基于Multisim的PWM直流電機(jī)調(diào)速控制電路設(shè)計(jì)與仿真

1、基于multisim的pwm直流電機(jī)調(diào)速控制電路設(shè)計(jì)與仿真李容，謝東，李俊凡，唐俊斌，何佳盈重慶科技學(xué)院，電氣與信息工程學(xué)院，重慶，400050摘要：以multisim仿真軟件為平臺(tái)設(shè)計(jì)pwm直流電機(jī)調(diào)速控制電路，對電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和脈寬控制電路的設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成方法作了詳細(xì)的介紹。使用multisim仿真軟件的虛擬示波器、邏輯分析儀等虛擬元件，完成電路的設(shè)計(jì)與仿真。關(guān)鍵詞：multisim pwm直流電動(dòng)機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 脈寬控制design and simulation of pwm dc motor speed based on multisim abstract: the paper prese

2、nts 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, th

3、e circuit design and simulation has been completed.keywords: multisim pwm dc motor driving pulse width control1 引言電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(eda)技術(shù)是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場革命,它改變了以變量估算和電路實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的電路設(shè)計(jì)方法。multisim是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的eda工具軟件, 內(nèi)臺(tái)有數(shù)萬種元器件和l3種常用的虛擬儀囂儀表，能完成從電路的仿真設(shè)計(jì)到電路版圖生成的全過程。并且它不需要真實(shí)電路環(huán)境的介入，通過對電路的各種參數(shù)的調(diào)整，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，具有仿真速度快、

4、精度高、準(zhǔn)確及形象等優(yōu)點(diǎn)。從而為電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電子產(chǎn)品的開發(fā)和電子系統(tǒng)工程提供了一種全新的手段和便捷途徑。下面以pwm直流電機(jī)調(diào)速控制電路的設(shè)計(jì)為例，介紹基于multisim的pwm直流電機(jī)調(diào)速控制電路設(shè)計(jì)與仿真1。2基于pwm直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求（1）使用multisim仿真軟件的虛擬示波器、邏輯分析儀等虛擬元件，完成電路的設(shè)計(jì)與仿真。（2）通過調(diào)整pwm的占空比和頻率，控制電機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速。（3）邏輯門電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。2.2結(jié)構(gòu)框圖pwm波形 產(chǎn)生電 路h 橋驅(qū) 動(dòng)電 路直 流電 動(dòng)機(jī)圖（1）pwm直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)總框圖本電路由3個(gè)

5、基本部分組成：pwm波形產(chǎn)生電路，h橋驅(qū)動(dòng)電路，直流電動(dòng)機(jī)。第一部分pwm電路主要產(chǎn)生占空比可調(diào)的矩形波或三角波，從而控制電機(jī)調(diào)速；第二部分h橋通過控制電流的流向改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向；第三部分直流電動(dòng)機(jī)，該部分為被驅(qū)動(dòng)部分。2.3單元電路的設(shè)計(jì)2.3.1 h橋驅(qū)動(dòng)電路圖（2）h橋驅(qū)動(dòng)電路h橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。如上圖所示，當(dāng)q3管和q6管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)q3從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)q6回到電源負(fù)極，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管

6、q4和q5導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。通過控制波形的占空比和頻率，達(dá)到對電機(jī)調(diào)速的目的。2.3.2 pwm波形產(chǎn)生電路（3）pwm波形產(chǎn)生電路圖圖（3）電路由一個(gè)三角波發(fā)生器(lm324ad和lm324ad)和一個(gè)比較器也為(lm324ad)組成(該電路圖從上到下，從左到右依次為u1a、u1b、u1c)。u1a被配置成積分器，u1b被配置成遲滯比較器。上電后，比較器的輸出電壓假定為零。u1a同相輸入被拉偏在vcc/2。在倒相與正相輸入之間的虛擬連接允許以一個(gè)通過r5的恒定電流(等于vcc/2r)對電容器c（100nf）進(jìn)行充電。這樣，u1a積分器的輸出隨時(shí)

7、間線性增加。在達(dá)到0.75 vcc 時(shí)，比較器的輸出(u1b)變?yōu)樽畲筝敵鲭妷?vcc)。此時(shí)，積分器便開始去積分，使輸出電壓成直線下降。在達(dá)到0.25 vcc 時(shí)，比較器的輸出電壓變?yōu)榱?，于是再重?fù)該循環(huán)。這樣，積分器的輸出是一個(gè)在0.25 vcc 和0.75 vcc電平之間搖擺的三角波。將三角波與直流電平u1c中2號線的輸入信號進(jìn)行比較。其輸出是一個(gè)方波，當(dāng)直流電平u1c中2號線的輸入信號 從 0.25 vcc 向 0.75 vcc變化時(shí)，占空比也從0向100%變化。頻率由 r5、c、r1和r2 決定。f = r2/(4r5cr1)。 其中，r2r1。r2與r1的比例影響工作頻率和三角波的

8、波幅。假定 vth 是三角波的最大電壓，vtl 是最小電壓，那么波幅擺幅為： 此處，r2r1。因此 三角波的峰峰電壓的中點(diǎn)在由r3和r4生成的vcc/2偏置電壓上。脈寬調(diào)制pwm只需單個(gè)電源即可工作。低功率應(yīng)用使用微功率運(yùn)放和較大的電阻(r、r1至r4)，更高頻應(yīng)用使用高頻運(yùn)放。2.3.3 正反轉(zhuǎn)控制電路 圖（4）正反轉(zhuǎn)控制電路圖（4）為正反轉(zhuǎn)控制電路圖。實(shí)驗(yàn)中，利用pwm輸入信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，開關(guān)j1a和j2a控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)j1a開關(guān)閉合時(shí)，二極管d5導(dǎo)通，三極管q1導(dǎo)通，進(jìn)而三極管q3和q6導(dǎo)通，電流由三極管q3經(jīng)電機(jī)s1，然后流過q6，最后到地，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)j1a斷開，j2a閉合

9、時(shí)，三極管q2、q4、q5導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。2.3.4 占空比波形圖ttpwm 控制脈沖占空比 d=t/t圖（5）pwm 控制脈沖與占空比圖（5）為pwm占空比圖，在頻率一定的情況下，如果pwm信號的占空比增多，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升；反之亦然。在占空比一定的情況下，如果pwm的頻率增加，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也得到提升。占空比的公式為： d=t/t。3. 仿真實(shí)驗(yàn)3.1 pwm 仿真 在完成電路設(shè)計(jì)后，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)pwm圖中的r6，使r6阻值的調(diào)節(jié)范圍由250650，其pwm電路的輸出電壓變化數(shù)值見下表。r6的 阻值（）波峰電壓（v）波谷電壓（v）65000圖（6）：pwm波形仿真圖圖（7）：pwm波形仿真

10、圖圖（6）和圖（7）為pwm波形產(chǎn)生電路的波形仿真圖，從圖中可以清楚的看到，pwm波形產(chǎn)生電路的輸出波形為方波或者三角波。當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)pwm控制脈寬的調(diào)節(jié)電阻r6和r5使其占空比及頻率發(fā)生變化，控制電機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速。 3.2 正反轉(zhuǎn)輸出波形仿真圖（8）：正轉(zhuǎn)輸出波形圖（9）：反轉(zhuǎn)輸出波形圖（8）和圖（9）分別為電動(dòng)機(jī)輸出正、反轉(zhuǎn)時(shí)的波形，由圖（4）可以知道：當(dāng)j1a開關(guān)閉合時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，仿真出來的波形為正半軸的矩形波；當(dāng)j1a斷開，電機(jī)反轉(zhuǎn)，仿真出來的波形為負(fù)半軸的矩形波。3.3 電動(dòng)機(jī)兩端輸出電壓的仿真測試調(diào)節(jié)pwm圖中的r6，使r6阻值的調(diào)節(jié)范圍由250650，其電

11、動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的輸出電壓的變化數(shù)值見下表。r6的 阻值（）波峰電壓（v）波谷電壓（v）65011.450.11調(diào)節(jié)pwm圖中的r6，使r6阻值的調(diào)節(jié)范圍由250650，其電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的輸出電壓的變化數(shù)值見下表。r6的 阻值（）波峰電壓（v）波谷電壓（v）650-11.25-0.113.4 性能參數(shù)的仿真 pwm圖中在調(diào)頻電阻r2為1khz時(shí)，電阻r6的變化范圍為250750歐，當(dāng)r6的值逐漸升高時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越來越快，無論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，尤其是當(dāng)電阻為600歐時(shí)，轉(zhuǎn)速最穩(wěn)定且驅(qū)動(dòng)力達(dá)到最大。通過pwm占空比的調(diào)節(jié)和正反轉(zhuǎn)控制電路，對電機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)pwm直流電機(jī)調(diào)速控制。4結(jié)語pwm直流

12、電機(jī)調(diào)速控制電路以其控制簡單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式。本實(shí)驗(yàn)將計(jì)算機(jī)仿真軟件multisim引入到電路設(shè)計(jì)中,給電路設(shè)計(jì)、仿真、測試帶來了極大的方便。使電子線路的設(shè)計(jì)、性能參數(shù)的仿真等繁瑣的任務(wù)變得輕而易舉。可以突破實(shí)驗(yàn)室元器件短缺和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限的限制,學(xué)會(huì)從不同角度思考同一個(gè)問題,提出不同的解決方案,從而提高解決實(shí)際問題的能力。在電機(jī)調(diào)速電路實(shí)例中，pwm對調(diào)速系統(tǒng)來說，其優(yōu)點(diǎn)有系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標(biāo)比較好;電樞電流的脈動(dòng)量小，容易連續(xù)，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作;系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬,只需修改pwm信號占空比即可實(shí)現(xiàn)速度控制，改變輸出口電平即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路設(shè)計(jì)簡單，電機(jī)控制方便，有利于廣泛推廣。參考文獻(xiàn)（references）:1 吳守箴，臧英杰編著，電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社2011.10.17.2 閻石,數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)m,北京高等教育出版社, 2006.3 朱彩蓮, multisim電子電路仿真教程m,西安電子科技大學(xué)出版社,2