引言
在计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）作为当前自动化仪表领域研究的热点，正越来越受到人们的广泛关注。随着科学技术的不断发展，传统仪器日益暴露出一些缺陷和不足。为了改善实验条件、降低实验成本、更新实验内容，把虚拟仪器引入实验教学已成为一种必然趋势。对于虚拟仪器应用于高校实验教学，目前仍处于起步阶段，但其显著的经济性和实用性已显示出其巨大的优势和潜力。近年来，由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室已成为可能，远程教育的学习者通过网络进行远程实验也为时不远。随着虚拟仪器的产生和发展，将带来新型实验方式的产生，推动教育方式的重大转变。
利用虚拟仪器技术开发虚拟示波器是各个领域的工程技术人员一直在从事的研究课题，其中涉及的内容一般都是参考一台物理示波器，通过编程开发出与物理示波器界面和功能相同的虚拟示波器，完全代替传统示波器。虚拟示波不是使用示波管或荧光屏来显示波形，而是使用功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同的方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果，完成各种规模的测量任务。
目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。交流伺服电机属于航海设备中使用最频繁的电机，也是其中故障率较高的电机，参数稍微发生变化就会引起系统的抖动，严重影响航行安全。对其进行性能测试，对于提高舰船航海设备的维修保障能力有着重要的意义，其中转速是一个重要性能参数。
1、系统组成及信号流程
本文所设计的转速测试系统主要包括以下几个部分：工控机、数据采集卡PCI－6251、驱动放大单元和红外对管等。控制系统组成框图如图1所示：
图1控制系统组成框图
伺服电机（激磁电压U3，控制电压U4）测试信号流程包括5部分：
(1)工控机通过数据采集卡PCI－6251的AO0和AO1（模拟输出）输出两路严格同相交流信号U1和U2；
(2)U1、U2经驱动放大单元进行电压和功率放大为U3、U4；
(3)U3、U4分别连接到交流伺服电机的激磁端和控制端，电机开始转动；
(4)电机转动带动连接在其中轴上的自制齿轮盘转动，齿轮盘上的牙齿会间断性遮挡在红外对管的二极（5）管发射极和三极管接收极之间，使得三极管输出脉冲信号；
(5)脉冲信号传输至数据采集卡PCI－6251的AI（模拟输入），并以波形方式显示在工控机上，同时通过程序得到交流伺服电机的转速。
2、测速原理
2.1红外对管
红外对管是红外发射管和红外接收管的统称，它是一种在自动检测和自动控制中常用到的光电传感器，本文所使用的是东芝红外对管即由一个红外发射二极管和一个红外敏感管组成。其基本工作原理如图2所示。
图2红外对管的工作原理
红外二极管发出一定波长的红外辐射。当发射管和接收管之间没有障碍物时，红外敏感三极管由于接收到红外辐射而导通，输出电平为低；当发射管和接收管之间有障碍物时，红外敏感三极管截止，输出电平为高，因而利用其输出电平的高低很容易判断红外对管之间有无障碍物。图2中，RL用来调节红外二极管发射的红外光的强度，RE用来调节红外三极管的接收灵敏度。
2.2脉冲信号产生与采集
把自制的带有60个牙齿的齿轮盘固连电机中轴上，通过工装，把齿轮盘的外沿固定于红外对管的发射极和接收极之间，如图3所示。
图3工装示意图
伺服电机加上激磁和控制电压，中轴带动齿轮盘匀速旋转，其外沿的牙齿会间断性地遮挡在红外对管的发射极和接收极之间，使其产生脉冲信号。使用PCI－6251的AI测量脉冲信号，计算脉冲个数，达到计算转速的目的。
式中，V为转速（单位：转/分），n为5s内采集的脉冲数，k为齿轮盘牙齿个数。
3、电机驱动
伺服电机转速测试过程中，首先需要给电机提供激磁和控制电压（两者之间需要有90°的相位差）。由于在离线状态下检测电机，没有现成的工作电压供使用，而且本文中测试的是进口电机，配套的进口驱动器价格昂贵，所以使用的是自行研制的伺服电机驱动器。
程控伺服电机驱动器主要由数据采集卡PCI－6251和驱动放大单元组成。由于6251输出的信号电压峰值为10V，功率也很小，所以不足直接提供交流伺服电机的激磁和控制电压，必须通过驱动放大单元对AO口发出的信号进行电压及功率的放大。驱动放大单元中有两路结构相似的电路，一路用于激磁电压的放大，另一路用于控制电压的放大。激磁和控制电压之间90°的相位差，通过放大板中的电容实现。
4、系统软件设计
4.1虚拟仪器介绍
虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术结合的产物，是当今计算机辅助测试域的一项重要技术。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源二者的有效结合。
LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境，以LabVIEW为代表的图形化程序语言，又称为“G”语言。它尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念，为实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途径。
在前面板中，左边下拉菜单中选择被测电机型号，点击“启动”按钮，程序运行。AI采集到的红外对管脉冲信号显示在中间的波形图中，电机的转速以码表和数字两种方式显示。同时在左中部的“测试结果”中显示交流伺服电机转速是否合格。前面板如图4所示。
图4前面板
4.2系统软件设计
4.2.1软件流程图
开始测试后，首先选择被测电机型号，然后AO输出信号。延时2s，电机工作稳定后，AI测量红外对管脉冲信号，经换算后得到实际转速数值，为了提高测试精度，这个过程循环5次，最后取5次测量转速的均值。判断测量值是否在理想值范围内，如果在范围内，电机转速合格，反之，为不合格。软件流程图如图5所示。
图5系统软件流程图
4.2.2程序设计
(1)控制信号产生
程序控制数据采集卡PCI－6251的AO0、AO1产生两路指定电压和频率400Hz的正弦信号。
在程序图6中，DAQmxCreateChannel（创建通道）设置为AO0、AO1，最大最小电压设置为＋10V和－10V；DAQTiming（采样时钟频率）设置为生成波形的时间，samplemode（样本模式）设置为ContinuousSample（连续样本）；DAQWrite（产生样本）设置为产生两路分别为4V400Hz和2V400Hz的正旋信号。
图6控制信号产生程序
(2)脉冲信号采集
伺服电机工作后，红外对管输出端发出脉冲，这个脉冲由数据采集卡PCI－6251的AI口采集。在程序图7中，输入端子配置为Differential（差分输入），采样模式为ContinuousSamples（连续样本），采样率为1000000。DAQmxRead设置为AnalogWfm1ChanNSamp（单通道多采样模拟波形），采集到的就是一个脉冲波形。
图7脉冲信号采集程序
(3)转速换算
采集到脉冲信号后就是分析处理波形，得到脉冲个数。因为脉冲信号会受到干扰，所以首先对脉冲波形数字FIR滤波；然后计算脉冲个数。如图8所示。
图8脉冲个数计算程序
5、结论
本文通过用LabVIEW软件编程，借助PCI－6251的AO口发出信号，经驱动放大单元处理后驱动电机运动，经数据采集卡PCI－6251的AI测量，经程序换算后，达到测量伺服电机转速的目的。本文中对交流伺服电机的驱动方法，以及测量电机转速的方法已在具体工程中得到应用，效果良好。
本文通过用LabVIEW软件编程，借助PCI－6251的AO口发出信号，经驱动放大单元处理后驱动电机运动，经数据采集卡PCI－6251的AI测量，经程序换算后，达到测量伺服电机转速的目的。本文中对交流伺服电机的驱动方法，以及测量电机转速的方法已在具体工程中得到应用，效果良好。
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