基于單片機(jī)的數(shù)字正弦機(jī)研制

 在伺服系統(tǒng)的調(diào)試過程中，需要能夠準(zhǔn)確發(fā)送各種測試信號的正弦機(jī)。但通常使用的機(jī)電正弦機(jī)具有難以克服的機(jī)械傳動空回、死區(qū)及波形失真和漂移、裝訂參數(shù)可重復(fù)性差等缺點。
       為了克服以上缺點，作者開發(fā)了8098數(shù)字正弦機(jī)。
       1　硬件組成
　　8098數(shù)字正弦機(jī)采用MCS-96系列8098單片機(jī)［1，2］（也可選用兼容的80C196單片機(jī)）和5VASZZ系列DSC模塊，以軟件方法產(chǎn)生階躍、等速、周期等速和正弦等信號，通過8255直接16位數(shù)字輸出，或分精粗各12位數(shù)字量分送兩個DSC轉(zhuǎn)化為三相模擬電壓雙通道輸出。在此過程中，利用8279顯示和控制正弦機(jī)的運行狀態(tài)。8098數(shù)字正弦機(jī)的硬件組成框圖如圖1。

圖1　8098數(shù)池正弦機(jī)硬件組成框圖
        2　軟件實現(xiàn)
　　8098數(shù)字正弦機(jī)的大部分功能是利用8098的匯編語言編程實現(xiàn)的，其軟件功能框圖如圖2所示。

圖2　8098數(shù)字正弦機(jī)軟件功能框圖
　　2.1　信號的產(chǎn)生
　　
      下面以正弦信號的產(chǎn)生為例說明這部分的設(shè)計思想。

       2.1.1　算法　
       正弦運動的實現(xiàn)實質(zhì)上是按給定周期的正弦函數(shù)值，在單位時間送位置偏移置y，然后加上正弦的基值y0，即可得到繞基值按正弦規(guī)律變化的位置量A0。由于內(nèi)存有限，且為了簡化程序，設(shè)計中采用先計算出1/4個周期的正弦曲線，再通過銜接處理得到整個周期正弦曲線的方法。其中位置偏移量的計算是根據(jù)裝訂的正弦周期值T，計算出單位幅值標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線，然后用裝訂的正弦幅值M乘以每個計算點對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正弦值x，即可得到按正弦規(guī)律變化的位置偏移量。
　　
        2.1.2 　正弦引導(dǎo)　
       為保證被測伺服系統(tǒng)按正弦幅值平穩(wěn)變化，在正弦運動起始段與結(jié)束段均設(shè)計了正弦幅值的引導(dǎo)程序。下面以起始引導(dǎo)為例加以說明：根據(jù)裝訂的正弦周期值T計算出需要引導(dǎo)的點數(shù)N，從第一點（n=0）開始，正弦的幅值m從0開始按比例線性增加，直至最后一點（n=N），恰好使得此時的m等于裝訂的正弦幅值M，這就完成了引導(dǎo)（結(jié)束引導(dǎo)是反過來從M開始線性遞減至0）。8098數(shù)字正弦機(jī)規(guī)定引導(dǎo)一個周期。正弦引導(dǎo)的算法公式為
N=400T,    （1）
m=Mn/N，（n由0到N變化）,    （2）
y=mx,    （3）
A0=y0±y。    （4）
　　在引導(dǎo)的正半個周期，式（4）“+”號有效；負(fù)半個周期“-”號有效。正弦引導(dǎo)曲線示意圖如圖3所示。

圖3　正弦引導(dǎo)曲線示意圖
       2.2　限位工作方式
　　
        在階躍、等速（包括周期等速）及正弦等運動執(zhí)行過程中，均可采用限位工作方式。用戶可在0～360°的范圍內(nèi)，任意裝訂上、下兩個限位值α,β，則正弦機(jī)只能在從β逆時針至α的范圍內(nèi)運行。當(dāng)運行到限位值時，正弦機(jī)送數(shù)便自動停止在限位位置。這種限位工作方式為角度受限伺服系統(tǒng)的調(diào)試提供了保護(hù)作用。
       3　調(diào)　試
　　8098數(shù)字正弦機(jī)的調(diào)試分為實驗室調(diào)試和現(xiàn)場系統(tǒng)聯(lián)調(diào)兩個階段。在實驗室調(diào)試中，為了檢驗正弦機(jī)是否工作正常，采用了兩種不同的方式：
　　
       ① 用ATD98D單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的繪圖功能。ATD98D單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)具有繪圖功能，能將內(nèi)存0～FFFFH中的數(shù)據(jù)簡單描繪出來。調(diào)試時，在程序16位數(shù)字量輸出之前，將其先存儲于從C000H開始的單元中。這樣每執(zhí)行完一種運動，便能描繪出輸出的位置曲線，可以直觀地觀察這種運動曲線是否正確。如有錯誤，可及時修改程序再次執(zhí)行，重新繪出曲線觀察，直至無誤。這種方法應(yīng)用于調(diào)試前期非常方便。
　　
        ② 用示波器測量結(jié)合圖解法。利用日立V-134可記憶型示波器可以方便地觀測到正弦機(jī)在執(zhí)行各種運動時，精粗雙通道DSC模塊的三相輸出電壓隨時間變化的波形。根據(jù)裝訂的各參數(shù)值，可以得到正弦機(jī)在各種運動時的位置量隨時間變化的曲線以及DSC模塊的三相輸出電壓隨位置量變化的曲線，這樣就可以用圖解法求出理論的DSC模塊三相輸出電壓值與時間之間的變化規(guī)律曲線。通過比較示波器實際觀測到的波形與圖解出的理論曲線是否一致，便可確定正弦機(jī)是否工作正常。正弦運動參數(shù)為M=90°，T=6s時，利用圖解法得到的粗通道DSC模塊的輸出電壓隨時間變化的曲線圖（A相、B相）如圖4所示。

 （a）DSC三相輸出電壓隨位置變化曲線

（b）位置量隨時間變化曲線

（c）DSC輸出隨時間變化曲線
                      圖4　正弦粗通道DSC輸出與時間之間的曲線圖解原理
       4　結(jié)　論
　　經(jīng)兩種實驗方法測試正常后，8098數(shù)字正弦機(jī)于1996年7月在重慶望江機(jī)器總廠通過現(xiàn)場聯(lián)調(diào)。結(jié)果表明，8098數(shù)字正弦機(jī)各項指標(biāo)均達(dá)到要求，且發(fā)送信號的誤差明顯小于機(jī)電正弦機(jī)，并克服了原有機(jī)電正弦機(jī)的許多缺點，功能齊全、運行可靠、操作簡便、通用性強、體積小、重量輕，是調(diào)試、驗收伺服系統(tǒng)特性的一種理想工具。