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摘要　目的　研制一種結(jié)構(gòu)和電氣性能更優(yōu)的數(shù)字式正弦機(jī)。
方法　采用8098單片機(jī)，用軟件方法產(chǎn)生高精度的階躍、等速、正弦和周期等速等信號(hào)，然后采用DSC模塊(即數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之成為伺服系統(tǒng)所需的自整角機(jī)的三線模擬電壓輸出。
結(jié)果　這種基于單片機(jī)的新型數(shù)字正弦機(jī)功能齊備，克服了機(jī)電正弦機(jī)在結(jié)構(gòu)和電氣上所固有的缺點(diǎn)。
結(jié)論　經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，證明本文所述數(shù)字正弦機(jī)能夠完全滿足伺服系統(tǒng)調(diào)試的各項(xiàng)要求，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕、體積小，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞　數(shù)字正弦機(jī)；數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器；限位工作方式
分類號(hào)　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

在伺服系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中，需要能夠準(zhǔn)確發(fā)送各種測(cè)試信號(hào)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(dòng)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(diǎn)。為了克服以上缺點(diǎn)，作者開(kāi)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(hào)，通過(guò)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(gè)DSC轉(zhuǎn)化為三相模擬電壓雙通道輸出。在此過(guò)程中，利用8279顯示和控制正弦機(jī)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)

　　8098數(shù)字正弦機(jī)的大部分功能是利用8098的匯編語(yǔ)言編程實(shí)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(hào)的產(chǎn)生
　　下面以正弦信號(hào)的產(chǎn)生為例說(shuō)明這部分的設(shè)計(jì)思想。
2.1.1　算法　正弦運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是按給定周期的正弦函數(shù)值，在單位時(shí)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(jiǎn)化程序，設(shè)計(jì)中采用先計(jì)算出1/4個(gè)周期的正弦曲線，再通過(guò)銜接處理得到整個(gè)周期正弦曲線的方法。其中位置偏移量的計(jì)算是根據(jù)裝訂的正弦周期值T，計(jì)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(gè)計(jì)算點(diǎn)對(duì)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(cè)伺服系統(tǒng)按正弦幅值平穩(wěn)變化，在正弦運(yùn)動(dòng)起始段與結(jié)束段均設(shè)計(jì)了正弦幅值的引導(dǎo)程序。下面以起始引導(dǎo)為例加以說(shuō)明：根據(jù)裝訂的正弦周期值T計(jì)算出需要引導(dǎo)的點(diǎn)數(shù)N，從第一點(diǎn)(n=0)開(kāi)始，正弦的幅值m從0開(kāi)始按比例線性增加，直至最后一點(diǎn)(n=N)，恰好使得此時(shí)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(guò)來(lái)從M開(kāi)始線性遞減至0)。8098數(shù)字正弦機(jī)規(guī)定引導(dǎo)一個(gè)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(gè)周期，式(4)“+”號(hào)有效；負(fù)半個(gè)周期“-”號(hào)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(yùn)動(dòng)執(zhí)行過(guò)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(gè)限位值α,β，則正弦機(jī)只能在從β逆時(shí)針至α的范圍內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行到限位值時(shí)，正弦機(jī)送數(shù)便自動(dòng)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(shí)驗(yàn)室調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)兩個(gè)階段。在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試中，為了檢驗(yàn)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(kāi)發(fā)系統(tǒng)的繪圖功能。ATD98D單片機(jī)開(kāi)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(jiǎn)單描繪出來(lái)。調(diào)試時(shí)，在程序16位數(shù)字量輸出之前，將其先存儲(chǔ)于從C000H開(kāi)始的單元中。這樣每執(zhí)行完一種運(yùn)動(dòng)，便能描繪出輸出的位置曲線，可以直觀地觀察這種運(yùn)動(dòng)曲線是否正確。如有錯(cuò)誤，可及時(shí)修改程序再次執(zhí)行，重新繪出曲線觀察，直至無(wú)誤。這種方法應(yīng)用于調(diào)試前期非常方便。
　�、� 用示波器測(cè)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(cè)到正弦機(jī)在執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)時(shí)，精粗雙通道DSC模塊的三相輸出電壓隨時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)的位置量隨時(shí)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(shí)間之間的變化規(guī)律曲線。通過(guò)比較示波器實(shí)際觀測(cè)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(yùn)動(dòng)參數(shù)為M=90°，T=6s時(shí)，利用圖解法得到的粗通道DSC模塊的輸出電壓隨時(shí)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(shí)間變化曲線

(c)DSC輸出隨時(shí)間變化曲線

圖4　正弦粗通道DSC輸出與時(shí)間之間的曲線圖解原理

4　結(jié)　論

經(jīng)兩種實(shí)驗(yàn)方法測(cè)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)。結(jié)果表明，8098數(shù)字正弦機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求，且發(fā)送信號(hào)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(diǎn)，功能齊全、運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)、體積小、重量輕，是調(diào)試、驗(yàn)收伺服系統(tǒng)特性的一種理想工具。