BLDC电机核心性能体现在T - n机械特性上，工程落地必不可少，本文基于上篇完整电路，仅靠LTspice原生指令就能绘制转速 - 转矩特性曲线。

LTspice-BLDC 直流无刷电机仿真 - Part2：转速 - 转矩机械特性曲线完整仿真

前言

上一篇《LTspice-BLDC 直流无刷电机仿真 - Part1》完整搭建了三相 BLDC 全电路仿真框架，实现了逆变器、自建 BLDC 电机模型、120° 霍尔换相逻辑，可观测反电动势、相电流、霍尔信号、实时转速、瞬时电磁转矩等瞬态波形，解决了 LTspice 无原生 BLDC 宏模型、电路级精细仿真难落地的痛点。

但仅看单负载下的瞬态波形，只能观察电机单点工况，无法完整评估电机全域性能：空载转速、堵转转矩、线性机械特性、不同母线电压下输出能力、高效工作区间都无法直观量化。 本文基于上篇完整电路，新增负载转矩步进扫描、稳态数据提取、转速 - 转矩（T-n）特性曲线绘制全套方案，零成本完成 BLDC 电机机械特性仿真，不用 Simulink、PLECS 付费软件，仅靠 LTspice 原生指令实现电机性能标定。

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一、为什么必须仿真转速 - 转矩特性曲线？

BLDC 电机核心性能全部体现在 T-n 机械特性上，工程落地必不可少：

1. 空载工况：负载转矩 T=0，获取空载转速 N0、空载母线电流 I0，匹配风机、水泵轻载场景；

2. 线性区间：标准梯形波 BLDC 理想 T-n 为直线，负载转矩越大，稳态转速线性下降；

3. 堵转工况：负载转矩拉满至转速归零，得到堵转转矩 Ts、堵转电流 Is，判断电机启动能力与过载保护阈值；

4. 多电压对比：批量扫描母线电压 VBUS，对比不同供电电压下最大输出转矩、调速范围；

5. 效率区间筛选：结合母线输入功率与机械输出功率，定位电机最高效率工作点，用于电池供电设备续航优化。

市面仿真软件大多需要付费授权才能批量扫描负载、输出特性曲线，LTspice 依靠.step param参数步进 +.op静态工作点分析，原生支持全域负载扫描，电路与机械量同步采集，精度覆盖功率级、电机绕组、机械运动方程全链路。

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二、复用 Part1 基础仿真架构

整套仿真三大核心模块完全沿用前文设计，仅对机械负载模块、仿真控制指令做扩展修改：

2.1 功率级：三相全桥逆变器

栅极驱动由 74HC138 译码霍尔信号实现 120° 六状态换相，.inc 74HC.lib导入译码器模型，保证换相时序与硬件实际一致。

2.2 自建 BLDC 电机核心子电路

LTspice 无内置 BLDC 模型，基于电机数学模型搭建子电路，包含：

• 三相反电动势梯形波源（互差 120° 电角度，平顶 120°，区分 PMSM 正弦反电动势）；

• 定子三相绕组电感、等效电阻；

• 机械运动积分模块：实时输出电角度、机械角度、角速度 ω、转速 rpm、电磁转矩 Te；

• 霍尔传感器信号生成单元，输出 HA/HB/HC 三路方波。

机械运动方程核心逻辑：电磁转矩减去负载转矩、摩擦转矩，积分得到转子角速度，再换算转速，上篇已验证瞬态波形收敛稳定。

2.3 换相逻辑单元

霍尔三路信号输入 74HC138 译码，输出 6 路栅极驱动信号 AGH/BGH/CGH/AGL/BGL/CGL，严格遵循 120° 两两导通换相规则，每 60° 电角度切换一相，匹配工业通用无感 / 有感 BLDC 驱动逻辑。

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三、新增：负载转矩步进扫描方案（核心改造点）

上篇仅固定单负载.param tload=0.015，只能看单一负载瞬态波形；本篇通过参数步进扫描负载 Tload，从空载 T=0 逐步增加至堵转，批量提取每个负载下稳态转速、电磁转矩、母线电流，最终绘制 T-n 曲线。

3.1 修改负载参数定义

3.1.1注释原有固定负载参数，新增步进负载变量：

* 原固定负载注释 *.param tload=0.015 * 新增负载转矩步进：0~0.055N·m，步长0.005N·m，覆盖空载到堵转 . step param tload list 0 0.005 0.011 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055

步长可按需加密：需要高精度曲线可缩小至 0.002N・m；快速验证可放大步长减少仿真耗时。

3.1.2 机械负载源绑定 Tload 变量 电机机械子电路中负载转矩源直接引用全局参数 Tload，实现每一次仿真自动切换负载大小。

3.2 双模式仿真配置：瞬态稳态 + 静态工作点提取

想要绘制平滑 T-n 曲线，必须获取每个负载下电机稳定运行后的稳态值，分两步仿真：

步骤一：瞬态仿真 (.tran)：给电机足够时间启动、转速收敛至稳态，消除启动冲击、换相波动影响； * 瞬态仿真：0~520ms，跳过前500ms启动过程，取500~520ms稳态数据

.tran 0 520m 500m uic

步骤二：测量稳态转速和平均电磁转矩：

运行后，LTspice 自动生成全部步进组合的静态工作点报表，运行结束后在spice error log里查看：

.measure rpm_avg avg V(rpm)

.measure Te_avg avg V(Te)

.measure ia_rms rms V(ia)

• 机械量：V (rpm) 稳态转速、V (te) 平均电磁转矩,；

• 电气量： V(ia)A相电流有效值。

3.3 多电压联合扫描（拓展对比，本次未展示）

如需对比不同供电电压下机械特性，两条.step 指令叠加使用，LTspice 自动遍历所有组合： .step param VBUS list 17.25 23.25 31.25 .step param Tload list 0 0.01 0.02 ... 0.06

会分别输出 17.25V、23.25V、31.25V 三条独立 T-n 曲线，直观看出电压越高，同转矩下转速越高、最大输出转矩越大。

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四、仿真运行与数据提取步骤

 

 

4.1 完整电路检查

1. 确认 BLDC 电机子电路、逆变器、霍尔译码模块无接线错误；

2. 74HC 译码器库文件.inc 74HC.lib路径正确，无模型缺失报错；

3. 所有机械参数（绕组电阻、电感、反电动势常数、转子惯量）统一使用 SI 单位，保证转速、转矩单位换算准确。

4.2 执行批量仿真

点击运行仿真，LTspice 会依次遍历每一个 Tload 负载点，每个负载完成一次完整瞬态计算。 负载点越多、仿真时长越长，建议初次调试先用大步长快速验证曲线趋势，再加密步长做精细标定。

步骤 3：稳态数据导出

1. 仿真完成后，打开波形窗口，横轴切换为步进参数 Tload；

2. 拖拽观测变量 V (rpm)（稳态转速）、V (te)（平均电磁转矩）；

3. SPICE ERROR LOG查看数据

4. 在Log里点击Plot .step 'ed.meas data绘制T-n 曲线。

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五、仿真结果解读：转速 - 转矩特性曲线核心规律

以 18V 母线电压仿真数据为例，曲线呈现标准 BLDC 线性机械特性：

 

上篇未放置，这一篇补上，在某一Tload赋值下

 

1. 空载点（Tload=0） 电磁转矩仅抵消机械摩擦，转速达到最大值空载 N0，母线电流最小，对应曲线最右端点；

2. 线性下降区间 负载转矩逐步增加，绕组压降增大、反电动势抵消作用减弱，转速匀速线性降低，是电机常规工作区间；

3. 堵转临界点（出现在比Tload=0.055N・m更高的load） 负载转矩超过电机最大输出能力，转速趋近 0，相电流、母线电流达到峰值堵转电流，极易造成绕组过热退磁，实际产品必须增加限流保护；

电压对曲线的影响（推测） VBUS 提升后，整条 T-n 曲线整体上移：同一负载转矩下转速更高，最大堵转转矩同步增大，调速范围拓宽；低压工况下整体输出能力受限，重载容易失速。

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六、上下篇仿真体系总结

• Part1：基础瞬态仿真，单点工况观测电气、机械瞬时波形，吃透 BLDC 换相、反电动势、电流波形底层原理；

• Part2：全域负载扫描，批量提取稳态数据，生成转速 - 转矩机械特性曲线，完成电机性能量化标定，直接指导硬件驱动、电池选型、负载匹配设计。

整套方案完全免费、无节点限制、电路级精度，不用付费电机仿真软件，仅依靠 LTspice 就能完成从原理波形观测到整机性能标定全流程仿真，适合电机控制硬件工程师、嵌入式 BLDC 开发人员快速迭代方案。

后续 Part3 将基于本篇 T-n 特性曲线，下一篇展开：

1. 转矩 - 母线电流曲线：判断绕组电流过载阈值；

2. 转矩 - 输出功率曲线：找到电机峰值输出功率点；

3. 转矩 - 效率曲线：筛选设备长期工作最优负载区间，优化电池续航。。

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