陈章龙， 马 俊， 陈博行， 方卫强， 张凌飞

（1.广东茂名农林科技职业学院机电工程系，广东茂名，525000；2.青海师范大学计算机学院，西宁810008）

0 引 言

铜氧化物系列高温超导体因其具有良好的物理性能，在磁悬浮搬运系统和磁悬浮轨道交通等领域具有广泛应用［1-3］，是目前最有希望作为超导磁悬浮实用化的材料之一，其和永磁体之间的磁悬浮力特性是超导磁悬浮系统设计和应用的基础，直接决定了超导磁悬浮技术的成熟程度。磁场与磁力测量技术是研究磁悬浮力特性的重要技术手段，通过先进的测量技术获得高质量的实验数据，并对测量结果进行分析，根据分析结果，揭示关键的磁场和磁力变化规律，更科学地研究高温超导机理，为高温超导磁悬浮系统走向实际应用奠定基础。研究先进的磁场和磁力测试技术对促进高温超导磁悬浮的实用化发展，提供可靠的工具支撑，有着重要的意义。目前国内外的磁场与磁力测试系统，多数只能实现常温下一维、二维、静止单点测量，并且测量参数单一［4-6］，这些测量方法，无法全面正确地揭示测试对象的磁场与磁力状况，难以满足连续多点的磁场与磁力测量要求，适应不了高温超导磁悬浮研究领域的三维动态测试趋势。针对这些不足，利用NI PCIe-6341 采集控制卡和自行设计的传感器三维机械结构，进行多通道、多传感的三维数据高速采集和处理，利用LabVIEW外挂的PID控制工具包实现增量式PID算法，通过调用PID控制器子程序，准确算出转速增量、输出增量对应的PWM 波，按设定的运动模式控制受控驱动电动机的运动，带动数据采集子系统，实现运动控制与数据采集的同步运行，快速完成测试对象宏观磁性的三维动态测试任务，为高温超导机理研究提供科学依据。

1 系统总体设计

系统上位机选用LabVIEW 平台开发，下位机以PCIe-6341 数据采集卡作为下位机核心处理器。其中，下位机包括传感器信息采集和运动控制两部分，信息采集主要通过在x、y、z轴上分别设置3 个磁场传感器和3 个磁力传感器完成对模拟信号的采集，经过NI信号调理设备进行滤波放大，送进PCIe-6341 完成A／D转换和进一步计算处理，通过PCIe总线将数据传输到上位机；运动控制通过PCIe-6341 主控模块产生相应频率的步进电机控制波PWM，以实现受控驱动步进电机带动传感器在测量范围内运动的目的，同时，在系统加入反馈支路，实时监测步进电机运动状态，与PCIe-6341 实现运动的闭环控制；上位机可实现对采集数据的实时动态展示及存储，同时，上位机具备精确运动控制和高速数据采集。系统的总体结构如图1 所示。

图1 系统的总体结构

2 传感器的三维结构

2.1 磁场传感器的三维结构

选用HGA-3030 磁场传感器，工作温度范围可达-273.15 ～100 ℃，即使在液氮低温环境下都可以正常启动工作。三维结构选用3 片灵敏度相同的磁场探头，每片磁场探头的感应区域为0.2 mm ×0.2 mm，将这3 片探头先后放置在左平面（X）、前平面（Y）、底平面（Z）三个维度上，互相成90°排列，组成体积为0.2 mm×0.2 mm×0.2 mm的立方体，通过该三维结构的磁场探头，即可同时测得待测对象某点磁感应强度在3 个方向上的分量。

2.2 磁力传感器的三维结构

磁力测量采用具有金属电阻应变效应的SLS410模拟式称重传感器。在紧贴三维磁场探头处安装L形中空测试盒，将3 块灵敏度相同的磁力传感器，分别放置在测试盒直角顶点处空心立体的右侧（X）、前侧（Y）、顶侧上表面（Z）中心位置。3 个磁力传感器互相成90°分布在同一测量点的三个维度，形成三维布置，通过各轴磁力传感器，可同时测出磁性材料之间的磁力在三维空间的分布。

3 下位机软件

系统下位机软件主要由主控板卡的驱动、传感器模块的数据采集、运动控制、信号调理板卡驱动等程序构成。

3.1 主控板卡的驱动程序

PCIe-6341 主控板卡的驱动程序下位机系统软件的核心，它往上为上位机界面程序提供API函数接口，往下通过寄存器访问主控板卡。驱动程序通常遵循先软件后硬件的原则，主要分为3 个步骤：

步骤1启动NI-DAQmx9.1.7 安装程序，完成光盘安装；

步骤2启动MAX工具选择物理通道和配置NIDAQmx任务；

步骤3设置DAQ 助手完成主控板卡硬件资源的分配并测试NI-DAQmx 任务，以确认是否正确配置及按功能运行，开发流程图略。

3.2 增量式PID算法的参数整定

为对测试平台进行实时运动控制，本设计采用增量式PID算法进行闭环控制：

式中：ΔUi为控制增量；KP、KI和KD分别为比例、积分和微分参数；ei-2、ei-1和ei分别是第i -2 次、第i -1次和第i次反馈采样时的偏差值［7-8］。

由式（1）可知，当主控板卡的反馈采样周期恒定时，一旦该模型的3 个参数值KP、KI和KD确定后，只要连续测出前后3 次的速度偏差值ei-2、ei-1和ei，即可得到控制增量。该算法的核心是调出最优的3 个参数值。在PID参数整定过程中，采用试凑法［9］，通过步长和步数设定电动机的运动位移为横向宽度50 mm，并给定目标转速为10 r／s，对应速度值为20 mm／s；根据工程经验，设置不同的PID经验参数，启动测试卡具在水平面内沿直线往返运动，在不同的PID 参数调节下，通过将编码器反馈回来的速度值保存在工控机的文档中，利用Matlab软件绘出不同PID参数下的速度响应曲线，在现场试验中不断地调整修正，逐步确定PID控制器的3 个参数，直至得到满意的输出为止，经过反复调试和修正，最后采用一组最佳的PID参数，KP＝19.12，KI＝4.67，KD＝0.03，其速度响应曲线如图2 所示。由图2 可见，运动控制的超调量是20%，调节时间是150 ms，稳态误差是±0.5%，150 ms后实际速度基本与目标速度相同，最大偏差小于0.1 mm，控速精度为±0.1 mm，满足测试系统运动控制的要求。

图2 速度响应曲线

3.3 运动控制模块的程序

为保证转速测量的准确性以及PWM 调节电动机转速的有效性，采用了定时中断技术，在定时器中断服务子程序中完成转速的计算、增量式PID 算法的实现和PWM 调节电机转速等功能，其程序流程如图3所示。

图3 运动控制程序流程

首先打开主控板卡的总中断，启动定时器和各轴计数器，定时50 ms，各轴计数器接收到编码器的反馈脉冲信号并累加统计，直至定时到达50 ms，进入定时中断，根据统计的脉冲总数，计算出各轴电动机的实际转速和转速偏差，若偏差大于0.1 mm，则将偏差送入增量式PID 模型进行运算处理，进一步再通过PWM调节转速模块，完成电动机转速的调节，最后初始化各轴计数器和定时器，重新定时50 ms，只要偏差仍大于指标要求，就一直进行以上循环，不断调节转速。若转速偏差小于指标要求，则退出本模块程序，进入数据采集子程序。

4 上位机软件

本系统的上位机部分是以“LabVIEW2012”作为开发平台，由前面板界面和后面板程序框图两部分组成［10-15］，其开发过程采用模块化、层次化和层层递进式的设计思想，并融合子VI技术，将其分解成主程序、登录管理、标定前手动移位、手动定位原点、移至测量起点、启动数据采集、保存数据、运动轨迹设置和紧急停止等模块。每个功能模块都对应着一个或者多个子VI，在这9 个功能模块中，主程序模块设置为顶层VI，并保存为main.vi 文件，作为上位机软件执行的入口点，剩余的每个功能模块都是由多个子VI组成的次顶层VI，顶层VI 与次顶层VI 之间，存在先后执行步骤的次序关系，首先从顶层的main.vi 开始执行，然后再从次顶层的登录管理VI、第1 步（手动定位原点）VI一直执行到保存数据VI，从通过执行步骤的先后关系，层层调用不同的子VI，实现预定先后的操作顺序和整个上位机系统的功能。图4 为上位机功能模块结构图，图5 为上位机程序流程图。图5 中，Login 操作为触发登录控件，MTSet 为运动轨迹设置命令，CM 为手动移位命令，Step1 为手动定位原点命令。

图4 上位机功能模块结构

4.1 上位机前面板设计

上位机前面板由用户登录管理、标定前手动移位、运动轨迹设置、启动数据采集前、启动数据采集、保存数据和紧急停止等界面组成，整个开发过程通过调用I／O函数库、计数器／定时器操作函数、各输入控件和显示控件来完成。其前面板界面图略。

图5 上位机程序流程图

4.2 上位机程序框图

在上位机程序框图设计中，采用由顶向下和细分模块的设计方法，通过开发一系列的子VI，每一个子VI完成对应模块的功能，子VI 与子VI 之间环环相扣，共同完成整个上位机的功能。简要的开发过程如下：在程序框图的最外层使用平铺式顺序结构，将顺序结构设置为4 帧，并从第1 帧到第4 帧依次先后分别命名为初始化控件、读取系统设置与说明信息、读取运动轨迹设置信息和主控循环。其中，主控循环这一帧的程序框图又划分为用户登录管理、测量通道标定、手动移位操作、运动轨迹设置、定位原点和和移至测量起点、启动数据采集、保存数据和紧急停止子程序7 部分。部分程序框图如图6 所示。

5 系统测试

为了验证系统在动态测量方面的可靠性、处理采集数据的实时性、运动控制和数据采集同步运行的稳定性，在实验室环境下分别对空心圆柱形永磁体的三维磁场、超导体与永磁体之间的三维磁力进行了实际测试，具体测试流程如下：

（1）首先，进行磁场测试，选用外径为45 mm，内径为5 mm的空心圆柱形永磁体作为测试对象；

（2）接线组装搭建测试系统，开启系统各模块供电开关；

（3）启动main.vi主程序，运行上位机软件，按照预定的操作步骤，操作上位机界面的各控件按钮，测试机构的三维霍尔探头以Z型的运动轨迹、设定10 mm／s的运动速度、2 mm／ s的采集速度，在距测试对象上表面1 mm处的50 mm×50 mm的扫描平面内进行三维磁场测量试验，扫描结束后，保存数据至Excel 表，并利用Matlab软件进行数据处理，处理后的分布结果如图7 所示。

图6 部分程序框图

图7 距空心圆柱形永磁体上表面1mm的扫描平面内磁场分布图

（4）进行磁力测试，选用直径为20 mm，厚度为12 mm的单畴GdBCO超导体和外径为45 mm，内径为2 mm的空心圆柱形永磁体作为测试对象；

（5）往超导体容器内连续倒入液氮，大约10 min后，超导体被冷却至77 K 超导态，此时让测试机构的磁力传感器从垂直高度距超导体50 mm的初位置处，沿着超导体的中心轴线向下运动至距超导体的垂直高度为2 mm 时，反方向返回至初位置，运动结束后，保存数据至Excel 表，并利用Origin 软件对Z 轴磁力数据进行处理，处理后的结果如图8 所示。

无论是磁场测试，还是磁力测试，在整个试验过程中，系统运行非常稳定，观察到上位机软件的各功能模块均正常运行，效果明显。图9 为上位机界面的运行效果，下位机的实现图略。

6 结 语

图8 空心圆柱形永磁体与超导体之间的磁力与垂直高度的关系曲线

图9 上位机运行界面

本文根据超低温环境下三维磁场与磁力测试的具体要求，利用运动控制技术和三维测试技术，通过PCIe-6341 和LabVIEW软硬结合的方式，设计了数据采集与运动控制协同工作的三维磁场与磁力测试系统，经过实验测试和数据分析，系统既能对测试机构进行运动控制，也能同步进行三维磁性信息的动态多点连续采集，系统运动控制的鲁棒性较高且测试结果具有一定的精度，满足国标要求。相比于传统的嵌入式系统设计方法，本系统的开发周期短，性价比高，维护方便，通用性和可扩展性好，在宏观磁性测量领域中有很好的使用价值，并且可以加入融合神经网络的自适应PID控制方法，使系统的运动控制更加智能化。