基于orCAD Capture CIS下的有刷直流电机驱动仿真

本文介绍了如何使用Pspice进行有刷直流电机驱动的仿真设计，包括选择合适的双联继电器和低边驱动，以及英飞凌的BTS3256D。通过详细步骤展示了模型的建立、仿真环境配置和模型搭载，最后对比分析了不同驱动方案的电机电流波形和EMC性能。

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项目：基于车载系统的有刷直流电机的驱动设计仿真
引言：做为电子工程师，在我们实际做项目的时候，尽管我们可能对线路原理了然于胸，但是尽可能的模仿真实零部件的仿真能让我们尽可能的多了解线路在各种情况下可能出线的问题，以及提高设计的一次成功率，从而避免多次改版；本文就关于实际车载12V系统的有刷直流电机控制驱动的一个设计。

在设计前，我们需要明确知道自己的设计目标
输入电压工作范围：9V~18V
额定输入电压：DC12V
负载电流：额定3.5A，最大15A,
保护功能：过流保护，短路保护

方案设计
基于有刷电机驱动方案设计，无非为以下几种方案
方案1：双联继电器+低边驱动+运放电流检测
方案2：NMOS全桥+预驱动+运放电流检测
基于性能的成本的综合考虑，本方案采取双联继电器+一颗低边驱动的方案，继电器用于实现电机IDE换向功能，采用额定电流30A的双联继电器就好，这里选型只是不做累述；低边MOSFET可以采用分立MOS+预驱的方案，也可以用智能低边MOSFET的方案；基于电磁兼容的考虑，英飞凌的BTS3256D具备电磁兼容优化功能，且输入输出直接兼容单片机IO口，成本上也具备优势，这里选择BTS3256D作为用于调速的低边开关，电流检测采用LM2902或者其他运放就可以。
电机驱动部分原理图如下图1所示：
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原理部分不做累述，这里要注意续流二极管D9的选择，要求选择高频，大电流，导通压降低的肖特基二极管，否则MOS关断的时候不能有效的消除高压尖峰；BTS3256D具体设计要点参考英飞凌官方设计资料，不做累述，本文主要介绍基于Pspice模型的仿真步骤；

步骤1–建立仿真模型以及对应原理图符号:
下载相关器件的Pspice模型(以二极管B540C作为例子)；
在安森美官网上下载如图示2所示的Pspice模型
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(最好所有的模型在工作盘建立一个全英文的文件夹保存，因为后续仿真环境的配置需要配置模型路径)保存后找到看是否有如图3所示的MBRS540T3.REV0.lib的文件
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打开Cadence系统下的Model Editor,选择Capture,点击Done
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在菜单栏选择File–Model Import Wizard
在Enter Input Model Library:中选择之前下载的MBRS540T3.REV0.lib文件，如下图所示
点击下一页

匹配符号(注意如果没有符号，可以自己建立orcad库，画一个原理图封装)，点击完成，显示下图界面，表示模型建立完成
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点击OK;
此时打开我们之前建立符号的定义的保存符号的文件夹

找到MBRS540T3.REV0.olb文件，如下图所示，则表示建立仿真符号完成(这个符号就是我们画原理图中的符号库)

步骤2–建立Pspice的原理图
打开orcad Capture CIS,选择 PSpice Analog or MixedA/D，建立原理图
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注意：这里建立的原理图是仿真单向电机的运行，没有继电器，需要换向的实际电路请参考上文；
同理，参考二极管的建模建立运放的模型的；BTS2530英飞凌官方有完整的仿真模型bts3256D_encrypted.lib和仿真原理图符号库BTS3256D.OLB；直接下载即可使用；当然，你也可以用普通的分立MOS来仿真；模型下载的时候尽量找一些大的公司，如英飞凌，安森美，TI等
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步骤3–建立仿真环境
画好原理图后，你需要建立仿真环境，如下图两个界面需要注意，其他默认即可

步骤4–仿真模型的搭载：如果不搭载仿真模型，则无法进行仿真(这里还是以之前建立的二极管B540C模型为例)
点击Simulation Setting --Configuration Files-- Library 显示如下图所示界面
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在Filename下点击Browse,找到我买之前下载的仿真模型 MBRS540T3.REV0.LIB，选择它，并且点击Add as Global,把它作为全局的仿真模型，这样所有的原理图都可以调用B540C这个模型了

点击Apply,然后点击ok,配置完成
这里要注意，通用的电阻，电容，电感是在下图所示orcad自带的库ANALOG.olb里面，如下图所示
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步骤5–开始仿真
点击RunPspice
仿真完成后，原理图界面会显示静态的节点电压和节点电流，如下图所示

我们先来看看没有EMC优化(即BTS53256D的SRP引脚悬空或接兆欧级大电阻)的电机电流波形和ADC电流采样波形如下图所示(注意电机的模型等效于电感和电阻的串联，这里可以根据你的实际需要的电机去做一个等效(可以用LCR电桥测试电机实际的电感和电阻值来做简单的等效))
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从上图看，红色为电机的电流，典型的电机电流波形，绿色为低边MOSFET的DRAIN极波形，没有关断尖峰，蓝色为ADC电流采样后的电压值。单片机根据该值做出对应的保护动作。