引言

在計算機和網絡時代，利用計算機和網絡技術對傳統產業進行改造，已是大勢所趨，而虛擬儀器系統正是計算機和網絡技術與傳統的儀器技術進行融合的產物，虛擬儀器（VirtualInstrument，簡稱VI）作為當前自動化儀表領域研究的熱點，正越來越受到人們的廣泛關注。隨著科學技術的不斷發展，傳統儀器日益暴露出一些缺陷和不足。為了改善實驗條件、降低實驗成本、更新實驗內容，把虛擬儀器引入實驗教學已成為一種必然趨勢。對于虛擬儀器應用于高校實驗教學，目前仍處于起步階段，但其顯著的經濟性和實用性已顯示出其巨大的優勢和潛力。近年來，由于虛擬儀器和網絡技術的飛速發展，通過網絡來構建虛擬實驗室已成為可能，遠程教育的學習者通過網絡進行遠程實驗也為時不遠。隨著虛擬儀器的產生和發展，將帶來新型實驗方式的產生，推動教育方式的重大轉變。

利用虛擬儀器技術開發虛擬示波器是各個領域的工程技術人員一直在從事的研究課題，其中涉及的內容一般都是參考一臺物理示波器，通過編程開發出與物理示波器界面和功能相同的虛擬示波器，完全代替傳統示波器。虛擬示波不是使用示波管或熒光屏來顯示波形，而是使用功能強大的微型計算機來完成信號的處理和波形的顯示，利用軟件技術在屏幕上設計出方便、逼真的儀器面板，進行各種信號的處理、加工和分析，用各種不同的方式（如數據、圖形、圖表等）表示測量結果，完成各種規模的測量任務。

目前，伺服控制系統不僅在工農業生產以及日常生活中得到了廣泛的應用，而且在許多高科技領域，如激光加工、機器人、數控機床、大規模集成電路制造、辦公自動化設備、衛星姿態控制、雷達和各種軍用武器隨動系統、柔性制造系統以及自動化生產線等領域中的應用也迅速發展。交流伺服電機屬于航海設備中使用最頻繁的電機，也是其中故障率較高的電機，參數稍微發生變化就會引起系統的抖動，嚴重影響航行安全。對其進行性能測試，對于提高艦船航海設備的維修保障能力有著重要的意義，其中轉速是一個重要性能參數。

1、系統組成及信號流程

本文所設計的轉速測試系統主要包括以下幾個部分：工控機、數據采集卡PCI－6251、驅動放大單元和紅外對管等。控制系統組成框圖如圖1所示：

圖1控制系統組成框圖

伺服電機（激磁電壓U3，控制電壓U4）測試信號流程包括5部分：

(1)工控機通過數據采集卡PCI－6251的AO0和AO1（模擬輸出）輸出兩路嚴格同相交流信號U1和U2；

(2)U1、U2經驅動放大單元進行電壓和功率放大為U3、U4；

(3)U3、U4分別連接到交流伺服電機的激磁端和控制端，電機開始轉動；

(4)電機轉動帶動連接在其中軸上的自制齒輪盤轉動，齒輪盤上的牙齒會間斷性遮擋在紅外對管的二極（5）管發射極和三極管接收極之間，使得三極管輸出脈沖信號；

(5)脈沖信號傳輸至數據采集卡PCI－6251的AI（模擬輸入），并以波形方式顯示在工控機上，同時通過程序得到交流伺服電機的轉速。

2、測速原理

2.1紅外對管

紅外對管是紅外發射管和紅外接收管的統稱，它是一種在自動檢測和自動控制中常用到的光電傳感器，本文所使用的是東芝紅外對管即由一個紅外發射二極管和一個紅外敏感三級管組成。其基本工作原理如圖2所示。

圖2紅外對管的工作原理

紅外二極管發出一定波長的紅外輻射。當發射管和接收管之間沒有障礙物時，紅外敏感三極管由于接收到紅外輻射而導通，輸出電平為低；當發射管和接收管之間有障礙物時，紅外敏感三極管截止，輸出電平為高，因而利用其輸出電平的高低很容易判斷紅外對管之間有無障礙物。圖2中，RL用來調節紅外二極管發射的紅外光的強度，RE用來調節紅外三極管的接收靈敏度。

2.2脈沖信號產生與采集

把自制的帶有60個牙齒的齒輪盤固連電機中軸上，通過工裝，把齒輪盤的外沿固定于紅外對管的發射極和接收極之間，如圖3所示。

圖3工裝示意圖

伺服電機加上激磁和控制電壓，中軸帶動齒輪盤勻速旋轉，其外沿的牙齒會間斷性地遮擋在紅外對管的發射極和接收極之間，使其產生脈沖信號。使用PCI－6251的AI測量脈沖信號，計算脈沖個數，達到計算轉速的目的。

式中，V為轉速（單位：轉/分），n為5s內采集的脈沖數，k為齒輪盤牙齒個數。

3、電機驅動

伺服電機轉速測試過程中，首先需要給電機提供激磁和控制電壓（兩者之間需要有90°的相位差）。由于在離線狀態下檢測電機，沒有現成的工作電壓供使用，而且本文中測試的是進口電機，配套的進口驅動器價格昂貴，所以使用的是自行研制的伺服電機驅動器。

程控伺服電機驅動器主要由數據采集卡PCI－6251和驅動放大單元組成。由于6251輸出的信號電壓峰值為10V，功率也很小，所以不足直接提供交流伺服電機的激磁和控制電壓，必須通過驅動放大單元對AO口發出的信號進行電壓及功率的放大。驅動放大單元中有兩路結構相似的電路，一路用于激磁電壓的放大，另一路用于控制電壓的放大。激磁和控制電壓之間90°的相位差，通過放大板中的電容實現。

4、系統軟件設計

4.1虛擬儀器介紹

虛擬儀器是現代計算機技術和儀器技術結合的產物，是當今計算機輔助測試域的一項重要技術。虛擬儀器是計算機硬件資源、儀器與測控系統硬件資源和虛擬儀器軟件資源二者的有效結合。

LabVIEW是一種圖形化的編程語言和開發環境，以LabVIEW為代表的圖形化程序語言，又稱為“G”語言。它盡可能利用工程技術人員所熟悉的術語、圖標和概念，為實現儀器編程和數據采集系統提供便捷途徑。

在前面板中，左邊下拉菜單中選擇被測電機型號，點擊“啟動”按鈕，程序運行。AI采集到的紅外對管脈沖信號顯示在中間的波形圖中，電機的轉速以碼表和數字兩種方式顯示。同時在左中部的“測試結果”中顯示交流伺服電機轉速是否合格。前面板如圖4所示。

圖4前面板

4.2系統軟件設計

4.2.1軟件流程圖

開始測試后，首先選擇被測電機型號，然后AO輸出信號。延時2s，電機工作穩定后，AI測量紅外對管脈沖信號，經換算后得到實際轉速數值，為了提高測試精度，這個過程循環5次，最后取5次測量轉速的均值。判斷測量值是否在理想值范圍內，如果在范圍內，電機轉速合格，反之，為不合格。軟件流程圖如圖5所示。

圖5系統軟件流程圖

4.2.2程序設計

(1)控制信號產生

程序控制數據采集卡PCI－6251的AO0、AO1產生兩路指定電壓和頻率400Hz的正弦信號。

在程序圖6中，DAQmxCreateChannel（創建通道）設置為AO0、AO1，最大最小電壓設置為＋10V和－10V；DAQTiming（采樣時鐘頻率）設置為生成波形的時間，samplemode（樣本模式）設置為ContinuousSample（連續樣本）；DAQWrite（產生樣本）設置為產生兩路分別為4V400Hz和2V400Hz的正旋信號。

圖6控制信號產生程序

(2)脈沖信號采集

伺服電機工作后，紅外對管輸出端發出脈沖，這個脈沖由數據采集卡PCI－6251的AI口采集。在程序圖7中，輸入端子配置為Differential（差分輸入），采樣模式為ContinuousSamples（連續樣本），采樣率為1000000。DAQmxRead設置為AnalogWfm1ChanNSamp（單通道多采樣模擬波形），采集到的就是一個脈沖波形。

圖7脈沖信號采集程序

(3)轉速換算

采集到脈沖信號后就是分析處理波形，得到脈沖個數。因為脈沖信號會受到干擾，所以首先對脈沖波形數字FIR濾波；然后計算脈沖個數。如圖8所示。

圖8脈沖個數計算程序

5、結論

本文通過用LabVIEW軟件編程，借助PCI－6251的AO口發出信號，經驅動放大單元處理后驅動電機運動，經數據采集卡PCI－6251的AI測量，經程序換算后，達到測量伺服電機轉速的目的。本文中對交流伺服電機的驅動方法，以及測量電機轉速的方法已在具體工程中得到應用，效果良好。

本文通過用LabVIEW軟件編程，借助PCI－6251的AO口發出信號，經驅動放大單元處理后驅動電機運動，經數據采集卡PCI－6251的AI測量，經程序換算后，達到測量伺服電機轉速的目的。本文中對交流伺服電機的驅動方法，以及測量電機轉速的方法已在具體工程中得到應用，效果良好。

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