کنترل موتورهای جریان مستقیم (DC Motor) با استفاده از روش مدولاسیون پهنای پالس (PWM) یکی از رایج‌ترین و در عین حال کارآمدترین روش‌ها در سیستم‌های الکترومکانیکی مدرن است. این روش به دلیل سادگی پیاده‌سازی، راندمان بالا و قابلیت کنترل دقیق سرعت، در کاربردهای صنعتی، رباتیک و سیستم‌های محرکه الکتریکی به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این شبیه‌سازی، هدف بررسی عملکرد یک موتور DC تحت کنترل PWM و تحلیل رفتار آن در محیط Matlab/Simulink با استفاده از بلوک‌های Controlled PWM Voltage و H-Bridge است.

در این مدل، از بلوک DC Motor استفاده شده است که پارامترهای آن بر اساس داده‌های واقعی سازنده (datasheet) تعریف شده‌اند. طبق مشخصات ارائه شده، این موتور در ولتاژ تغذیه 12 ولت DC قادر است توان مکانیکی 10 وات را در سرعت 2500 دور بر دقیقه تولید کند. همچنین سرعت بی‌باری (No-load speed) آن برابر با 4000 دور بر دقیقه است. این مشخصات نشان‌دهنده یک موتور کوچک و کارآمد است که برای کاربردهای کنترلی دقیق بسیار مناسب است.

در ساختار کنترلی این شبیه‌سازی، سیگنال مرجع ولتاژ PWM نقش تعیین‌کننده‌ای در سرعت موتور دارد. اگر ولتاژ مرجع PWM در مقدار حداکثر خود یعنی +5 ولت تنظیم شود، موتور به سرعت نزدیک به 4000 دور بر دقیقه خواهد رسید. این حالت نشان‌دهنده عملکرد در شرایط بی‌باری یا بار بسیار کم است. از سوی دیگر، اگر مقدار ولتاژ مرجع به +2.5 ولت کاهش یابد، سرعت موتور نیز تقریباً به نصف کاهش یافته و در حدود 2000 دور بر دقیقه تثبیت می‌شود. این رابطه تقریباً خطی بین ولتاژ PWM و سرعت موتور، یکی از ویژگی‌های مهم سیستم‌های کنترل مبتنی بر PWM است که امکان طراحی کنترل‌کننده‌های دقیق را فراهم می‌سازد.

در این شبیه‌سازی از دو بلوک کلیدی استفاده شده است: Controlled PWM Voltage و H-Bridge. بلوک Controlled PWM Voltage وظیفه تولید سیگنال PWM متناسب با ورودی کنترلی را بر عهده دارد. این سیگنال سپس به H-Bridge اعمال می‌شود که به عنوان یک درایور قدرت عمل کرده و امکان اعمال ولتاژ دوطرفه به موتور را فراهم می‌کند. H-Bridge با تغییر جهت جریان در موتور، علاوه بر کنترل سرعت، امکان کنترل جهت چرخش را نیز فراهم می‌سازد، اگرچه در این مدل تمرکز اصلی بر کنترل سرعت است.

یکی از نکات مهم در طراحی این شبیه‌سازی، انتخاب حالت میانگین (Averaged) برای بلوک‌های Controlled PWM Voltage و H-Bridge است. در این حالت، به جای شبیه‌سازی دقیق سوئیچینگ PWM، رفتار متوسط مدار در نظر گرفته می‌شود. این کار باعث افزایش سرعت شبیه‌سازی و کاهش پیچیدگی محاسباتی می‌شود. در واقع، مدل Averaged برای تحلیل‌های سطح سیستم و بررسی رفتار کلی بسیار مناسب است، به‌ویژه زمانی که جزئیات کلیدزنی اهمیت کمتری دارند.

با این حال، برای بررسی دقیق‌تر رفتار واقعی سیستم و اعتبارسنجی مدل میانگین، می‌توان حالت شبیه‌سازی را از Averaged به PWM تغییر داد. در این حالت، کلیدزنی‌های واقعی PWM در نظر گرفته می‌شوند و رفتار دینامیکی دقیق‌تری از سیستم به دست می‌آید. این تغییر به‌ویژه در تحلیل ریپل جریان، نوسانات سرعت و بررسی تلفات سوئیچینگ اهمیت زیادی دارد.

در بخش نتایج شبیه‌سازی که از طریق Simscape Logging استخراج شده است، دو متغیر اصلی مورد بررسی قرار می‌گیرند: جریان عبوری از موتور و سرعت شفت موتور. جریان موتور نشان‌دهنده میزان انرژی الکتریکی مصرفی و بار مکانیکی وارد بر سیستم است. در لحظات شروع به کار، جریان معمولاً مقدار بالاتری دارد که به آن جریان راه‌اندازی گفته می‌شود. این جریان به تدریج با افزایش سرعت کاهش یافته و به مقدار پایدار می‌رسد.

از سوی دیگر، نمودار سرعت شفت موتور نشان می‌دهد که چگونه موتور از حالت سکون به سرعت نامی خود می‌رسد. این پاسخ دینامیکی معمولاً دارای یک رفتار نمایی است که به ثابت زمانی سیستم وابسته است. در این شبیه‌سازی، با افزایش ولتاژ PWM، سرعت نهایی موتور افزایش یافته و به مقدار نزدیک به 4000 دور بر دقیقه در حالت بیشینه می‌رسد. در نقطه میانی ولتاژ نیز، سرعت تقریباً نصف مقدار بیشینه خواهد بود که نشان‌دهنده رفتار تقریباً خطی سیستم در محدوده کاری مشخص است.

از دیدگاه مهندسی کنترل، این شبیه‌سازی اهمیت بالایی در درک رفتار سیستم‌های الکترومکانیکی دارد. استفاده از PWM به عنوان یک روش کنترل سرعت، امکان طراحی سیستم‌های کم‌هزینه و در عین حال دقیق را فراهم می‌کند. همچنین ترکیب آن با H-Bridge موجب افزایش انعطاف‌پذیری در کنترل جهت و سرعت موتور می‌شود. این ساختار پایه در بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند ربات‌های متحرک، درایوهای الکتریکی و سیستم‌های اتوماسیون استفاده می‌شود.

در مجموع، این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با استفاده از ابزارهای Matlab و Simulink، رفتار یک موتور DC را تحت کنترل PWM به‌صورت دقیق مدل‌سازی و تحلیل کرد. انتخاب بین مدل Averaged و PWM نیز امکان بررسی سیستم در سطوح مختلف دقت و پیچیدگی را فراهم می‌کند. این قابلیت چندسطحی، یکی از نقاط قوت اصلی محیط Simulink در تحلیل سیستم‌های قدرت و کنترل محسوب می‌شود.