基于Multisim的PWM直流电机调速控制电路设计与仿真 精品

基于Multisim 的PWM 直流电机调速控制电路设计与仿真
李容，谢东，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
摘要：以Multisim 仿真软件为平台设计PWM 直流电机调速控制电路，对电机驱动电路和脉宽控制电路的设计原理及构成方法作了详细的介绍。

使用Multisim 仿真软件的虚拟示波器、逻辑分析仪等虚拟元件，完成电路的设计与仿真。

关键词：Multisim PWM 直流电动机 电机驱动 脉宽控制
Design and Simulation of PWM DC Motor Speed Based on Multisim
Abstract: The paper presents a PWM DC motor speed control circuit based on Multisim simulation software. The circuit principle and its composition for the motor drive and the pulse width control are introduced detailedly. Using Multisim simulation software of virtual oscilloscope, logic analyzer and some virtual element, the circuit design and simulation has been completed.
Keywords: Multisim PWM dc motor driving pulse width control
1 引言
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, 内台有数万种元器件和l3种常用的虚拟仪嚣仪表，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。

并且它不需要真实电路环境的介入，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。

从而为电子系统的设计、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。

下面以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设计与仿真[1]。

2基于PWM 直流电动机调速控制系统的设计
2.1设计要求
（1）使用Multisim 仿真软件的虚拟示波器、逻辑分析仪等虚拟元件，完成电路的设计与仿真。

（2）通过调整PWM 的占空比和频率，控制电机的电枢电压，进而控制转速。

（3）逻辑门电路设计，实现电机的正反转控制。

2.2结构框图
图（1）PWM 直流电动机调速控制系统总框图
PWM 波形 产生电 路
H 桥 驱 动 电 路 直 流电 动机
本电路由3个基本部分组成：PWM 波形产生电路，H 桥驱动电路，直流电动机。

第一部分PWM 电路主要产生占空比可调的矩形波或三角波，从而控制电机调速；第二部分H 桥通过控制电流的流向改变电机的转向；第三部分直流电动机，该部分为被驱动部分。

2.3单元电路的设计
2.3.1 H 桥驱动电路
D51N1202C
D61N1202C
D11N4148
D21N4148
D31N4148
D41N4148
Q33
2N1711
Q5
2N1132A
Q6
2N1132A Q4
2N1711
VCC
12V
R31kΩ
R4
1kΩ
Q1
2N1711Q2
2N1711
8
9
R10
1.5kΩ
R9
1.5kΩ11
S1
MOTOR
M
3
46
7
CW
CCW
12
图（2）H 桥驱动电路
H 桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。

要使电机运转，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。

如上图所示，当Q3管和Q6管导通时，电流就从电源正极经Q3从左至右穿过电机，然后再经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，该流向的电流将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。

2.3.2 PWM 波形产生电路
R310k¦¸
R4
10k¦¸
R11k¦¸
C1
100nF C21mF VCC
12V
VCC 12V
VCC
12V VCC
12V 0
XSC1
A B
Ext Trig
+
+
_
_
+_
R6
1k¦¸
Key=A
50%R
4.7k¦¸
U4A
LM324AD
3
2
11
4
1
U1A
LM324AD
3
2
114
1
U2A
LM324AD 3
2
11
4
1
2
6
R2
4k¦¸
Key=A
50%
1
5
93
4
7
（3）PWM 波形产生电路图
图（3）电路由一个三角波发生器(LM324AD 和LM324AD)和一个比较器也为(LM324AD)组成(该电路图从上到下，从左到右依次为U1a 、U1b 、U1c)。

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。

U1a 同相输入被拉偏在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，积分器便开始去积分，使输出电压成直线下降。

在达到0.25 VCC 时，比较器的输出电压变为零，于是再重复该循环。

这样，积分器的输出是一个在0.25 VCC 和0.75 VCC 电平之间摇摆的三角波。

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 R 5、C 、R 1和R 2 决定。

f = R 2/(4×R 5×C×R 1)。

其中，R2>R1。

R 2与R 1的比例影响工作频率和三角波的波幅。

假定 V TH 是三角波的最大电压，VTL 是最小电压，那么波幅摆幅为：
CC V R R R ⨯+=
2
212VTH CC V R R R ⨯-=
2
1
22VT L
此处，R2>R1。

因此
CC V R R ⨯=
2
1
VT L -VT H ()12R R > 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)，更高频应用使用高频运放。

2.3.3 正反转控制电路
R15k¦¸
R2
5k¦¸
U2A
7400N U2B
7400N J1A
Key = A J2A
Key = A
VCC
5V
1
2
3
4
5PWM
CW
CCW
6
7
图（4）正反转控制电路
图（4）为正反转控制电路图。

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，最后到地，电机正转；当J1A 断开，J2A 闭合时，三极管Q2、Q4、Q5导通，电机反转。

2.3.4 占空比波形图
图（5）PWM 控制脉冲与占空比
图（5）为PWM 占空比图，在频率一定的情况下，如果PWM 信号的占空比增多，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，电动机转速也得到提升。

占空比的公式为： D=t/T 。

3. 仿真实验
3.1 PWM 仿真
在完成电路设计后，进行仿真实验。

调节PWM 图中的R 6，使R 6阻值的调节范围由250Ω~650Ω，其PWM 电路的输出电压变化数值见下表。

T
t
PWM 控制脉冲
占空比 D=t/T
R6的阻值（Ω）波峰电压（V）波谷电压（V）<250 0 0
250 10.11 -0.99
300 8.99 -2.45
350 7.18 -3.71
450 5.60 -5.42
550 3.33 -7.66
600 2.28 -8.91
650 1.12 -9.92
>650 0 0
图（6）：PWM波形仿真图
图（7）：PWM波形仿真图
图（6）和图（7）为PWM波形产生电路的波形仿真图，从图中可以清楚的看到，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。

3.2 正反转输出波形仿真
图（8）：正转输出波形
图（9）：反转输出波形
图（8）和图（9）分别为电动机输出正、反转时的波形，由图（4）可以知道：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断开，电机反转，仿真出来的波形为负半轴的矩形波。

3.3 电动机两端输出电压的仿真测试
调节PWM图中的R6，使R6阻值的调节范围由250Ω~650Ω，其电动机正转的输出电压的变化数值见下表。

R6的阻值（Ω）波峰电压（V）波谷电压（V）
<250 11.37 0.22
250 11.56 0.23
300 11.37 0.46
350 11.28 0.65
450 11.39 0.98
550 11.42 0.54
600 11/23 0.23
650 11.59 0.12
>650 11.45 0.11
调节PWM图中的R6，使R6阻值的调节范围由250Ω~650Ω，其电动机反转的输出电压的变化数值见下表。

R6的阻值（Ω）波峰电压（V）波谷电压（V）
<250 -11.17 -0.42
250 -11.24 -0.23
300 -11.37 -0.66
350 -11.28 -0.65
450 -11.69 -0.91
550 -11.42 -0.54
600 -11/16 -0.23
650 -11.59 -0.12
>650 -11.25 -0.11
3.4 性能参数的仿真
PWM图中在调频电阻R2为1KHZ时，电阻R6的变化范围为250~750欧，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欧时，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。

4结语
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。

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。

使电子线路的设计、性能参数的仿真等繁琐的任务变得轻而易举。

可以突破实验室元器件短缺和实验经费有限的限制,学会从不同角度思考同一个问题,提出不同的解决方案,从而提高解决实际问题的能力。

在电机调速电路实例中，PWM对调速系统来说，其优点有系统的响应速度和稳定精度等指标比较好;电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以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电路设计简单，电机控制方便，有利于广泛推广。

参考文献（References）:
[1] 吴守箴，臧英杰编著，电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业
出版社2011.10.17.
[2] 阎石,数字电子技术基础(第五版)[M],北京高等教育出版社, 2006.
[3] 朱彩莲, Multisim电子电路仿真教程[M],西安电子科技大学出版社,2007.
[4] 张俊涛，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,2007.06.
[5] 曾喜良,赵欢，基于C8051F020的PWM调速控制[J]，计算机与数字工程,2008,08.
[6] 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.
[7] 郭丽颖,基于Multisim的彩灯循环闪烁电路设计与仿真,广东松山职业技术学院,2001,05.。