引言

在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，已是大勢(shì)所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)進(jìn)行融合的產(chǎn)物，虛擬儀器（VirtualInstrument，簡(jiǎn)稱VI）作為當(dāng)前自動(dòng)化儀表領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，正越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)儀器日益暴露出一些缺陷和不足。為了改善實(shí)驗(yàn)條件、降低實(shí)驗(yàn)成本、更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，把虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為一種必然趨勢(shì)。對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，目前仍處于起步階段，但其顯著的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性已顯示出其巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力。近年來(lái)，由于虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室已成為可能，遠(yuǎn)程教育的學(xué)習(xí)者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)也為時(shí)不遠(yuǎn)。隨著虛擬儀器的產(chǎn)生和發(fā)展，將帶來(lái)新型實(shí)驗(yàn)方式的產(chǎn)生，推動(dòng)教育方式的重大轉(zhuǎn)變。

利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)虛擬示波器是各個(gè)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員一直在從事的研究課題，其中涉及的內(nèi)容一般都是參考一臺(tái)物理示波器，通過(guò)編程開發(fā)出與物理示波器界面和功能相同的虛擬示波器，完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)示波器。虛擬示波不是使用示波管或熒光屏來(lái)顯示波形，而是使用功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)來(lái)完成信號(hào)的處理和波形的顯示，利用軟件技術(shù)在屏幕上設(shè)計(jì)出方便、逼真的儀器面板，進(jìn)行各種信號(hào)的處理、加工和分析，用各種不同的方式（如數(shù)據(jù)、圖形、圖表等）表示測(cè)量結(jié)果，完成各種規(guī)模的測(cè)量任務(wù)。

目前，伺服控制系統(tǒng)不僅在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，而且在許多高科技領(lǐng)域，如激光加工、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、大規(guī)模集成電路制造、辦公自動(dòng)化設(shè)備、衛(wèi)星姿態(tài)控制、雷達(dá)和各種軍用武器隨動(dòng)系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)以及自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中的應(yīng)用也迅速發(fā)展。交流伺服電機(jī)屬于航海設(shè)備中使用最頻繁的電機(jī)，也是其中故障率較高的電機(jī)，參數(shù)稍微發(fā)生變化就會(huì)引起系統(tǒng)的抖動(dòng)，嚴(yán)重影響航行安全。對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)于提高艦船航海設(shè)備的維修保障能力有著重要的意義，其中轉(zhuǎn)速是一個(gè)重要性能參數(shù)。

1、系統(tǒng)組成及信號(hào)流程

本文所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡PCI－6251、驅(qū)動(dòng)放大單元和紅外對(duì)管等?？刂葡到y(tǒng)組成框圖如圖1所示：

圖1控制系統(tǒng)組成框圖

伺服電機(jī)（激磁電壓U3，控制電壓U4）測(cè)試信號(hào)流程包括5部分：

(1)工控機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡PCI－6251的AO0和AO1（模擬輸出）輸出兩路嚴(yán)格同相交流信號(hào)U1和U2；

(2)U1、U2經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大單元進(jìn)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(jī)的激磁端和控制端，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)；

(4)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連接在其中軸上的自制齒輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪盤上的牙齒會(huì)間斷性遮擋在紅外對(duì)管的二極（5）管發(fā)射極和三極管接收極之間，使得三極管輸出脈沖信號(hào)；

(5)脈沖信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集卡PCI－6251的AI（模擬輸入），并以波形方式顯示在工控機(jī)上，同時(shí)通過(guò)程序得到交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2、測(cè)速原理

2.1紅外對(duì)管

紅外對(duì)管是紅外發(fā)射管和紅外接收管的統(tǒng)稱，它是一種在自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制中常用到的光電傳感器，本文所使用的是東芝紅外對(duì)管即由一個(gè)紅外發(fā)射二極管和一個(gè)紅外敏感三級(jí)管組成。其基本工作原理如圖2所示。

圖2紅外對(duì)管的工作原理

紅外二極管發(fā)出一定波長(zhǎng)的紅外輻射。當(dāng)發(fā)射管和接收管之間沒有障礙物時(shí)，紅外敏感三極管由于接收到紅外輻射而導(dǎo)通，輸出電平為低；當(dāng)發(fā)射管和接收管之間有障礙物時(shí)，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(duì)管之間有無(wú)障礙物。圖2中，RL用來(lái)調(diào)節(jié)紅外二極管發(fā)射的紅外光的強(qiáng)度，RE用來(lái)調(diào)節(jié)紅外三極管的接收靈敏度。

2.2脈沖信號(hào)產(chǎn)生與采集

把自制的帶有60個(gè)牙齒的齒輪盤固連電機(jī)中軸上，通過(guò)工裝，把齒輪盤的外沿固定于紅外對(duì)管的發(fā)射極和接收極之間，如圖3所示。

圖3工裝示意圖

伺服電機(jī)加上激磁和控制電壓，中軸帶動(dòng)齒輪盤勻速旋轉(zhuǎn)，其外沿的牙齒會(huì)間斷性地遮擋在紅外對(duì)管的發(fā)射極和接收極之間，使其產(chǎn)生脈沖信號(hào)。使用PCI－6251的AI測(cè)量脈沖信號(hào)，計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)，達(dá)到計(jì)算轉(zhuǎn)速的目的。

式中，V為轉(zhuǎn)速（單位：轉(zhuǎn)/分），n為5s內(nèi)采集的脈沖數(shù)，k為齒輪盤牙齒個(gè)數(shù)。

3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)

伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試過(guò)程中，首先需要給電機(jī)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(tài)下檢測(cè)電機(jī)，沒有現(xiàn)成的工作電壓供使用，而且本文中測(cè)試的是進(jìn)口電機(jī)，配套的進(jìn)口驅(qū)動(dòng)器價(jià)格昂貴，所以使用的是自行研制的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

程控伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要由數(shù)據(jù)采集卡PCI－6251和驅(qū)動(dòng)放大單元組成。由于6251輸出的信號(hào)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(jī)的激磁和控制電壓，必須通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大單元對(duì)AO口發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行電壓及功率的放大。驅(qū)動(dòng)放大單元中有兩路結(jié)構(gòu)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(guò)放大板中的電容實(shí)現(xiàn)。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1虛擬儀器介紹

虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試域的一項(xiàng)重要技術(shù)。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器與測(cè)控系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源二者的有效結(jié)合。

LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開發(fā)環(huán)境，以LabVIEW為代表的圖形化程序語(yǔ)言，又稱為“G”語(yǔ)言。它盡可能利用工程技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，為實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供便捷途徑。

在前面板中，左邊下拉菜單中選擇被測(cè)電機(jī)型號(hào)，點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，程序運(yùn)行。AI采集到的紅外對(duì)管脈沖信號(hào)顯示在中間的波形圖中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速以碼表和數(shù)字兩種方式顯示。同時(shí)在左中部的“測(cè)試結(jié)果”中顯示交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速是否合格。前面板如圖4所示。

圖4前面板

4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.2.1軟件流程圖

開始測(cè)試后，首先選擇被測(cè)電機(jī)型號(hào)，然后AO輸出信號(hào)。延時(shí)2s，電機(jī)工作穩(wěn)定后，AI測(cè)量紅外對(duì)管脈沖信號(hào)，經(jīng)換算后得到實(shí)際轉(zhuǎn)速數(shù)值，為了提高測(cè)試精度，這個(gè)過(guò)程循環(huán)5次，最后取5次測(cè)量轉(zhuǎn)速的均值。判斷測(cè)量值是否在理想值范圍內(nèi)，如果在范圍內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速合格，反之，為不合格。軟件流程圖如圖5所示。

圖5系統(tǒng)軟件流程圖

4.2.2程序設(shè)計(jì)

(1)控制信號(hào)產(chǎn)生

程序控制數(shù)據(jù)采集卡PCI－6251的AO0、AO1產(chǎn)生兩路指定電壓和頻率400Hz的正弦信號(hào)。

在程序圖6中，DAQmxCreateChannel（創(chuàng)建通道）設(shè)置為AO0、AO1，最大最小電壓設(shè)置為＋10V和－10V；DAQTiming（采樣時(shí)鐘頻率）設(shè)置為生成波形的時(shí)間，samplemode（樣本模式）設(shè)置為ContinuousSample（連續(xù)樣本）；DAQWrite（產(chǎn)生樣本）設(shè)置為產(chǎn)生兩路分別為4V400Hz和2V400Hz的正旋信號(hào)。

圖6控制信號(hào)產(chǎn)生程序

(2)脈沖信號(hào)采集

伺服電機(jī)工作后，紅外對(duì)管輸出端發(fā)出脈沖，這個(gè)脈沖由數(shù)據(jù)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(xù)樣本），采樣率為1000000。DAQmxRead設(shè)置為AnalogWfm1ChanNSamp（單通道多采樣模擬波形），采集到的就是一個(gè)脈沖波形。

圖7脈沖信號(hào)采集程序

(3)轉(zhuǎn)速換算

采集到脈沖信號(hào)后就是分析處理波形，得到脈沖個(gè)數(shù)。因?yàn)槊}沖信號(hào)會(huì)受到干擾，所以首先對(duì)脈沖波形數(shù)字FIR濾波；然后計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)。如圖8所示。

圖8脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算程序

5、結(jié)論

本文通過(guò)用LabVIEW軟件編程，借助PCI－6251的AO口發(fā)出信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大單元處理后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡PCI－6251的AI測(cè)量，經(jīng)程序換算后，達(dá)到測(cè)量伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。本文中對(duì)交流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法，以及測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法已在具體工程中得到應(yīng)用，效果良好。

本文通過(guò)用LabVIEW軟件編程，借助PCI－6251的AO口發(fā)出信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大單元處理后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡PCI－6251的AI測(cè)量，經(jīng)程序換算后，達(dá)到測(cè)量伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。本文中對(duì)交流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法，以及測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法已在具體工程中得到應(yīng)用，效果良好。

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