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

謝東 李容 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)

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，含有數(shù)萬種元器件和多種常用的虛擬儀器儀表，能完成從電路的仿真設(shè)計(jì)到電路板圖生成的全過程，且不需要真實(shí)電路的介入，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、精度高、準(zhǔn)確及形象等優(yōu)點(diǎn)［1］，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。

PWM直流電機(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［2］。本文以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)速控制電路的設(shè)計(jì)與仿真。

1 基于PWM直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

(1)使用Multisim仿真軟件的虛擬元器件、虛擬示波器、邏輯分析儀等對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)并仿真。

(2)通過調(diào)整PWM的占空比和頻率，控制電機(jī)的電樞電壓，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，并測試和觀察控制電壓與轉(zhuǎn)速變化關(guān)系。

(3)使用邏輯門電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。

(4)對比實(shí)物元件，搭建電路驗(yàn)證。

1.2 結(jié)構(gòu)框圖

電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)電路由3部分組成(圖1):PWM波形產(chǎn)生電路，H橋驅(qū)動(dòng)電路和直流電動(dòng)機(jī)。PWM電路主要產(chǎn)生占空比可調(diào)的矩形波或三角波，對電機(jī)速度進(jìn)行控制;H橋通過控制電流的流向改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向;直流電動(dòng)機(jī)為被驅(qū)動(dòng)部分。

圖1 PWM直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)

1.3 單元電路的設(shè)計(jì)

1.3.1 H橋驅(qū)動(dòng)電路

H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和1個(gè)電機(jī)，如圖2所示。

電路工作原理如下:為了使電機(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。當(dāng)Q3管和Q6管導(dǎo)通時(shí)，電流從電源正極經(jīng)Q3從左至右穿過電機(jī)，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Q4和Q5導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。通過控制PWM波形的占空比和頻率，達(dá)到對電機(jī)調(diào)速的目的。

1.3.2 PWM波形產(chǎn)生電路

PWM波形產(chǎn)生電路由1個(gè)三角波發(fā)生器(LM324AD)和1個(gè)比較器(LM324AD)組成(圖3)。圖中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。

圖2 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖3 PWM波形產(chǎn)生電路圖

U1a同相輸入端被設(shè)置在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)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)，積分器輸出電壓呈直線下降。在達(dá)到0.25 VCC時(shí)，比較器的輸出電壓變?yōu)榱悖谑怯种貜?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。其頻率為:

R2與R1的比例影響工作頻率和三角波的波幅。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:

其中，R2＞R1，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)，高頻應(yīng)用使用高頻運(yùn)放。

1.3.3 正反轉(zhuǎn)控制電路

正反轉(zhuǎn)控制電路如圖4所示。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，使電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)J1A斷開，J2A閉合時(shí)，三極管Q2、Q4、Q5導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖4 正反轉(zhuǎn)控制電路

在頻率一定的情況下，如果PWM信號的占空比增大，則電動(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)速也將提升，其占空比的計(jì)算公式為:

式中:T—周期;tON—高電平時(shí)間。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 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)范圍為250～650 Ω，其PWM電路的輸出電壓變化數(shù)值見表1。

表1 輸出電壓變化數(shù)值

圖5為PWM波形產(chǎn)生電路的波形仿真圖。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。

圖5 PWM波形仿真圖

圖6和圖7分別為電動(dòng)機(jī)輸出正、反轉(zhuǎn)時(shí)的波形，由圖4可知，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開關(guān)斷開時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，仿真出來的波形為負(fù)半軸的矩形波。

圖6 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)輸出波形

圖7 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)輸出波形

2.2 電動(dòng)機(jī)兩端輸出電壓的仿真測試

通過調(diào)節(jié)圖3中的R6，使R6阻值的調(diào)節(jié)范圍為250～650 Ω，對應(yīng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電壓的變化數(shù)值見表2。

表2 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電壓

調(diào)節(jié)圖3中的R6，使R6值的調(diào)節(jié)范圍為250～650 Ω，其電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電壓的變化數(shù)值見表3。

表3 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電壓

2.3 性能參數(shù)的仿真

當(dāng)調(diào)節(jié)圖3中的電阻R2，使輸出PWM波頻率為1 kHz時(shí)，電阻R6的變化范圍為250～750 Ω，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 Ω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。

3 結(jié)語

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，解決了實(shí)驗(yàn)室元器件短缺和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限的問題。從軟件仿真和實(shí)物模擬角度思考同一個(gè)問題，提出不同的解決方案，有助提高解決實(shí)際問題的能力。在電機(jī)調(diào)速電路實(shí)例中，PWM調(diào)速系統(tǒng)其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標(biāo)較好，電樞電流的脈動(dòng)量小，容易連續(xù)，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)。

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