guān)鍵的磁場和磁力變化規(guī)律，更科學(xué)地研究高溫超導(dǎo)機理，為高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)走向?qū)嶋H應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。研究先進的磁場和磁力測試技術(shù)對促進高溫超導(dǎo)磁懸浮的實用化發(fā)展，提供可靠的工具支撐，有著重要的意義。目前國內(nèi)外的磁場與磁力測試系統(tǒng)，多數(shù)只能實現(xiàn)常溫下一維、二維、靜止單點測量，并且測量參數(shù)單一［4-6］，這些測量方法，無法全面正確地揭示測試對象的磁場與磁力狀況，難以滿足連續(xù)多點的磁場與磁力測量要求，適應(yīng)不了高溫超導(dǎo)磁懸浮研究領(lǐng)域的三維動態(tài)測試趨勢。針對這些不足，利用NI PCIe-6341 采集控制卡和自行設(shè)計的傳感器三維機械結(jié)構(gòu)，進行多通道、多傳感的三維數(shù)據(jù)高速采集和處理，利用LabVIEW外掛的PID控制工具包實現(xiàn)增量式PID算法，通過調(diào)用PID控制器子程序，準確算出轉(zhuǎn)速增量、輸出增量對應(yīng)的PWM 波，按設(shè)定的運動模式控制受控驅(qū)動電動機的運動，帶動數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，實現(xiàn)運動控制與數(shù)據(jù)采集的同步運行，快速完成測試對象宏觀磁性的三維動態(tài)測試任務(wù)，為高溫超導(dǎo)機理研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)上位機選用LabVIEW 平臺開發(fā)，下位機以PCIe-6341 數(shù)據(jù)采集卡作為下位機核心處理器。其中，下位機包括傳感器信息采集和運動控制兩部分，信息采集主要通過在x、y、z軸上分別設(shè)置3 個磁場傳感器和3 個磁力傳感器完成對模擬信號的采集，經(jīng)過NI信號調(diào)理設(shè)備進行濾波放大，送進PCIe-6341 完成A／D轉(zhuǎn)換和進一步計算處理，通過PCIe總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C；運動控制通過PCIe-6341 主控模塊產(chǎn)生相應(yīng)頻率的步進電機控制波PWM，以實現(xiàn)受控驅(qū)動步進電機帶動傳感器在測量范圍內(nèi)運動的目的，同時，在系統(tǒng)加入反饋支路，實時監(jiān)測步進電機運動狀態(tài)，與PCIe-6341 實現(xiàn)運動的閉環(huán)控制；上位機可實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的實時動態(tài)展示及存儲，同時，上位機具備精確運動控制和高速數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 傳感器的三維結(jié)構(gòu)

2.1 磁場傳感器的三維結(jié)構(gòu)

選用HGA-3030 磁場傳感器，工作溫度范圍可達-273.15 ～100 ℃，即使在液氮低溫環(huán)境下都可以正常啟動工作。三維結(jié)構(gòu)選用3 片靈敏度相同的磁場探頭，每片磁場探頭的感應(yīng)區(qū)域為0.2 mm ×0.2 mm，將這3 片探頭先后放置在左平面（X）、前平面（Y）、底平面（Z）三個維度上，互相成90°排列，組成體積為0.2 mm×0.2 mm×0.2 mm的立方體，通過該三維結(jié)構(gòu)的磁場探頭，即可同時測得待測對象某點磁感應(yīng)強度在3 個方向上的分量。

2.2 磁力傳感器的三維結(jié)構(gòu)

磁力測量采用具有金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)的SLS410模擬式稱重傳感器。在緊貼三維磁場探頭處安裝L形中空測試盒，將3 塊靈敏度相同的磁力傳感器，分別放置在測試盒直角頂點處空心立體的右側(cè)（X）、前側(cè)（Y）、頂側(cè)上表面（Z）中心位置。3 個磁力傳感器互相成90°分布在同一測量點的三個維度，形成三維布置，通過各軸磁力傳感器，可同時測出磁性材料之間的磁力在三維空間的分布。

3 下位機軟件

系統(tǒng)下位機軟件主要由主控板卡的驅(qū)動、傳感器模塊的數(shù)據(jù)采集、運動控制、信號調(diào)理板卡驅(qū)動等程序構(gòu)成。

3.1 主控板卡的驅(qū)動程序

PCIe-6341 主控板卡的驅(qū)動程序下位機系統(tǒng)軟件的核心，它往上為上位機界面程序提供API函數(shù)接口，往下通過寄存器訪問主控板卡。驅(qū)動程序通常遵循先軟件后硬件的原則，主要分為3 個步驟：

步驟1啟動NI-DAQmx9.1.7 安裝程序，完成光盤安裝；

步驟2啟動MAX工具選擇物理通道和配置NIDAQmx任務(wù)；

步驟3設(shè)置DAQ 助手完成主控板卡硬件資源的分配并測試NI-DAQmx 任務(wù)，以確認是否正確配置及按功能運行，開發(fā)流程圖略。

3.2 增量式PID算法的參數(shù)整定

為對測試平臺進行實時運動控制，本設(shè)計采用增量式PID算法進行閉環(huán)控制：

式中：ΔUi為控制增量；KP、KI和KD分別為比例、積分和微分參數(shù)；ei-2、ei-1和ei分別是第i -2 次、第i -1次和第i次反饋采樣時的偏差值［7-8］。

由式（1）可知，當(dāng)主控板卡的反饋采樣周期恒定時，一旦該模型的3 個參數(shù)值KP、KI和KD確定后，只要連續(xù)測出前后3 次的速度偏差值ei-2、ei-1和ei，即可得到控制增量。該算法的核心是調(diào)出最優(yōu)的3 個參數(shù)值。在PID參數(shù)整定過程中，采用試湊法［9］，通過步長和步數(shù)設(shè)定電動機的運動位移為橫向?qū)挾?0 mm，并給定目標轉(zhuǎn)速為10 r／s，對應(yīng)速度值為20 mm／s；根據(jù)工程經(jīng)驗，設(shè)置不同的PID經(jīng)驗參數(shù)，啟動測試卡具在水平面內(nèi)沿直線往返運動，在不同的PID 參數(shù)調(diào)節(jié)下，通過將編碼器反饋回來的速度值保存在工控機的文檔中，利用Matlab軟件繪出不同PID參數(shù)下的速度響應(yīng)曲線，在現(xiàn)場試驗中不斷地調(diào)整修正，逐步確定PID控制器的3 個參數(shù)，直至得到滿意的輸出為止，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和修正，最后采用一組最佳的PID參數(shù)，KP＝19.12，KI＝4.67，KD＝0.03，其速度響應(yīng)曲線如圖2 所示。由圖2 可見，運動控制的超調(diào)量是20%，調(diào)節(jié)時間是150 ms，穩(wěn)態(tài)誤差是±0.5%，150 ms后實際速度基本與目標速度相同，最大偏差小于0.1 mm，控速精度為±0.1 mm，滿足測試系統(tǒng)運動控制的要求。

圖2 速度響應(yīng)曲線

3.3 運動控制模塊的程序

為保證轉(zhuǎn)速測量的準確性以及PWM 調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的有效性，采用了定時中斷技術(shù)，在定時器中斷服務(wù)子程序中完成轉(zhuǎn)速的計算、增量式PID 算法的實現(xiàn)和PWM 調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速等功能，其程序流程如圖3所示。

圖3 運動控制程序流程

首先打開主控板卡的總中斷，啟動定時器和各軸計數(shù)器，定時50 ms，各軸計數(shù)器接收到編碼器的反饋脈沖信號并累加統(tǒng)計，直至定時到達50 ms，進入定時中斷，根據(jù)統(tǒng)計的脈沖總數(shù)，計算出各軸電動機的實際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速偏差，若偏差大于0.1 mm，則將偏差送入增量式PID 模型進行運算處理，進一步再通過PWM調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速模塊，完成電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，最后初始化各軸計數(shù)器和定時器，重新定時50 ms，只要偏差仍大于指標要求，就一直進行以上循環(huán)，不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。若轉(zhuǎn)速偏差小于指標要求，則退出本模塊程序，進入數(shù)據(jù)采集子程序。

4 上位機軟件

本系統(tǒng)的上位機部分是以“LabVIEW2012”作為開發(fā)平臺，由前面板界面和后面板程序框圖兩部分組成［10-15］，其開發(fā)過程采用模塊化、層次化和層層遞進式的設(shè)計思想，并融合子VI技術(shù)，將其分解成主程序、登錄管理、標定前手動移位、手動定位原點、移至測量起點、啟動數(shù)據(jù)采集、保存數(shù)據(jù)、運動軌跡設(shè)置和緊急停止等模塊。每個功能模塊都對應(yīng)著一個或者多個子VI，在這9 個功能模塊中，主程序模塊設(shè)置為頂層VI，并保存為main.vi 文件，作為上位機軟件執(zhí)行的入口點，剩余的每個功能模塊都是由多個子VI組成的次頂層VI，頂層VI 與次頂層VI 之間，存在先后執(zhí)行步驟的次序關(guān)系，首先從頂層的main.vi 開始執(zhí)行，然后再從次頂層的登錄管理VI、第1 步（手動定位原點）VI一直執(zhí)行到保存數(shù)據(jù)VI，從通過執(zhí)行步驟的先后關(guān)系，層層調(diào)用不同的子VI，實現(xiàn)預(yù)定先后的操作順序和整個上位機系統(tǒng)的功能。圖4 為上位機功能模塊結(jié)構(gòu)圖，圖5 為上位機程序流程圖。圖5 中，Login 操作為觸發(fā)登錄控件，MTSet 為運動軌跡設(shè)置命令，CM 為手動移位命令，Step1 為手動定位原點命令。

圖4 上位機功能模塊結(jié)構(gòu)

4.1 上位機前面板設(shè)計

上位機前面板由用戶登錄管理、標定前手動移位、運動軌跡設(shè)置、啟動數(shù)據(jù)采集前、啟動數(shù)據(jù)采集、保存數(shù)據(jù)和緊急停止等界面組成，整個開發(fā)過程通過調(diào)用I／O函數(shù)庫、計數(shù)器／定時器操作函數(shù)、各輸入控件和顯示控件來完成。其前面板界面圖略。

圖5 上位機程序流程圖

4.2 上位機程序框圖

在上位機程序框圖設(shè)計中，采用由頂向下和細分模塊的設(shè)計方法，通過開發(fā)一系列的子VI，每一個子VI完成對應(yīng)模塊的功能，子VI 與子VI 之間環(huán)環(huán)相扣，共同完成整個上位機的功能。簡要的開發(fā)過程如下：在程序框圖的最外層使用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，將順序結(jié)構(gòu)設(shè)置為4 幀，并從第1 幀到第4 幀依次先后分別命名為初始化控件、讀取系統(tǒng)設(shè)置與說明信息、讀取運動軌跡設(shè)置信息和主控循環(huán)。其中，主控循環(huán)這一幀的程序框圖又劃分為用戶登錄管理、測量通道標定、手動移位操作、運動軌跡設(shè)置、定位原點和和移至測量起點、啟動數(shù)據(jù)采集、保存數(shù)據(jù)和緊急停止子程序7 部分。部分程序框圖如圖6 所示。

5 系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)在動態(tài)測量方面的可靠性、處理采集數(shù)據(jù)的實時性、運動控制和數(shù)據(jù)采集同步運行的穩(wěn)定性，在實驗室環(huán)境下分別對空心圓柱形永磁體的三維磁場、超導(dǎo)體與永磁體之間的三維磁力進行了實際測試，具體測試流程如下：

（1）首先，進行磁場測試，選用外徑為45 mm，內(nèi)徑為5 mm的空心圓柱形永磁體作為測試對象；

（2）接線組裝搭建測試系統(tǒng)，開啟系統(tǒng)各模塊供電開關(guān)；

（3）啟動main.vi主程序，運行上位機軟件，按照預(yù)定的操作步驟，操作上位機界面的各控件按鈕，測試機構(gòu)的三維霍爾探頭以Z型的運動軌跡、設(shè)定10 mm／s的運動速度、2 mm／ s的采集速度，在距測試對象上表面1 mm處的50 mm×50 mm的掃描平面內(nèi)進行三維磁場測量試驗，掃描結(jié)束后，保存數(shù)據(jù)至Excel 表，并利用Matlab軟件進行數(shù)據(jù)處理，處理后的分布結(jié)果如圖7 所示。

圖6 部分程序框圖

圖7 距空心圓柱形永磁體上表面1mm的掃描平面內(nèi)磁場分布圖

（4）進行磁力測試，選用直徑為20 mm，厚度為12 mm的單疇GdBCO超導(dǎo)體和外徑為45 mm，內(nèi)徑為2 mm的空心圓柱形永磁體作為測試對象；

（5）往超導(dǎo)體容器內(nèi)連續(xù)倒入液氮，大約10 min后，超導(dǎo)體被冷卻至77 K 超導(dǎo)態(tài)，此時讓測試機構(gòu)的磁力傳感器從垂直高度距超導(dǎo)體50 mm的初位置處，沿著超導(dǎo)體的中心軸線向下運動至距超導(dǎo)體的垂直高度為2 mm 時，反方向返回至初位置，運動結(jié)束后，保存數(shù)據(jù)至Excel 表，并利用Origin 軟件對Z 軸磁力數(shù)據(jù)進行處理，處理后的結(jié)果如圖8 所示。

無論是磁場測試，還是磁力測試，在整個試驗過程中，系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定，觀察到上位機軟件的各功能模塊均正常運行，效果明顯。圖9 為上位機界面的運行效果，下位機的實現(xiàn)圖略。

6 結(jié) 語

圖8 空心圓柱形永磁體與超導(dǎo)體之間的磁力與垂直高度的關(guān)系曲線

圖9 上位機運行界面

本文根據(jù)超低溫環(huán)境下三維磁場與磁力測試的具體要求，利用運動控制技術(shù)和三維測試技術(shù)，通過PCIe-6341 和LabVIEW軟硬結(jié)合的方式，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集與運動控制協(xié)同工作的三維磁場與磁力測試系統(tǒng)，經(jīng)過實驗測試和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)既能對測試機構(gòu)進行運動控制，也能同步進行三維磁性信息的動態(tài)多點連續(xù)采集，系統(tǒng)運動控制的魯棒性較高且測試結(jié)果具有一定的精度，滿足國標要求。相比于傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法，本系統(tǒng)的開發(fā)周期短，性價比高，維護方便，通用性和可擴展性好，在宏觀磁性測量領(lǐng)域中有很好的使用價值，并且可以加入融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)PID控制方法，使系統(tǒng)的運動控制更加智能化。