基于PSpice的直流無刷風(fēng)扇數(shù)據(jù)建模方法

熊 川，覃遠(yuǎn)年

（1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 電子工程系，廣西 桂林 541004）

基于PSpice的直流無刷風(fēng)扇數(shù)據(jù)建模方法

熊 川1，2，覃遠(yuǎn)年1

（1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 電子工程系，廣西 桂林 541004）

由于直流無刷風(fēng)扇采用的電機(jī)不同，其電氣特性也存在差異，PSpice仿真軟件中很難找到合適的PSpice模型，設(shè)計(jì)者將經(jīng)常進(jìn)行創(chuàng)建或修改模型的操作，而傳統(tǒng)建模的方法過程煩瑣，工作量大且不易掌握。提出一種根據(jù)直流無刷風(fēng)扇的實(shí)際工作參數(shù)，快速創(chuàng)建PSpice模型的新方法，通過此方法能快捷建立較高精度的仿真模型，有效解決PSpice仿真模型庫缺失的問題。

直流無刷風(fēng)扇；PSpice；驅(qū)動電路；仿真；占空比

0 引言

隨著微型計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，CPU的功耗隨之增加，直流無刷風(fēng)扇作為唯一的主動散熱部件，直接影響計(jì)算機(jī)的熱穩(wěn)定性。風(fēng)扇的穩(wěn)定性、可靠性及散熱效率都必須優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是一個反復(fù)驗(yàn)證與完善的設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)者通常采用PSpice仿真的計(jì)算機(jī)輔助手段來完成。

關(guān)于直流無刷風(fēng)扇建模的文獻(xiàn)有很多，但大多數(shù)是基于Matlab模型創(chuàng)建，而PSpice的器件庫中缺失直流無刷風(fēng)扇的模型，這給仿真帶來極大不便。而其他文獻(xiàn)論述的建模方法都是將直流無刷風(fēng)扇的電磁和電氣特性用數(shù)學(xué)模型來描述。模型越接近于實(shí)物特性，仿真結(jié)果越有參考價(jià)值，而直流無刷風(fēng)扇的電氣特性主要由直流無刷電機(jī)決定，軟件庫并沒有相應(yīng)的模型，或者提供的模型根本無法保證仿真的精度，如何快速為直流無刷風(fēng)扇建立模型是關(guān)鍵。筆者提出一種由實(shí)測數(shù)據(jù)方便、快速地為直流無刷風(fēng)扇創(chuàng)建PSpice模型[1-2］的方法。

1 直流無刷風(fēng)扇簡介

1.1 直流無刷風(fēng)扇的組成結(jié)構(gòu)

直流無刷風(fēng)扇主要由直流無刷電機(jī)、霍爾組件及扇葉3大部份組成（見圖1）。其電氣特性主要取決于直流無刷電機(jī)，而風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速等物理特性還跟扇葉和霍爾組件有關(guān)[3］。

圖1 直流無刷風(fēng)扇的組成結(jié)構(gòu)

1.2 直流無刷風(fēng)扇的工作原理

直流無刷電動機(jī)為直流無刷風(fēng)扇的核心部件，主要由電動機(jī)主體和驅(qū)動電路組成，其中電動機(jī)主體有定子和轉(zhuǎn)子兩部分，定子繞組多采用四相對稱結(jié)構(gòu)，而轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，一般為磁性橡膠條或橡膠環(huán)。直流無刷電動機(jī)的內(nèi)部電路如圖2所示，霍爾傳感器通過磁場的變化確定轉(zhuǎn)子位置，Qa與Qb交替導(dǎo)通為定子繞組提供電流并形成磁場，在磁場力的作用下使轉(zhuǎn)子帶動扇葉轉(zhuǎn)動起來。

直流無刷風(fēng)扇功率驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)原理大同小異，典型驅(qū)動電路如圖3所示。FANPWM是從主板Super I/O口輸出的PWM信號，當(dāng)CPU溫度越高，PWM信號的占空比就越大，使直流無刷風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速增加[4］。

圖2 直流無刷電機(jī)內(nèi)部電路圖

圖3 直流無刷風(fēng)扇功率驅(qū)動電路

2 直流無刷風(fēng)扇參數(shù)的獲取及建模

由于直流無刷風(fēng)扇的電氣特性會因?yàn)椴捎貌煌碾姍C(jī)而存在一些差異，如果對直流無刷風(fēng)扇的實(shí)際工作電壓、電流以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行測量，并找出三者相互的關(guān)系，由此建立的模型[5］用于仿真，其結(jié)果會更接近實(shí)際情況。

2.1 參數(shù)測試

準(zhǔn)備好直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表、PC機(jī)等設(shè)備各一臺。直流無刷風(fēng)扇正常安裝在CPU上，接通穩(wěn)壓電源給風(fēng)扇通電，同時PC上電，進(jìn)入BIOS設(shè)置界面，并按0.1 V步進(jìn)值調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源，用萬用表讀取電壓、電流值，通過PC的BIOS界面 （見圖4）讀出直流無刷風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

圖4 CPU溫度及直流無刷風(fēng)扇轉(zhuǎn)速顯示界面

將實(shí)際測量數(shù)據(jù)記錄下來，見表1，電阻是由測量數(shù)據(jù)得到的計(jì)算值。

2.2 數(shù)據(jù)分析處理

由直流無刷風(fēng)扇的測量數(shù)據(jù)可得出電壓、電流及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，VAR曲線、電壓與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線[6］分別如圖5和圖6所示。

表1 實(shí)際測量數(shù)據(jù)表

圖5 直流無刷風(fēng)扇VAR

圖6 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與電壓關(guān)系

由曲線明顯可以看出，直流無刷風(fēng)扇存在啟動壓降，只有外加端電壓超過啟動電壓風(fēng)扇才轉(zhuǎn)動，之后風(fēng)扇的電流、轉(zhuǎn)速均隨端電壓的增加而增加，直流無刷風(fēng)扇的阻抗是隨轉(zhuǎn)速增加而減小的量。

2.3 快速創(chuàng)建PSpice模型

前面對直流無刷風(fēng)扇工作參數(shù)的測量及分析主要是為建模提供依據(jù)。結(jié)果表明，正常工作中的直流無刷風(fēng)扇，可以用變阻器模型來表示，借助電壓和電流的相對關(guān)系即可描述出風(fēng)扇的阻抗特性，建立直流無刷風(fēng)扇模型符號如圖7所示。

圖7 直流無刷風(fēng)扇模型符號

在創(chuàng)建直流無刷風(fēng)扇的PSpice模型時，用壓控電流源G描述變阻器的特性。其語句格式為

G（name）N+N-Table｛expression｝=｛input value，out value｝；

從測量數(shù)據(jù)表格中選取幾組最典型的數(shù)據(jù)，按Table形式完成直流無刷風(fēng)扇的PSpice建模。

Subckt FAN V+V-G1 V+V-TABLE｛V（V+，V-）｝+｛（0，0）（1.5，0）（1.6，0.001）（2.7，0.007）（2.8，0.01）（3.2，0.015）（3.3，0.027）（3.4，0.079）（3.5，0.09）（3.6，0.1）（6.2，0.211）（8，0.296）（10.0，0.37）（11.0，0.413）（12.6，0.473）+｝.Ends

3 PSpice模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，對創(chuàng)建的直流無刷風(fēng)扇PSpice模型進(jìn)行仿真[7］。

3.1 VAR仿真

簡單把電源與風(fēng)扇模型符號相連，進(jìn)行直流掃描分析，觀察通過風(fēng)扇電流的變化，VAR仿真結(jié)果如圖8所示，可以看出該模型是正確的。

圖8 直流無刷風(fēng)扇VAR仿真曲線

3.2 直流無刷風(fēng)扇驅(qū)動電路仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證直流無刷風(fēng)扇模型及其參數(shù)的準(zhǔn)確性，將風(fēng)扇模型符號接入驅(qū)動電路[8-9］進(jìn)行仿真，如圖9所示。

圖9 風(fēng)扇驅(qū)動電路

改變U2輸出信號的占空比（按10%步進(jìn)從0到100%變化），觀察直流無刷風(fēng)扇電壓-電流的仿真結(jié)果，圖10、圖11分別為占空比10%時直流無刷風(fēng)扇的電壓和電流。

圖10 占空比10%直流無刷風(fēng)扇電壓

圖11 占空比10%直流無刷風(fēng)扇電流

繼續(xù)改變U2輸出信號的占空比為20%、30%、…、100%，其仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 風(fēng)扇電壓、電流與占空比的關(guān)系

由表2可以看出，不同占空比的仿真電壓和電流與測試數(shù)據(jù)吻合，例如占空比10%對應(yīng)的仿真電壓、電流分別為（4.51 V，0.138 A），而測試數(shù)據(jù)為（4.508 V，0.138 A），兩者非常接近。

4 結(jié)語

本文提出基于PSpice的直流無刷風(fēng)扇快速建模方法，簡單實(shí)用，建模速度快，所創(chuàng)建的模型仿真偏差較小，可滿足較高精度的仿真。利用類似的方法可以為其他特殊器件快速創(chuàng)建PSpice模型。

[1］李鯤鵬，胡虔生，黃允凱.計(jì)及繞組電感的永磁無刷直流電動機(jī)電路模型及其分析[J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（1）：76-80.

[2］江鶯，王宏華.基于SIMULINK/PSB的直流無刷電機(jī)非線性動態(tài)模型建模[J］.機(jī)械制造與自動化，2007，36（2）：117-121.

[3］柳龍新.CPU風(fēng)扇座問題引起死機(jī)[J］.電腦入門，2011（10）：57.

[4］鄭自偉，劉興中.基于FPGA的直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J］.自動化應(yīng)用，2011（10）：38-40.

[5］沈艷霞，紀(jì)志成，姜建國.基于VisSim的無刷直流電機(jī)的仿真模型[J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2003，7（4）：294-298.

[6］任志斌，王業(yè)占，梁建偉.基于粒子群優(yōu)化設(shè)計(jì)的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)研制[J］.微電機(jī)，2011，44（8）：64-66，81.

[7］王帥，齊曉慧，裴亮鋒.基于模糊控制的涵道風(fēng)扇無人機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[J］.國外電子測量技術(shù)，2011，30（12）：34-36，62.

[8］Pillay P，Krishnan R.Modeling of permanent magnet motor drives[J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1988，35（4）：535-541.

[9］戴圣偉，李燕林.智能溫控調(diào)速電機(jī)在各散熱型風(fēng)扇中的應(yīng)用 [J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，25（6）：97-99.

XIONG Chuan1，2，QIN Yuan-nian1
（1.School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，Guangxi，China；2.Department of Electronic Engineering，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin 541004，Guangxi，China）

Due to the electrical characteristics of the DC brushless fans with different motors are various，it is difficult to find the appropriate PSpice models for them in PSpice simulation software.The designers should be establish or revise models，which is a complicated process.This paper proposes a new method for establishing the PSpice model of DC brushless fan quickly，which according to the real work parameters.The simulation model with high precision could be established easily by this method，and it provides a way to solve the problem of shortage in PSpice model storehouse.

DC brushless fan；PSpice；driving circuit；simulation；duty ratio

TP273；TM33

：A

：1673-0143（2012）03-0054-04

（責(zé)任編輯：曾 婷）

2012-05-13

廣西教育廳資助項(xiàng)目 （200911LX458）；桂林航專2011年校級科研項(xiàng)目 （X11R029）

熊 川 （1978—），男，講師，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)、EDA技術(shù)。