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。