基于单片机的数字正弦机研制

 在伺服系统的调试过程中，需要能够准确发送各种测试信号的正弦机。但通常使用的机电正弦机具有难以克服的机械传动空回、死区及波形失真和漂移、装订参数可重复性差等缺点。
       为了克服以上缺点，作者开发了8098数字正弦机。
       1　硬件组成
　　8098数字正弦机采用MCS-96系列8098单片机［1，2］（也可选用兼容的80C196单片机）和5VASZZ系列DSC模块，以软件方法产生阶跃、等速、周期等速和正弦等信号，通过8255直接16位数字输出，或分精粗各12位数字量分送两个DSC转化为三相模拟电压双通道输出。在此过程中，利用8279显示和控制正弦机的运行状态。8098数字正弦机的硬件组成框图如图1。

图1　8098数池正弦机硬件组成框图
        2　软件实现
　　8098数字正弦机的大部分功能是利用8098的汇编语言编程实现的，其软件功能框图如图2所示。

图2　8098数字正弦机软件功能框图
　　2.1　信号的产生
　　
      下面以正弦信号的产生为例说明这部分的设计思想。

       2.1.1　算法　
       正弦运动的实现实质上是按给定周期的正弦函数值，在单位时间送位置偏移置y，然后加上正弦的基值y0，即可得到绕基值按正弦规律变化的位置量A0。由于内存有限，且为了简化程序，设计中采用先计算出1/4个周期的正弦曲线，再通过衔接处理得到整个周期正弦曲线的方法。其中位置偏移量的计算是根据装订的正弦周期值T，计算出单位幅值标准正弦曲线，然后用装订的正弦幅值M乘以每个计算点对应的标准正弦值x，即可得到按正弦规律变化的位置偏移量。
　　
        2.1.2 　正弦引导　
       为保证被测伺服系统按正弦幅值平稳变化，在正弦运动起始段与结束段均设计了正弦幅值的引导程序。下面以起始引导为例加以说明：根据装订的正弦周期值T计算出需要引导的点数N，从第一点（n=0）开始，正弦的幅值m从0开始按比例线性增加，直至最后一点（n=N），恰好使得此时的m等于装订的正弦幅值M，这就完成了引导（结束引导是反过来从M开始线性递减至0）。8098数字正弦机规定引导一个周期。正弦引导的算法公式为
N=400T,    （1）
m=Mn/N，（n由0到N变化）,    （2）
y=mx,    （3）
A0=y0±y。    （4）
　　在引导的正半个周期，式（4）“+”号有效；负半个周期“-”号有效。正弦引导曲线示意图如图3所示。

图3　正弦引导曲线示意图
       2.2　限位工作方式
　　
        在阶跃、等速（包括周期等速）及正弦等运动执行过程中，均可采用限位工作方式。用户可在0～360°的范围内，任意装订上、下两个限位值α,β，则正弦机只能在从β逆时针至α的范围内运行。当运行到限位值时，正弦机送数便自动停止在限位位置。这种限位工作方式为角度受限伺服系统的调试提供了保护作用。
       3　调　试
　　8098数字正弦机的调试分为实验室调试和现场系统联调两个阶段。在实验室调试中，为了检验正弦机是否工作正常，采用了两种不同的方式：
　　
       ① 用ATD98D单片机开发系统的绘图功能。ATD98D单片机开发系统具有绘图功能，能将内存0～FFFFH中的数据简单描绘出来。调试时，在程序16位数字量输出之前，将其先存储于从C000H开始的单元中。这样每执行完一种运动，便能描绘出输出的位置曲线，可以直观地观察这种运动曲线是否正确。如有错误，可及时修改程序再次执行，重新绘出曲线观察，直至无误。这种方法应用于调试前期非常方便。
　　
        ② 用示波器测量结合图解法。利用日立V-134可记忆型示波器可以方便地观测到正弦机在执行各种运动时，精粗双通道DSC模块的三相输出电压随时间变化的波形。根据装订的各参数值，可以得到正弦机在各种运动时的位置量随时间变化的曲线以及DSC模块的三相输出电压随位置量变化的曲线，这样就可以用图解法求出理论的DSC模块三相输出电压值与时间之间的变化规律曲线。通过比较示波器实际观测到的波形与图解出的理论曲线是否一致，便可确定正弦机是否工作正常。正弦运动参数为M=90°，T=6s时，利用图解法得到的粗通道DSC模块的输出电压随时间变化的曲线图（A相、B相）如图4所示。

 （a）DSC三相输出电压随位置变化曲线

（b）位置量随时间变化曲线

（c）DSC输出随时间变化曲线
                      图4　正弦粗通道DSC输出与时间之间的曲线图解原理
       4　结　论
　　经两种实验方法测试正常后，8098数字正弦机于1996年7月在重庆望江机器总厂通过现场联调。结果表明，8098数字正弦机各项指标均达到要求，且发送信号的误差明显小于机电正弦机，并克服了原有机电正弦机的许多缺点，功能齐全、运行可靠、操作简便、通用性强、体积小、重量轻，是调试、验收伺服系统特性的一种理想工具。