直流电机实验.md · SunYC/硬件技术基础

# 实验六 直流电机闭环调速实验

**实验目的**

1\. 了解直流电机闭环调速的方法；

2\. 掌握PID 控制规律及算法；

3\. 了解计算机在控制系统中的应用。

**实验设备**

PC机一台，TD-PITC 实验装置一套。

**实验内容**

直流电机闭环调速实验原理如图3-2-1所示。

**![](media/82ae22b28ce05b8e2597138424515283.png)**

**图6-1 直流电机闭环调速实验原理图**

如图6-1所示，人为数字给定直流电机转速，与霍尔测速得到的直流电机转速（反馈量）进行比较，其差值经过PID
运算，将得到控制量并产生PWM脉冲，通过驱动电路控制直流电机的转动，构成直流电机闭环调速控制系统。

实验系统中直流电机电路原理图如图所示。

![](media/d88dfdb6a4878c1f0a4d839ba8980910.emf)

直流电机电路原理图

**实验步骤**

1\. 根据图6-2连接实验线路图；

2.
参考图6-3的流程图编写实验程序，实验参数取值范围见表6-1，检查无误后编译、链接并装入系统；

3\. 点击按钮![](media/c1a5c03d78bd2cabca719d94b004fbf5.png)，启动Wnd86
专用图形界面；

4.
在专用图形界面中，点击![](media/18a21f4749c45679795f1e8fc90adaf2.png)，运行程序，观察电机转速及示波器上给定值与反馈值的波形；

5.
点击![](media/a294117d1488ea75d5ce51c652bbab4b.png)按钮，暂停程序运行，根据实验波形分析直流电机的响应特性；

6\. 改变参数IBAND、KPP、KII、KDD
的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并填入下表。

![](media/fab4d4291e52d0de9f25e29bccba7bc9.png)

注：直流电机闭环调速控制实验以及后面的温度控制实验中给定与反馈都为单极性，屏幕最底端对应值为00H，最顶端对应值为FFH，对于时间刻度值由于采样周期不同存在以下关系：

实际时间（秒）＝（采样周期×实际刻度值）÷4

电机转速范围在6转/秒～48转/秒之间，速度过低受阻力影响较大不稳定。最大转速不超过4000转/分。即：给定值（SPEC）范围约在06H～30H
之间。示例程序中给定SPEC＝30H 为48
转/秒。TS＝14H，由于8254的OUT0接中断MIR6，间隔为1ms，故采样周期＝14H×1＝0.02秒。如实际刻度值＝900，则实际响应时间（秒）＝（0.02×900）÷4＝4.5秒。

**![](media/68f001de5eba91522bcced56a1dbe7e3.png)**

**图6-2 直流电机闭环调速实验参考接线图**

**![](media/9f47b2b6997c49bb18af5ea12b8402db.png)**

**图6-3 直流电机闭环调速实验流程图**

**表6-1 实验程序参数表**

**![](media/f467212f38a5e21ed6bc2ee0700ca544.png)**

**![](media/36dd92a5014273edd9b5c7f803476a28.png)**

**实验程序清单(AZHILIU.ASM)**

SSTACK SEGMENT STACK

DW 64 DUP(?)

TOP LABEL WORD

SSTACK ENDS

DATA SEGMENT

TS DB 14H

SPEC DW 0030H

IBAND DW 0060H

KPP DW 1060H

KII DW 0010H

KDD DW 0020H

CH1 DB ?

CH2 DB ?

YK DW ?

CK DB ?

VADD DW ?

ZV DB ?

ZVV DB ?

TC DB ?

FPWM DB ?

CK_1 DB ?

EK_1 DW ?

AEK_1 DW ?

BEK DW ?

AAAA DB ?

VAA DB ?

BBB DB ?

VBB DB ?

MARK DB ?

R0 DW ?

R1 DW ?

R2 DW ?

R3 DW ?

R4 DW ?

R5 DW ?

R6 DW ?

R7 DB ?

R8 DW ?

DATA ENDS

CODE SEGMENT

ASSUME CS:CODE,DS:DATA

START: MOV AX,DATA

MOV DS,AX

MAIN: CALL INIT ;初始化

STI

M1: MOV AL, TS ;判断 Ts=Tc ?

SUB AL, TC

JNC M1

MOV TC, 00H ;得到 Yk

MOV AL, ZVV

MOV AH, 00H

MOV YK, AX

CALL PID ;调用PID计算控制量 CK

MOV AL, CK ;根据 CK 产生 PWM 脉冲

SUB AL, 80H

JC IS0

MOV AAAA, AL

JMP COU

IS0: MOV AL, 10H

MOV AAAA, AL

COU: MOV AL, 7FH

SUB AL, AAAA

MOV BBB, AL

MOV AX, SPEC ;给定 SPEC 存入 CH1

MOV CH1, AL

MOV AX, YK ;反馈 YK 存入 CH2

MOV CH2, AL

CALL PUT_COM ;调用PUT_COM显示给定与反馈的波形

JMP M1

PUT_COM:

;MOV DX, 03FBH

;IN AL, DX

;AND AL, 7FH

;OUT DX, AL

MOV DX, 03FDH

WAIT1: IN AL, DX

TEST AL, 20H

JZ WAIT1

MOV DX, 03F8H

MOV AL,CH2

OUT DX, AL

MOV DX, 03FDH

WAIT2: IN AL, DX

TEST AL, 20H

JZ WAIT2

MOV DX, 03F8H

MOV AL, CH1

OUT DX, AL

RET

INIT: CLI

PUSH DS

XOR AX, AX

MOV DS, AX

MOV AX, OFFSET IRQ6 ;8259 IRQ6(T0:1ms)

MOV SI, 0038H

MOV [SI], AX

MOV AX, CS

MOV SI, 003AH

MOV [SI], AX

MOV AX, OFFSET IRQ7 ;8259 IRQ7(INT0:HR-OUT,COUNT-VVV)

MOV SI, 003CH

MOV [SI], AX

MOV AX, CS

MOV SI, 003EH

MOV [SI], AX

POP DS

; MOV AL, 11H

; OUT 20H, AL ;ICW1

; MOV AL, 08H

; OUT 21H, AL ;ICW2

; MOV AL, 04H

; OUT 21H, AL ;ICW3

; MOV AL, 01H

; OUT 21H, AL ;ICW4

MOV AL, 2FH ;允许 IRQ6,IRQ7

OUT 21H, AL

MOV VADD, 0000H ;变量初始化

MOV ZV, 00H

MOV ZVV, 00H

MOV CK, 00H

MOV YK, 0000H

MOV CK_1, 00H

MOV EK_1, 0000H

MOV AEK_1, 0000H

MOV BEK, 0000H

MOV BBB, 00H

MOV VBB, 00H

MOV R0, 0000H

MOV R1, 0000H

MOV R2, 0000H

MOV R3, 0000H

MOV R4, 0000H

MOV R5, 0000H

MOV R6, 0000H

MOV R7, 00H

MOV R8, 0000H

MOV MARK, 00H

MOV FPWM, 01H

MOV AAAA, 7FH

MOV VAA, 7FH

MOV TC, 00H

MOV DX, 606H

MOV AL, 90H ;初始化 8255-B口

OUT DX, AL

MOV DX, 602H

MOV AL, 00H

OUT DX, AL

MOV DX, 6C6H

MOV AL, 36H ;8254计数器0的输出OUT0

OUT DX, AL

MOV DX, 6C0H

MOV AL, 0E8H ;定时1ms

OUT DX, AL

MOV AL, 03H

OUT DX, AL

RET

IRQ7: NOP ;7号中断程序，计算转速

PUSH AX

PUSH BX

PUSH CX

PUSH DX

PUSHF

MOV AL,MARK

CMP AL,01H

JZ IN1

MOV MARK,01H

IN2: NOP

MOV AL,20H ;中断返回，关闭 IRQ7

OUT 20H,AL

POPF

POP DX

POP CX

POP BX

POP AX

IRET

IN1: MOV MARK, 00H

CALL VV

MOV AL, ZV

MOV ZVV, AL

JMP IN2

VV: MOV DX, 0000H ;计算电机转速

MOV AX, 03E8H

MOV CX, VADD

CMP CX, 0000H

JZ MM1

DIV CX

MM: MOV ZV, AL

MOV VADD, 0000H

MM1: RET

IRQ6:

PUSH AX

PUSH DX

PUSHF

INC TC

CALL KJ

CLC

CMP MARK, 01H

JC TT1

INC VADD

CMP VADD, 0700H ;转速值溢出，赋极值

JC TT1

MOV VADD, 0700H

MOV MARK, 00H

TT1: NOP

MOV AL, 20H ;中断返回，关闭 IRQ6

OUT 20H, AL

POPF

POP DX

POP AX

IRET

KJ: NOP ;PWM发生子程序

PUSH AX

CMP FPWM, 01H ;FPWM为1，产生PWM的高电平

JNZ TEST2

CMP VAA, 00H

JNZ ANOT0

MOV FPWM, 02H

MOV AL, BBB

CLC

RCR AL, 01H

MOV VBB, AL

JMP TEST2

ANOT0: DEC VAA

MOV DX, 0602H ;输出高电平

MOV AL, 01H

OUT DX, AL

TEST2: CMP FPWM, 02H ;FPWM为2，产生PWM的低电平

JNZ OUTT

CMP VBB, 00H

JNZ BNOT0

MOV FPWM, 01H

MOV AL, AAAA

CLC

RCR AL, 01H

MOV VAA, AL

JMP OUTT

BNOT0: DEC VBB

MOV DX, 0602H ;输出低电平

MOV AL, 00H

OUT DX, AL

OUTT: POP AX

RET

;==============================================

;PID算法子程序

;根据SPEC, KPP, KII, KDD及YK计算对应控制量CK

;==============================================

PID: MOV AX, SPEC ;求偏差EK

SUB AX, YK

MOV R0, AX

MOV R1, AX ;求偏差的变化量AEK

SUB AX, EK_1

MOV R2, AX

SUB AX, AEK_1 ;求BEK

MOV BEK, AX

MOV R8, AX

MOV AX, R1

MOV EK_1, AX

MOV AX, R2

MOV AEK_1, AX

TEST R1, 8000H

JZ EK1

NEG R1

EK1: MOV AX, R1 ;根据积分分离值，判是否积分

SUB AX, IBAND

JC II

MOV R3, 00H

JMP DDD

II: MOV AL, TS ;计算积分项的值

MOV AH, 00H

MOV CX, R1

MUL CX

MOV CX, KII

DIV CX

MOV R3, AX

TEST R0, 8000H

JZ DDD

NEG R3

DDD: TEST BEK, 8000H ;计算微分项的值

JZ DDD1

NEG BEK

DDD1: MOV AX, BEK

MOV CX, KDD

MUL CX

PUSH AX

PUSH DX

MOV AL, TS

MOV AH, 00H ;将微分项缩小8倍，防止溢出

MOV CX, 0008H

MUL CX

MOV CX, AX

POP DX

POP AX

DIV CX

MOV R4, AX

TEST R8, 8000H

JZ DD1

NEG R4

DD1: MOV AX, R3 ;积分项和微分项相加，判溢出

ADD AX, R4

MOV R5, AX

JO L9

L2: MOV AX, R5

ADD AX, R2

MOV R6, AX

JO L3

L5: MOV AX, R6 ;计算比例项

MOV CX, KPP

IMUL CX

MOV CX, 1000H

IDIV CX

MOV CX, AX

RCL AH, 01H

PUSHF

RCR AL, 01H

POPF

JC LLL1 ;判溢出，溢出赋极值

CMP CH, 00H

JZ LLL2

MOV AL, 7FH

JMP LLL2

LLL1: CMP CH, 0FFH

JZ LLL2

MOV AL, 80H

LLL2: MOV R7, AL ;CK=CK+CK_1

ADD AL, CK_1

JO L8

L18: MOV CK_1, AL

ADD AL, 80H

MOV CK, AL

RET ;PID子程序返回

L8: TEST R7, 80H ;溢出处理程序

JNZ L17

MOV AL, 7FH

JMP L18

L17: MOV AL, 80H

JMP L18

L9: TEST R3, 8000H

JNZ L1

MOV R5, 7FFFH

JMP L2

L1: MOV R5, 8000H

JMP L2

L3: TEST R2, 8000H

JNZ L4

MOV R6, 7FFFH

JMP L5

L4: MOV R6, 8000H

JMP L5

CODE ENDS

END START

**实验程序清单(CZHILIU.C)**

\#include \<stdio.h\>

\#include \<stdlib.h\>

\#include \<conio.h\>

\#define M8255_A 0x600

\#define M8255_B 0x602

\#define M8255_C 0x604

\#define M8255_CON 0x606

\#define M8254_0 0x6c0

\#define M8254_1 0x6c2

\#define M8254_2 0x6c4

\#define M8254_CON 0x6c6

void interrupt irq6h (void);

void interrupt irq7h (void);

void init(void);

void pid(void);

void put_com(void);

void m_main(void);

void delay(int time);

int mmul(int x,int y); //16位乘法，溢出赋极值

int change32_16(int z,int t); //将32位数转化成16位

char change16_8(int wd); //将16位数转化成8位

int madd(int x,int y); //16位加法，溢出赋极值

int TK=0x14,X=0x80;

int SPEC=0x30,IBAND=0x60,KP=8,TI=18,TD=32;

int CH1,CH2,UK,ZV,ZVV,TC,FPWM,UK_1,AAA1,VAA,BBB,VBB,MARK;

int YK,VADD,EK_1,AEK,BEK,EK;

int yyyy=0;

void main()

{

init();

\_asm STI

for(;;) m_main();

}

void delay(int time)

{

int i;

for(i=0;i\<=time;i++);

return;

}

void init(void)

{

int m_ip;

if(_CS==0) m_ip=0x2000;

else m_ip=0x0000;

\_asm{

push ds

xor ax,ax

mov ds,ax

mov ax,offset irq6h

add ax,m\_ip

mov si,0038h

mov [si],ax

mov ax,cs

mov si,003ah

mov [si],ax

mov ax,offset irq7h

add ax,m\_ip

mov si,003ch

mov [si],ax

mov ax,cs

mov si,003eh

mov [si],ax

cli

mov al,2fh

out 21h,al

pop ds

}

VADD=YK=EK=EK_1=AEK=BEK=ZV=ZVV=UK=UK_1=BBB=VBB=MARK=0x00;

FPWM=0x01;TC=0x10;

AAA1=VAA=0x7f;

outp(M8255_CON,0x90); //8255初始化

outp(M8255_B,0x00);

outp(M8254_CON,0x36); //8254初始化

outp(M8254_0,0xe8); //计数值

outp(M8254_0,0x03);

return;

}

void m_main(void)

{

for(;;) if(TK \<= TC) break;

TC=0x00;

YK=ZVV;

pid();

if(UK \<= 0x80) AAA1=0x10;

else AAA1=UK-0x80;

BBB=0x7f-AAA1;

CH1=SPEC;

CH2=YK;

put\_com();

return;

}

void put_com(void)

{

char temp;

temp = inp(0x03fb);

temp = temp&0x7f;

outp(0x03fb, temp);

for(;;) if((inp(0x03fd)&0x40)!=0) break;

outp(0x03f8,CH1);

for(;;) if((inp(0x03fd)&0x40)!=0) break;

outp(0x3f8,CH2);

return;

}

void pid(void)

{

int K,P,I,D;

char z,t;

K=P=I=D=0;

EK=SPEC-YK;

BEK=EK-EK_1-AEK; //△2EK

AEK=EK-EK_1; //△EK

if(abs(EK)\>abs(IBAND)) I=0;

else I=(EK\*TK)/TI;

P=AEK;

D=((TD/TK)\*BEK)/10000;

//△UK=KP\*△EK + KI\*Ek + KD\*(△EK-△EK-1) UK=△UK+UK-1

K=madd(I,P);

K=madd(D,K);

K=mmul(K,KP);

K=K/10;

UK=K+UK_1;

/\*将UK值转化成8位数据,取K的低8位值并取符号\*/

UK=change16_8(UK);

UK_1=UK;

EK_1=EK;

UK=UK+X;

}

void interrupt irq6h(void)

{

TC++;

if (FPWM==0x01)

{

if(VAA!=0x00)

{

VAA=VAA-1;

outp(M8255_B,0x01);

}

else

{

FPWM=0x02;

VBB=BBB/2;

}

if(FPWM==0x02)

{

if(VBB!=0x00)

{

VBB=VBB-1;

outp(M8255_B,0x00);

}

else

{

FPWM=0X01;

VAA=AAA1/2;

}

\_asm CLC

if( MARK==0x01)

{

VADD=VADD+0x01;

if( VADD \> 0x0700 )

{

VADD=0x0700;

MARK=0x00;

}

outp(0x20,0x20);

return;

}

void interrupt irq7h(void)

{

if(MARK==0x00)

MARK=0x01;

else

{

MARK=0x00;

if(VADD!=0x00)

{

ZV=0x03E8/VADD;

VADD=0x00;

}

ZVV=ZV;

}

outp(0x20,0x20);

return;

}

int mmul( int x,int y)

{

int s,t,z;

s=x\*y;

z=_AX;

t=_DX;

s=change32_16(z,t);

return(s);

}

int change32_16(int z,int t) /\*t=高字，z=低字\*/

{

int s;

if(t==0)

{

if((z&0x8000)==0) s=z;

else s=0x7fff;

}

else if ((t&0xffff)==0xffff)

{

if((z&0x8000)==0) s=0x8000;

else s=z;

}

else if ((t&0x8000)==0) s=0x7fff;

else s=0x8000;

return(s);

}

int madd(int x,int y)

{

int t;

t=x+y;

if(x\>=0 && y\>=0) //同号相乘,符号位变反说明溢出

{

if((t&0x8000)!=0) t=0x7fff;}

else if (x\<=0 && y\<=0)

{ if((t&0x8000)==0) t=0x8000; }

return(t);

}

char change16_8(int wd) //t=高字节，z=低字节

{

char z,t,s;

\_AX=wd;

z=_AL;

\_AX=wd;

t=_AH;

if(t==0x00)

{

if((z&0x80)==0) s=z;

else s=0x7f;

}

else if ((t&0xff)==0xff)

{

if((z&0x80)==0) s=0x80;

else s=z;

}

else if((t&0x80)==0) s=0x7f;

else s=0x80;

return(s);

}

思考题：

1.  直流电机的控制：

直流电机用模拟量进行控制，需要进行A/D转换，响应时间延迟较明显；同时直流电机需要用直流电控制，需要增加整流电路，加大了电路的复杂性。但是直流电机调速平滑，转动力矩较大，是重要的工业负载电机。

2.  直流电机过载保护的思考：

直流电机过载堵转易导致电机烧坏，传统的保护措施为加入空气开关或保险丝，但这种保护在工业上会造成整个生产线的突然中断。我构想可以在转子上增加类似扭矩扳手的结构，使电机在过载时仍不至于堵转，使控制人员有时间让生产线用控制地停止运转，增加生产线安全性。

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