基于PSpice的无刷直流电机系统仿真Word下载.docx

1、 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 - 03 Abstract:Thepart,BLDCMTR,comingwith PSpice,is de-tailedin this paper.Andthe simulation of the wholesystemwithboth BLDCMTR anddriver containedis carried out.Thesimula- tion resultsaresimilar to the expenmentones.

2、All thisshowsthatthe wholesystemsimulation willbe helpful in designingaswell astesting the drivers for BLDCMTRs. Keywords:brushlessDCmotor;position sensor 1 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

3、；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） ，

4、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

5、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 j g cms 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 F gcm摩擦阻力矩定位转矩 D gcm定位转矩（ 认为是正弦的） 的峰值极对数p 转子极对数电感 L PSpice 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Ct g cm/A 图 1 是简化了的模型子电路图。 电气部分和

6、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3 c 尼戋C/210 C/2 j0 （a）电气部分Oi2sin（p0-）lFsign（s）咆气） ， j 气U VU（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gw a%幺彩 一 SimulationBrushlessDCMotorandDriverwithPSpice DING Wen-hao, WU Jian -hua,ZHANGShi -qin ZhejiangUniversity, ZhejiangHangzhou310027,调试

7、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 - 0005 Abstract:Thepart,BLDCMTR,comingwith PSpice,is de- tailedin this paper.Andthe simulation of the wholesystemwith both BLDCMTR anddriver containedis carried out.Thesimula- tion resultsaresimilar to the expenmentones.All thisshowsthat t

8、he wholesystemsimulation willbe helpful in designingaswell as testing the drivers for BLDCMTRs. Keywords:position sensor 1 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 S

9、imulink 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 -11 1 r/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

10、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 gcmsg. cm /rad -s -l g。 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-）l Fsign（s）咆气 ），气 U V （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）

11、=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 ii sin（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

12、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 2rrJ 的电流都对应一个转矩。按默认 ， 同样有 1A=19 cm ，但是

13、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 /2rr 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=Cdz （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

14、-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

15、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

16、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.OOlv 5v 2p1/3） 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

17、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 J100 N-2 gcmsBg.cm/rad.s-F gcmD 10 gcm 8 L 4 mHRc0.1 pFM0.5反电势峰值Ce8.0 V/r.s -lct13000 g.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=lgs2把式（1） 改写为。=I盖（21Ts）=， 警 r。t= Teml+r.m2 +T.m3 - Tf TD Td.mpi.g（3）其中：Teml=Cii sin（p0） （4）孥） （5）位是 g A Tf=F Td 。=谚寺历曰

18、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

19、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

20、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-m Ct= 209 8Ce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 。 -J In Out -O.顷丌矿 Ov葫回O.OOlv lIn0OUW-瓣蕊翮pv3）卜习压一oOFW- 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

21、行车用无刷直流电机的参数简称 N - -2 s cm/rad s- V/r s -l cm/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 I lllvr呐 ：髓柚瞄 ；1驷齄 nar1 U OOmn 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

22、 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.MicroSimApplication NotesJ.Version 8. O，1997 ，6 ： 44- 54.4MicroSimCmporation.MicraSimPSpiceA/D Basics+Users GuideJ.

23、Veraion 8.0,1997,6.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B图 6 时步法得到的永磁同步电动机三相电流波形 5

24、 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 Kur

25、ihara,K,WakuiG,KubotaT.Steady-slate perfonnanceanaly-sisofpemanentmagnetsynchronousmotorsincludinl;spaceharmon-ics MaOieticsJ.IEEETransactions on,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

26、i脯笛j呐：髓柚瞄1驷齄U OOm nC.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.MicroSimApplication NotesJ.Version 8. O，1997 ，6 ： 44- 54. 4 MicroSimCmporation.MicraSimPSpiceA/D Basics+Users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 ，