基于PSpice的直流无刷风扇数据建模方法

熊 川，覃远年

（1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004；2.桂林航天工业学院 电子工程系，广西 桂林 541004）

基于PSpice的直流无刷风扇数据建模方法

熊 川1，2，覃远年1

（1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004；2.桂林航天工业学院 电子工程系，广西 桂林 541004）

由于直流无刷风扇采用的电机不同，其电气特性也存在差异，PSpice仿真软件中很难找到合适的PSpice模型，设计者将经常进行创建或修改模型的操作，而传统建模的方法过程烦琐，工作量大且不易掌握。提出一种根据直流无刷风扇的实际工作参数，快速创建PSpice模型的新方法，通过此方法能快捷建立较高精度的仿真模型，有效解决PSpice仿真模型库缺失的问题。

直流无刷风扇；PSpice；驱动电路；仿真；占空比

0 引言

随着微型计算机硬件技术的飞速发展，CPU的功耗随之增加，直流无刷风扇作为唯一的主动散热部件，直接影响计算机的热稳定性。风扇的稳定性、可靠性及散热效率都必须优化设计，这是一个反复验证与完善的设计过程，设计者通常采用PSpice仿真的计算机辅助手段来完成。

关于直流无刷风扇建模的文献有很多，但大多数是基于Matlab模型创建，而PSpice的器件库中缺失直流无刷风扇的模型，这给仿真带来极大不便。而其他文献论述的建模方法都是将直流无刷风扇的电磁和电气特性用数学模型来描述。模型越接近于实物特性，仿真结果越有参考价值，而直流无刷风扇的电气特性主要由直流无刷电机决定，软件库并没有相应的模型，或者提供的模型根本无法保证仿真的精度，如何快速为直流无刷风扇建立模型是关键。笔者提出一种由实测数据方便、快速地为直流无刷风扇创建PSpice模型[1-2］的方法。

1 直流无刷风扇简介

1.1 直流无刷风扇的组成结构

直流无刷风扇主要由直流无刷电机、霍尔组件及扇叶3大部份组成（见图1）。其电气特性主要取决于直流无刷电机，而风扇的转速等物理特性还跟扇叶和霍尔组件有关[3］。

图1 直流无刷风扇的组成结构

1.2 直流无刷风扇的工作原理

直流无刷电动机为直流无刷风扇的核心部件，主要由电动机主体和驱动电路组成，其中电动机主体有定子和转子两部分，定子绕组多采用四相对称结构，而转子上粘有已充磁的永磁体，一般为磁性橡胶条或橡胶环。直流无刷电动机的内部电路如图2所示，霍尔传感器通过磁场的变化确定转子位置，Qa与Qb交替导通为定子绕组提供电流并形成磁场，在磁场力的作用下使转子带动扇叶转动起来。

直流无刷风扇功率驱动电路的结构原理大同小异，典型驱动电路如图3所示。FANPWM是从主板Super I/O口输出的PWM信号，当CPU温度越高，PWM信号的占空比就越大，使直流无刷风扇的转速增加[4］。

图2 直流无刷电机内部电路图

图3 直流无刷风扇功率驱动电路

2 直流无刷风扇参数的获取及建模

由于直流无刷风扇的电气特性会因为采用不同的电机而存在一些差异，如果对直流无刷风扇的实际工作电压、电流以及转速等参数进行测量，并找出三者相互的关系，由此建立的模型[5］用于仿真，其结果会更接近实际情况。

2.1 参数测试

准备好直流稳压电源、数字万用表、PC机等设备各一台。直流无刷风扇正常安装在CPU上，接通稳压电源给风扇通电，同时PC上电，进入BIOS设置界面，并按0.1 V步进值调节直流稳压电源，用万用表读取电压、电流值，通过PC的BIOS界面 （见图4）读出直流无刷风扇的转速。

图4 CPU温度及直流无刷风扇转速显示界面

将实际测量数据记录下来，见表1，电阻是由测量数据得到的计算值。

2.2 数据分析处理

由直流无刷风扇的测量数据可得出电压、电流及转速之间的关系，VAR曲线、电压与转速关系曲线[6］分别如图5和图6所示。

表1 实际测量数据表

图5 直流无刷风扇VAR

图6 风扇转速与电压关系

由曲线明显可以看出，直流无刷风扇存在启动压降，只有外加端电压超过启动电压风扇才转动，之后风扇的电流、转速均随端电压的增加而增加，直流无刷风扇的阻抗是随转速增加而减小的量。

2.3 快速创建PSpice模型

前面对直流无刷风扇工作参数的测量及分析主要是为建模提供依据。结果表明，正常工作中的直流无刷风扇，可以用变阻器模型来表示，借助电压和电流的相对关系即可描述出风扇的阻抗特性，建立直流无刷风扇模型符号如图7所示。

图7 直流无刷风扇模型符号

在创建直流无刷风扇的PSpice模型时，用压控电流源G描述变阻器的特性。其语句格式为

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

从测量数据表格中选取几组最典型的数据，按Table形式完成直流无刷风扇的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模型的验证

为了验证模型的准确性，对创建的直流无刷风扇PSpice模型进行仿真[7］。

3.1 VAR仿真

简单把电源与风扇模型符号相连，进行直流扫描分析，观察通过风扇电流的变化，VAR仿真结果如图8所示，可以看出该模型是正确的。

图8 直流无刷风扇VAR仿真曲线

3.2 直流无刷风扇驱动电路仿真

为了进一步验证直流无刷风扇模型及其参数的准确性，将风扇模型符号接入驱动电路[8-9］进行仿真，如图9所示。

图9 风扇驱动电路

改变U2输出信号的占空比（按10%步进从0到100%变化），观察直流无刷风扇电压-电流的仿真结果，图10、图11分别为占空比10%时直流无刷风扇的电压和电流。

图10 占空比10%直流无刷风扇电压

图11 占空比10%直流无刷风扇电流

继续改变U2输出信号的占空比为20%、30%、…、100%，其仿真结果统计如表2所示。

表2 风扇电压、电流与占空比的关系

由表2可以看出，不同占空比的仿真电压和电流与测试数据吻合，例如占空比10%对应的仿真电压、电流分别为（4.51 V，0.138 A），而测试数据为（4.508 V，0.138 A），两者非常接近。

4 结语

本文提出基于PSpice的直流无刷风扇快速建模方法，简单实用，建模速度快，所创建的模型仿真偏差较小，可满足较高精度的仿真。利用类似的方法可以为其他特殊器件快速创建PSpice模型。

[1］李鲲鹏，胡虔生，黄允凯.计及绕组电感的永磁无刷直流电动机电路模型及其分析[J］.中国电机工程学报，2004，24（1）：76-80.

[2］江莺，王宏华.基于SIMULINK/PSB的直流无刷电机非线性动态模型建模[J］.机械制造与自动化，2007，36（2）：117-121.

[3］柳龙新.CPU风扇座问题引起死机[J］.电脑入门，2011（10）：57.

[4］郑自伟，刘兴中.基于FPGA的直流无刷电机调速系统的设计[J］.自动化应用，2011（10）：38-40.

[5］沈艳霞，纪志成，姜建国.基于VisSim的无刷直流电机的仿真模型[J］.电机与控制学报，2003，7（4）：294-298.

[6］任志斌，王业占，梁建伟.基于粒子群优化设计的直流无刷电机控制系统研制[J］.微电机，2011，44（8）：64-66，81.

[7］王帅，齐晓慧，裴亮锋.基于模糊控制的涵道风扇无人机设计与仿真[J］.国外电子测量技术，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］戴圣伟，李燕林.智能温控调速电机在各散热型风扇中的应用 [J］.湖南工业大学学报，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

（责任编辑：曾 婷）

2012-05-13

广西教育厅资助项目 （200911LX458）；桂林航专2011年校级科研项目 （X11R029）

熊 川 （1978—），男，讲师，研究方向：应用电子技术、EDA技术。