基于PSpice的无刷直流电机系统仿真Word下载.docx
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关键词：
无刷直流电机；
PSpice；
位置传感器中图分类号：
TM33文献标识码：
A文章编号：
1004-7018（2003）04-0005-03Abstract:
Thepart,BLDCMTR,comingwithPSpice,isde-tailedinthispaper.AndthesimulationofthewholesystemwithbothBLDCMTRanddrivercontainediscarriedout.Thesimula-tionresultsaresimilartotheexpenmentones.AllthisshowsthatthewholesystemsimulationwillbehelpfulindesigningaswellastestingthedriversforBLDCMTRs.Keywords:
brushlessDCmotor;
positionsensor1引言无刷直流电机因其长寿命和容易调速的特点，成为许多家用电器的首选。
当要对电机进行比较精密或者复杂的控制时，其驱动电路的设计将变得困难，这时往往需要求助于仿真。
文献[1]建立了一个场路结合的无刷直流电机系统的数学模型，然后用FORTRAN编程解算模型；
侧重于分析不同的电机参数对电机性能的影响。
文献[2]基于Matlab的Simulink仿真分析了无刷直流电机的调速系统。
这些仿真都没有包含电路元件，因此无法辅助设计无刷直流电机的驱动控制系统。
PSpice是著名的电路仿真软件。
8.0版本中包含了无刷直流电机的模型。
这似乎给仿真无刷直流电机系统带来了很大的方便，但事实不尽如此。
模型的使用并不直观，而且缺少进一步的资料。
本文将详细剖析电机模型，并且作为例子仿真了一个使用位置传感器的无刷直流电机系统。
2无刷直流电机模型详解可以用器件名BLDCMTR调出无刷直流电机的图标symbol），参见图3b。
图标中，引脚l、2、3分别是三相绕组的引出线；
引脚ShaftSpeed和ShaftAngle分别给出电机收稿日期：
2002-10-11基金项目：
国家自然科学基金资助项目（50277033）的转速和转角，电压信号的单位换算关系分别是：
1V=1r/s，1V=lr/s。
器件引用了模型BLDCMTR_WYE。
模型的命令行文本位于库文件MIX_MISC.lib中。
表l给出了用于定制器件的属性。
“单位”是模型的默认单位。
后面将看到，单位的选择相当自由。
合理的选择单位有时可以帮助摆脱瞬态分析的收敛问题。
简称将用于图表和方程中；
另外把转速和转角分别简记为s和日。
表l无刷直流电机模型的参数┏━━━━━━┳━━━┳━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━┓┃器件属性┃简称单位解释┃┣━━━━━━╋━━━╋━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃转动惯量jg．cm'
s‘转轴的转动惯量阻尼Bg.cm/rad-s-l单位角速度下，与铁耗等效的阻力矩摩擦力矩Fg'
cm摩擦阻力矩定位转矩Dg'
cm定位转矩（认为是正弦的）的峰值极对数p┃┃转子极对数电感LPSpice标准绕组电感电阻尺绕组电阻电容C绕组匝间电容互感系数肘绕组间互感┃┣━━━━━━╋━━━╋━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃┃┃单位转速（r/s）下，反电势反电势蜂催C。
V/r．s一1┃┃┃┃┃┃认为是正弦的）的峰值转矩常数Ctg．cm/A┃┗━━━━━━┻━━━┻━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━┛图1是简化了的模型子电路图。
电气部分和机械部分通过变量i1、i2、i3以及s、p互相耦合，从而实现机电能量转换。
相1相2相3c尼戋C/210C/2j0（a）电气部分Oi2sin（p0-~）lFsign（s）咆气），j气UVU（b）机械部分圈l无刷直流电动机系统子电路基于PSpice的无刷直漉电枫系统仿真5设计分柝Ⅲgwa%≈幺彩…一SimulationBrushlessDCMotorandDriverwithPSpiceDINGWen-hao,WUJian-hua,ZHANGShi-qinZhejiangUniversity,ZhejiangHangzhou310027,调试无刷直流电机的驱动系统。
关键词：
位置传感器中图分类号：
TM33文章编号：
1004-7018（2003）04-0005Abstract:
Thepart,BLDCMTR,comingwithPSpice,isde-tailedinthispaper.AndthesimulationofthewholesystemwithbothBLDCMTRanddrivercontainediscarriedout.Thesimula-tionresultsaresimilartotheexpenmentones.AllthisshowsthatthewholesystemsimulationwillbehelpfulindesigningaswellastestingthedriversforBLDCMTRs.Keywords:
positionsensor1引言无刷直流电机因其长寿命和容易调速的特点，成为许多家用电器的首选。
当要对电机进行比较精密或者复杂的控制时，其驱动电路的设计将变得困难，这时往往需要求助于仿真。
文献[1]建立了一个场路结合的无刷直流电机系统的数学模型，然后用FORTRAN编程解算模型侧重于分析不同的电机参数对电机性能的影响。
文献[2]基于Matlab的Simulink仿真分析了无刷直流电机的调速系统。
这些仿真都没有包含电路元件，因此无法辅助设计无刷直流电机的驱动控制系统。
8.0版本中包含了无刷直流电机的模型。
这似乎给仿真无刷直流电机系统带来了很大的方便，但事实不尽如此。
模型的使用并不直观，而且缺少进一步的资料。
本文将详细剖析电机模流电机系统。
2无刷直流电机模型详解symbol），参见图3b。
图标中，引脚l、2、3分别是三相绕组的引出线；
2002-10-111r/s，1V=lr/s。
模型的命令行文本位于库文件MIX_MISC.lib中。
表l给出了用于定制器件的属性。
“单位”是模型的默认单位。
合理的选择单位有时可以帮助摆脱瞬态分析的收敛问题。
另外把转速和转角分别简记为s和日。
表l无刷直流电机模型的参数┏━┳┓单位解释┣╋┫g．cm'
s‘g.cm/rad-s-lg'
。
V/r．s一1cm/A┗┻┛图是简化了的模型子电路图。
电气部分和机械部c尼戋C/210（a）电气部分Oi2sin（p0-~）lFsign（s）咆气），气UV（b）机械部分圈无刷直流电动机系统子电路设计分斩…一Vm∥—巧如…一机械行为用电路模拟的可行性是基于两者的数学模型（或者说方程）形式上的一致。
图lb中电容2rr．/的电流一电压方程为江2订J鲁=J啬（2ns）=Jdd
（1）注意到s是转速，所以2霄s是角速度山。
于是，i就相当于转矩。
模型默认1A=lg．cm，相应地，-，的单位是g．cm·
s2。
把式
（1）改写为丁。
=I，盖（21Ts）=，警
（2）其中：
L。
是净加速转矩，由图lb可知r。
t=Teml+r.m2+T.m3-Tf-TD-Td.mpi.g（3）其中：
Teml=C．iisin（p0）（4）Tem2=Cti2sin（p0一孥）（5）Tem3=CLi3siri（p0十孚）（6）它们分别是1、2、3相电流产生的电磁转矩，显然Ct的单位是g．cm／A。
Tf=F（7）式（7）是摩擦阻力转矩，sign（）函数是为了保证该转矩总是与速度方向相反。
TD=Dsin（6p0）（8）式（8）是磁阻定位转矩，这里假定定子每极每相的槽数为2：
Td。
mpi。
=谚寺历=曰．2rrs=日∞（9）式（9）是磁阻尼转矩。
这是定子铁心由于涡流而对转子磁场运动的一种阻碍作用，这里假设该转矩与角速度成正比，比例系数B的单位是g．cm/rad．S-l。
除了这些转矩外，还可以通过引脚ShaftSpeed施加外部转矩，因为任何出入电容2'
rrJ的电流都对应一个转矩。
按默认，同样有1A=19．cm，但是从以上分析可以看出，转矩单位的选择是随意的，可以假定lA=lN．m，而无需改动模型。
当然其它参数的单位要作相应的变化，比如．的单位将成为N．m．S2。
合理的选择单位可以使参数值适中，过大或过小的参数值都会导致收敛问题。
图lb中左下角的电路是为了从转速s获得转角日。
灌入电容1/2'
rr的电流在数值上等于s，而日正是这个电容上的电压的镜像，即口=去肛=f:
2-rrsdt=C∞dz（10，可见日正是转角。
由图la中反电势Ei、E2、E3的表达式可知，转角的测量起点是1相的轴线，终点是转子N磁极的轴线，方向按相1-2-3-1旋转。
以上是模型的全部信息，通过这些信息，可以完全预计电机的行为。
这是设计控制系统所必需的，模型另有三处值得引起注意。
6饭持电棚2003年第3期首先，子电路bldcmtr_wye在调用子电路hldcmtr时没有传递参数{CR!
、lCM!
和{Ct!
必须把这些参数添加到调用子电路命令的参数列表中。
否则，对器件的这些属性的修改将不会起效果。
其次，为了使模型能够仿真电机的起动特性，必须设定转速和绕组电感的初始状态为零。
绕组电感的初始状态宜在模型中定义，即在绕组电感的定义命令行末追加lC=0。
转速的初始状态一般需要经常修改，因此在外部通过引脚ShaftSpeed设定是方便的。
最后值得注意的是，设置参数C。
和C。
时必须人为地保证它们之间应有的关系。
按照能量守恒，C．、C。
并不独立。
以l相为例，由功率平衡可得sC.sin（pO）ii=9.8×
l0-5Ctiisin（p0）2ns（11）其中：
因子9.8×
10_5是用来把转矩的单位从g．cm转化到N-m化简上式，得到数量关系Ct=2098Ce（屹）3有位置传感器的无刷直流电机驱动系统现实中，位置传感器通常是3个霍尔器件或3个光电开关。
传感器的输出电平在转子的几个关键位置上跳变，由此通知控制器实施相应的换流。
仿真中，利用模拟行为模型来模拟位置传感器，如图2所示。
'
V（%IN）=pV6）卜—1裹卜_—L塾-JInOut-O.顷丌矿Ov葫回O.OOlv5v2'
p1/3）rlInOut——．0．OUW-Ov瓣蕊翮a00~乳
2．pv3）卜[习—压一一o．OFW-OvO.OOlv圈2位置传感器行为的模拟图3a是驱动电路，位置解码器代表可编程逻辑器件，实现标准的120。
导通的控制逻辑。
其后的非门和与门除了执行相应的逻辑功能之外，还实现了电平转换。
图3b是作为驱动电路负载的无刷直流电机。
电机的原形是电动自行车用的无刷直流电机（参数见表2），空载运行。
表2电动自行车用无刷直流电机的参数┏━━━━━━━┳━━━┳━━━┳━━━━━━━━━┓┃参数名称简称值┃┣━━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━━━━━━━┫┃J100N---2┃┃┃┃┃g'
cm'
sBg.cm/rad.s-]Fg'
cmD10g'
cm8┃┃┃L4mHRc0.1pFM0.5反电势峰值Ce8.0V/r.s-lct13000g.cm/A┃┗━━━━━━━┻━━━┻━━━┻━━━━━━━━━┛Vm∥—巧如…一流电压方程为江2订J鲁=J啬（2ns）=Jdd
（1）转矩。
模型默认1A=lg·
s2把式
（1）改写为。
=I盖（21Ts）=，警r。
t=Teml+r.m2+T.m3-TfTDTd.mpi.g（3）其中：
Teml=Ciisin（p0）（4）孥）（5）位是g／ATf=FTd。
=谚寺历曰2rrs=日∞（9）式（9）是磁阻尼转矩。
这是定子铁心由于涡流而对转子磁场运动的一种阻碍作用，这里假设该转矩与角速度成正比，比例系数B的单位是g/radS-l除了这些转矩外，还可以通过引脚ShaftSpeed施加外按默认，同样有1A=19，但是从以上分析可以看出，转矩单位的选择是随意的，可以假定lA=lN．m，而无需改动模型。
当然其它参数的单位要作相应的变化，比如．的单位将成为N．m．S2。
合理的选择单位可以使参数值适中，过大或过小的参数值都会导致收敛问题。
口去肛可见日正是转角。
由图la中反电势Ei、E2、E3的表达式可知，转角的测量起点是1相的轴线，终点是转子N磁极的轴线，方向按相1-2-3-1旋转。
以上是模型的全部信息，通过这些信息，可以完全预计电机的行为。
这是设计控制系统所必需的，模型另有三处值得引起注意。
饭持电棚2003首先，子电路bldcmtr_wye在调用子电路hldcmtr时没有传递参数{CR!
必须把这些参数添加到调用子电路命令的参数列表中。
否则，对器件的这些属性的修改将不会起效果。
其次，为了使模型能够仿真电机的起动特性，必须设定转速和绕组电感的初始状态为零。
绕组电感的初始状态宜在模型中定义，即在绕组电感的定义命令行末追加lC=0。
时必须人为地保证它们之间应有的关系。
并不独立。
以相为例，由功率平衡可得转化到N-mCt=2098Ce有位置传感器的无刷直流电机驱动系统现实中，位置传感器通常是3个霍尔器件或3个光电开关。
传感器的输出电平在转子的几个关键位置上跳变，由此通知控制器实施相应的换流。
仿真中，利用模拟行为模型来模拟位置传感器，如图2所示。
-JInOut-O.顷丌矿Ov葫回O.OOlvlIn——．0OUW-瓣蕊翮．pv3）卜[习—压一o．OFW-O.OOlv位置传感器行为的模拟了执行相应的逻辑功能之外，还实现了电平转换。
图3b是作为驱动电路负载的无刷直流电机。
电机的原形是电动电动自行车用无刷直流电机的参数简称N---2'
scm/rads-]V/rs-lcm/A（b）图3无刷直流电机驱动电路图4是相电流的仿真结果和实验结果。
可以看到，不管是波形、幅值，还是周期，仿真结果都与实验结果接近。
当然，如果要考察细微之处，比如磁阻定位转矩的影响，则还需慎重判断仿真结果的可信程度。
设计分靳粥∞%‘∞%么彩……．┏━━┳━━┳━━┳━━━━━┳━━┳━━━━━━━┓┃┃┃r盈┃┣━━╋━━╋━━╋━━━┳━╋━━╋━━━━━━━┫┃汹荔i氐J脯I笛～j┃┃┃┣━━┻━━━╋━┻━━┫┃┃┃┃Illlvr…呐：
髓柚瞄；
1驷齄’┃┃┃┃┣━┳━━┫┃┃┃┃┃nar~1┃┃┃┃┃┃┃—●UOOmn"
┃┃┃┃┃┃┣━━━━━━━┫┃┃┃┃┃┃C..2‘●柚■_┃┗━━┻━━┻━━━━━━┻━┻━━┻━━━━━━━┛（a）实验结果（b）仿真结果图4相电流8结论用PSpice仿真无刷直流电机驱动系统能得到接近于实际的结果。
因此可以借助仿真验证早期方案，进而辅助设计甚至排除故障。
参考文献：
[1]孙艳霞，刘宗．无刷直流电动机的系统仿真[J]．大连铁路学院学报，2000，21（4）：
23-27．[2]颜南明，李长兵．基于MATLAB下的BLDCM调速系统仿真研究[J].系统仿真学报，2002，14（4）：
462-463，466.[3]MicroSimCmporarion.MicroSimApplicationNotes[J].Version8.O，1997，6：
44-54.[4]MicroSimCmporation.MicraSimPSpiceA/D＆Basics+User'
sGuide[J].Veraion8.0,1997,6.作者简介：
丁文浩，男，硕士研究生，研究方向为新型双凸极永磁电机的控制。
上接第4页）磁场分析时，该电机在不同转子位置下的磁力线图。
图4为该电机齿槽转矩的变化规律。
图5和图6是对一台永磁同步电动机运用时步有限元法进行稳态性能分析的结果。
图5为电压为额定电压，功角等于40时，在某一时刻电机的磁场分布图。
图6为该电机三相电流在一个周期内的变化规律。
从图中可以看出，电流中存在着一定分量的谐波成分。
转子位置，机镰，b度图4三槽电机的齿槽转矩图5磁场分布图ⅣB图6时步法得到的永磁同步电动机三相电流波形5小结本文采用基于面向对象的技术，以MicrosoftVisualC++为工具，开发了一套基于Windows9x/WindowsNT操作平台的永磁电机性能有限元分析系统。
该系统采用模块化结构，具有丰富的图形界面，较高的可视化程度，和友好的用户界面，解决了永磁电机电磁场分析中的一些关键问题，为永磁电机的分析和设计提供了一个有效的分析工具。
参考文献：
[l]严登俊，黄学良，胡敏强．二维平面任意区域有限元网格自适应生成算法[J]．微电机，1999，（3）.刘瑞芳，胡敏强，严登俊，永磁电机中永磁体数学模型的分析[J]．微电机．2001，
（1）：
7-IO.[3]Kurihara,K,WakuiG,KubotaT.Steady-slateperfonnanceanaly-sisofpemanentmagnetsynchronousmotorsincludinl;
spaceharmon-icsMaOietics[J].IEEETransactionson,1994,30（3）:
1306-315.作者简介：
刘瑞芳（1971-），女，博士，研究方向为电机电磁场理论与计算。
基于PSpice的无嗣直流电机系统仿真73无刷直流电机驱动电路当然，如果要考察细微之处，比如磁阻定位转矩的影响，则还需慎重判断仿真结果的可信程度。
设计分靳粥∞%‘∞%么彩……．荔i脯笛～j呐：
髓柚瞄1驷齄’—●UOOmn"
C..●柚■_仿真结果4相电流结论用PSpice仿真无刷直流电机驱动系统能得到接近于助设计甚至排除故障。
[1]孙艳霞，刘宗．无刷直流电动机的系统仿真[J]．大连铁路学院学报，2000，21（4）：
23-27．颜南明，李长兵．基于MATLAB下的BLDCM调速系统仿真研究[J].系统仿真学报，2002，14（4）：
462-463，466.MicroSimCmporarion.MicroSimApplicationNotes[J].Version8.O，1997，6：
44-54.[4]MicroSimCmporation.MicraSimPSpiceA/D＆Basics+User'
s上接第4页）磁场分析时，该电机在不同转子位置下的磁力线图。
图5转子位置，机镰，b度三槽电机的齿槽转矩磁场分布图6时步法得到的永磁同步电动机三相电流波形5小本文采用基于面向对象的技术，以MicrosoftVisualC为工具，开发了一套基于Windows9x/WindowsNT操作平台的永磁电机性能有限元分析系统。
该系统采用模块化结构，具有丰富的图形界面，较高的可视化程度，和友好的用户界面，解决了永磁电机电磁场分析中的一些关键问题，
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