第 卷 第 期 3 15 重庆科技学院学报( 自然科学版) 2013 年 6 月 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) Multisim 摘 要: 以 原理及构成方法 关键词: Multisim 中图分类号: TM33 仿真软件为平台设计 使用 。 ; 电机驱动; 脉宽控制 Multisim PWM 直流电机调速控制电路，介绍电机驱动电路和脉宽控制电路的设计 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 、 。 文献标识码: A 文章编号: 1673 － 1980 ( ) 2013 03 － 0107 － 04 EDA EDA 。Multisim 电子设计自动化( ) 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 是一个专门用于电子线路 工具软件，含有数万种元器件和 仿真与设计的 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 准确及 精度高 、 、 形象等优点［ 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 ］，为电子系统的设计 。 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［ 直流电机调速控 本文以 制电路的设计为例，介绍基于 直流 电机调速控制电路的设计与仿真 Multisim PWM PWM PWM 的 。 ］ 2 1 。 1 基于 PWM 直流电动机调速控制系统的 设计 1. 1 设计要求 ( Multisim 1 示波器 ) 使用 仿真软件的虚拟元器件 逻辑分析仪等对电路进行设计并仿真 、 ) 通过调整 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 虚拟 、 PWM 。 2 ( 。 ) 使用逻辑门电路实现电机的正反转控制 ( 3 。 ) 对比实物元件，搭建电路验证 ( 4 。 1. 2 结构框图 PWM 电动机调速控制系统电路由 部分组成 ( 图 波形产生电路， 桥驱动电路和直流电动 H 电路主要产生占空比可调的矩形波或三 桥通过控制电流的流 ) : 1 机 角波，对电机速度进行控制; 向改变电机的转向; 直流电动机为被驱动部分 。PWM H 3 。 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 机，如图 所示 2 。 桥电机驱动电路包括 个三极管和 个电 1 4 H 。 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 管导通时，电流 而控制电机的转向 从电源正极经 回到 电源负极，该流向的电流将驱动电机顺时针转动 。 导通时，电流将从右至左流过电 当三极管 机，驱动电机逆时针转动 波形的 。 从左至右穿过电机，再经 通过控制 管和 当 和 Q5 Q4 Q6 Q6 Q3 Q3 。 PWM 收稿日期: 2013 － 01 － 11 基金项目: 重庆市教委 作者简介: 谢东( 1967 － 2011 年教改项目( ) 113010 ) ，男，重庆人，副教授，研究方向为精密机电测控技术 。 ·701· 

谢东，等: 基于 Multisim 的 PWM 直流电机调速控制电路设计与仿真 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 波 形 产 生 电 路 由 PWM 个 三 角 波 发 生 器 1 ) 和 LM324AD 个比较器( 被配置成积分器， ( 图中 上电后，比较器的输出电压假定为零 U1b U1a ) 组成( 图 ) LM324AD 被配置成迟滞比较器 1 3 。 。 。 图 2 H 桥电机驱动电路 图 3 PWM 波形产生电路图 同相输入端被设置在 U1a VCC 2。 输入之间的虚拟连接允许以一个通过 流( 等于 样， 100nF 积分器的输出随时间线性增加 ) 对电容器 VCC 2R C ( 在倒相与正相 的恒定电 这 R5 ) 进行充电 在达到 。 U1a 时，比 较 器 的 输 出 ( 0. 75 ) 变 为 最 大 输 出 电 压 。 U1b VCC ·801· ) 。 VCC ( 到 复该循环 和 0. 25 VCC 。 此时，积分器输出电压呈直线下降 在达 时，比较器的输出电压变为零，于是又重 这样，积分器的输出是一个在 电平之间的三角波 0. 25 VCC 。 0. 75 VCC 将三角波与直流电平 。 中 U1c 号线的输入信号 2 

谢东，等: 基于 Multisim 的 PWM 直流电机调速控制电路设计与仿真 进行比较，其输出是一个方波，当直流电平 号线的输入信号 从 空比也从 定 向 其频率为: 0. 25 VCC 变化 0. 75 VCC R5 、C、R1 频率由 100% 向 。 0 U1c 2 变化时，占 决 和 R2 中 。 R2 ( ) ( ) f = 4R5 R1 C R2 ＞ R1 1 的比例影响工作频率和三角波的波 是三角波的最大电压， 是最小电压， VTL 与 R2 假定 R1 VTH 。 幅 那么波幅摆幅为: R1 + R2 2R2 R2 － R1 2R2 × VCC × VCC VTH = VTL = ，因此， 其中， R2 ＞ R1 ( ( ) ) 2 3 ( ) 4 ) VTH － VTL = ( × VCC R1 R2 R2 ＞ R1 和 三角波的峰峰电压的中点在由 偏置电压上 生成的 R3 只需单个电源 低功率应用使用微功率运放和较大的电 脉宽调制 PWM R4 。 ) ，高频应用使用高频运放 。 R4 VCC 2 即可工作 阻( R、R1 。 至 和 开关闭合时，二极管 J1A 1. 3. 3 正反转控制电路 正反转 控 制 电 路 如 图 。 输入信号控制电机的转速，开关 所 示 4 PWM 制电机的正反转，当 通，三极管 由三极管 当 J1A 机反转 断开， Q1 Q3 J2A 。 J1A S1 导通，进而三极管 经电机 Q3 ，然后流过 闭合时，三极管 J2A 实 验 中，利 用 控 导 导通，电流 Q6 ，使电机正转; 导通，电 D5 和 Q6 Q2 、Q4 、Q5 图 4 正反转控制电路 在频率一定的情况下，如果 PWM 比增大，则电动机转速提升; 反之亦然 定的情况下，如果 将提升，其占空比的计算公式为: 信号的占空 在占空比一 的频率增加，电动机转速也 PWM 。 2 仿真实验 2. 1 PWM 仿真 在完成电路设计后，进行仿真实验 图中的 ，使 阻值的调节范围为 电路的输出电压变化数值见表 R6 R6 PWM 调节 。 PWM ，其 250 ～ 650 Ω 表 1 输出电压变化数值 R6 Ω ＜ 250 250 300 350 450 550 600 650 ＞ 650 V波峰 V 0 10. 11 8. 99 7. 18 5. 60 3. 33 2. 28 1. 12 0 1。 V波谷 V 0 － 0. 99 － 2. 45 － 3. 71 － 5. 42 － 7. 66 － 8. 91 － 9. 92 0 5 为 PWM 波 形 产 生 电 路 的 波 形 仿 真 图 图 波形产生电路的输出波形为方波或者三角波 。 控制脉宽的调节 ，使其占空比及频率发生变化，控制电 PWM 当电动机稳定转动时，调节 电阻 机的电枢电压，进而控制转速 PWM 和 R5 R6 。 。 图 5 PWM 波形仿真图 7 和图 可知，当 分别为电动机输出正 图 6 形，由图 出来的波形为正半轴的矩形波; 当 电机反转，仿真出来的波形为负半轴的矩形波 反转时的波 、 开关闭合时，电机正转，仿真 开关断开时， J1A J1A 4 。 式中: T — 周期; tON— tON T ρ = 高电平时间 。 ( ) 5 图 6 电动机正转输出波形 ·901· 

谢东，等: 基于 Multisim 的 PWM 直流电机调速控制电路设计与仿真 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 中的 阻值的调节范围 ，对应电动机正转时的输出电压的变 ，使 R6 R6 3 为 化数值见表 250 ～ 650 Ω 2。 表 2 电动机正转时的输出电压 V波峰 V V波谷 V 11. 37 11. 56 11. 37 11. 28 11. 39 11. 42 11. 23 11. 59 11. 45 0. 22 0. 23 0. 46 0. 65 0. 98 0. 54 0. 23 0. 12 0. 11 R6 Ω ＜ 250 250 300 350 450 550 600 650 ＞ 650 调节图 中的 ，使 值的调节范围为 3 250 ～ ，其 电 动 机 反 转 时 的 输 出 电 压 的 变 化 数 值 R6 R6 650 Ω 见表 3。 表 3 电动机反转时的输出电压 R6 Ω ＜ 250 250 300 350 450 550 600 650 ＞ 650 V波峰 V － 11. 17 － 11. 24 － 11. 37 － 11. 28 － 11. 69 － 11. 42 － 11. 16 － 11. 59 － 11. 25 V波谷 V － 0. 42 － 0. 23 － 0. 66 － 0. 65 － 0. 91 － 0. 54 － 0. 23 － 0. 12 － 0. 11 2. 3 性能参数的仿真 3 R6 R2 为 PWM ，使输出 时，电阻 当调节图 中的电阻 的变化范围为 波频率 ，当 1 kHz 的值逐渐升高时，电机的转速越来越快，无论是 R6 时，转速最稳 正转还是反转，尤其是当电阻为 定且驱动力达到最大 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 直流电机调速控制 250 ～ 750 Ω 600 Ω 通过 PWM 。 PWM 。 3 结 语 。 Multisim 仿真 、 本实验将计算机仿真软件 引入到电路设 测试带来了极大的方便，解决 计中，给电路设计 、 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， 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 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 PWM PWM 。 。 参考文献 ［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． Design and Simulation of PWM DC Motor Control System Based on Multisim Electronic and Information Engineering School Chongqing University of Science and Technology ， ) Chongqing 400050 XIE Dong LI Rong LI Junfan TANG Junbin HE Jiaying ( : 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 implemented． ; Multisim DC motor driver ; PWM control : Key words ·011·