基于单片机的数字正弦机研制

摘要　目的　研制一种结构和电气性能更优的数字式正弦机。
      方法　采用8098单片机，用软件方法产生高精度的阶跃、等速、正弦和周期等速等信号，然后采用DSC模块（即数字-自整角机转换器）进行转换，使之成为伺服系统所需的自整角机的三线模拟电压输出。
       结果　这种基于单片机的新型数字正弦机功能齐备，克服了机电正弦机在结构和电气上所固有的缺点。
       结论　经实验室测试及系统联调，证明本文所述数字正弦机能够完全满足伺服系统调试的各项要求，且结构简单、工作可靠、重量轻、体积小，具有良好的应用前景。
分类号　TP271

A Digital Sinusoidal Signal Generator Based on the Single Chip Processor

He Chao　　Zhang Yuhe
（Department of Automatic Control, Beijing Institute of Technology, Beijing　100081）

Abstract　Aim　To manufacture a kind of digital sinusoidal signal generator with the better structure ａnd electric performance. Methods　All kinds of the high-precision digital signals such as step, uniform, sinusoidal, period uniform signal ａnd so on were generated by 8098 single chip processor with the software method, then the digital-to-synchro converters （DSC） were used to convert the digital signal into the three-phase analogous voltage output of the synchro which is needed by the servo system. Results　The shortcomings in the structure ａnd the electric performance of the mechano-electronic sinusoidal signal generator have been successfully overcome by this new type of multifunctional digital sinusoidal signal generator. Conclusion　The results of the laboratory experiments ａnd the real system t ests show that the generator presented in this paper, which has the simple structur e, light weight ａnd small volume, can completely meet the needs of the debugging of the servo system, ａnd it is reliable ａnd has the promising applicable prospect.
Key words　digital sinusoidal signal generator; digital-to-synchro converters（DSC）; position limiting work

　　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。#p#分页标题#e#

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。#p#分页标题#e#

（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。