基于Multisim的PWM直流电机调速控制电路设计与仿真

谢东 李容 李俊凡 唐俊斌 何佳盈

(重庆科技学院电气与信息工程学院，重庆 400050)

电子设计自动化(EDA)技术是电子设计领域的一场革命，它改变了以变量估算和电路实验为基础的电路设计方法。Multisim是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件，含有数万种元器件和多种常用的虚拟仪器仪表，能完成从电路的仿真设计到电路板图生成的全过程，且不需要真实电路的介入，通过对电路的各种参数的调整，将整个实验过程在虚拟实验室进行，具有仿真速度快、精度高、准确及形象等优点［1］，为电子系统的设计、电子产品的开发和电子系统工程提供了一种全新的手段和便捷途径。

PWM直流电机调速控制电路以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式［2］。本文以PWM直流电机调速控制电路的设计为例，介绍基于Multisim的PWM直流电机调速控制电路的设计与仿真。

1 基于PWM直流电动机调速控制系统的设计

1.1 设计要求

(1)使用Multisim仿真软件的虚拟元器件、虚拟示波器、逻辑分析仪等对电路进行设计并仿真。

(2)通过调整PWM的占空比和频率，控制电机的电枢电压，控制电机转速，并测试和观察控制电压与转速变化关系。

(3)使用逻辑门电路实现电机的正反转控制。

(4)对比实物元件，搭建电路验证。

1.2 结构框图

电动机调速控制系统电路由3部分组成(图1):PWM波形产生电路，H桥驱动电路和直流电动机。PWM电路主要产生占空比可调的矩形波或三角波，对电机速度进行控制;H桥通过控制电流的流向改变电机的转向;直流电动机为被驱动部分。

图1 PWM直流电动机调速控制系统

1.3 单元电路的设计

1.3.1 H桥驱动电路

H桥电机驱动电路包括4个三极管和1个电机，如图2所示。

电路工作原理如下:为了使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。当Q3管和Q6管导通时，电流从电源正极经Q3从左至右穿过电机，再经Q6回到电源负极，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q4和Q5导通时，电流将从右至左流过电机，驱动电机逆时针转动。通过控制PWM波形的占空比和频率，达到对电机调速的目的。

1.3.2 PWM波形产生电路

PWM波形产生电路由1个三角波发生器(LM324AD)和1个比较器(LM324AD)组成(图3)。图中U1a被配置成积分器，U1b被配置成迟滞比较器。上电后，比较器的输出电压假定为零。

图2 H桥电机驱动电路

图3 PWM波形产生电路图

U1a同相输入端被设置在VCC/2。在倒相与正相输入之间的虚拟连接允许以一个通过R5的恒定电流(等于VCC/2R)对电容器C(100nF)进行充电。这样，U1a积分器的输出随时间线性增加。在达到0.75 VCC时，比较器的输出(U1b)变为最大输出电压(VCC)。此时，积分器输出电压呈直线下降。在达到0.25 VCC时，比较器的输出电压变为零，于是又重复该循环。这样，积分器的输出是一个在0.25 VCC和0.75 VCC电平之间的三角波。

将三角波与直流电平U1c中2号线的输入信号进行比较，其输出是一个方波，当直流电平U1c中2号线的输入信号从0.25 VCC向0.75 VCC变化时，占空比也从0向100%变化。频率由R5、C、R1和R2决定。其频率为:

R2与R1的比例影响工作频率和三角波的波幅。假定VTH是三角波的最大电压，VTL是最小电压，那么波幅摆幅为:

其中，R2＞R1，因此，

三角波的峰峰电压的中点在由R3和R4生成的VCC/2偏置电压上。脉宽调制PWM只需单个电源即可工作。低功率应用使用微功率运放和较大的电阻(R、R1至R4)，高频应用使用高频运放。

1.3.3 正反转控制电路

正反转控制电路如图4所示。实验中，利用PWM输入信号控制电机的转速，开关J1A和J2A控制电机的正反转，当J1A开关闭合时，二极管D5导通，三极管Q1导通，进而三极管Q3和Q6导通，电流由三极管Q3经电机S1，然后流过Q6，使电机正转;当J1A断开，J2A闭合时，三极管Q2、Q4、Q5导通，电机反转。

图4 正反转控制电路

在频率一定的情况下，如果PWM信号的占空比增大，则电动机转速提升;反之亦然。在占空比一定的情况下，如果PWM的频率增加，电动机转速也将提升，其占空比的计算公式为:

式中:T—周期;tON—高电平时间。

2 仿真实验

2.1 PWM仿真

在完成电路设计后，进行仿真实验。调节PWM图中的R6，使R6阻值的调节范围为250～650 Ω，其PWM电路的输出电压变化数值见表1。

表1 输出电压变化数值

图5为PWM波形产生电路的波形仿真图。PWM波形产生电路的输出波形为方波或者三角波。当电动机稳定转动时，调节PWM控制脉宽的调节电阻R6和R5，使其占空比及频率发生变化，控制电机的电枢电压，进而控制转速。

图5 PWM波形仿真图

图6和图7分别为电动机输出正、反转时的波形，由图4可知，当J1A开关闭合时，电机正转，仿真出来的波形为正半轴的矩形波;当J1A开关断开时，电机反转，仿真出来的波形为负半轴的矩形波。

图6 电动机正转输出波形

图7 电动机反转输出波形

2.2 电动机两端输出电压的仿真测试

通过调节图3中的R6，使R6阻值的调节范围为250～650 Ω，对应电动机正转时的输出电压的变化数值见表2。

表2 电动机正转时的输出电压

调节图3中的R6，使R6值的调节范围为250～650 Ω，其电动机反转时的输出电压的变化数值见表3。

表3 电动机反转时的输出电压

2.3 性能参数的仿真

当调节图3中的电阻R2，使输出PWM波频率为1 kHz时，电阻R6的变化范围为250～750 Ω，当R6的值逐渐升高时，电机的转速越来越快，无论是正转还是反转，尤其是当电阻为600 Ω时，转速最稳定且驱动力达到最大。通过PWM占空比的调节和正反转控制电路，对电机的正反转进行控制，从而实现PWM直流电机调速控制。

3 结语

本实验将计算机仿真软件Multisim引入到电路设计中，给电路设计、仿真、测试带来了极大的方便，解决了实验室元器件短缺和实验经费有限的问题。从软件仿真和实物模拟角度思考同一个问题，提出不同的解决方案，有助提高解决实际问题的能力。在电机调速电路实例中，PWM调速系统其优点表现在系统的响应速度和稳定精度等指标较好，电枢电流的脉动量小，容易连续，不必外加滤波电抗也可以平稳工作，系统的调速范围宽，只需修改PWM信号占空比即可实现速度控制，改变输出口电平即可实现电机正反转。

［1］朱彩莲.Multisim电子电路仿真教程［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2007.

［2］吴守箴，臧英杰.电气传动的脉宽调制控制技术［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［3］张俊涛，陈晓莉.电路仿真软件在电子技术教学实践中的应用［J］. 实验技术与管理，2007，24(6):83-85.

［4］曾喜良，赵欢.基于C8051F020的PWM调速控制［J］.计算机与数字工程，2008，36(8):195-197.

［5］郑宪伟，赵玉林，陈广大.基于AVR单片机的直流电动机PWM闭环调速系统的设计［J］.煤矿机械，2008，29(1):120-122.

［6］郭丽颖.基于Multisim的彩灯循环闪烁电路设计与仿真［J］. 实验室研究与探索，2010，29(7):187-189.