李延升，窦满峰，雷金莉
(两北工业大学，陕西西安710072)
摘要：分析了对转永磁无刷直流电动机和对转螺旋桨的数学模型，在Matlab／simulink平台上，建立了对转电机和对转螺旋桨仿真模型，并对转速电流双闭环调速系统带螺旋桨负载进行仿真分析，仿真结果表明：内外轴系统的转动惯量应尽量相同，呵提高推进系统的啊应速度；合理地设计推进系统．可使内外转轴转速相等，提高推进效率。
关键词：对转永磁无刷直流电动机；对转螺旋桨；建模；仿真
中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1004-7018(2010)11-0062-03
O 引 言
对转永磁无刷直流电动机采用永磁体作为外转子，电枢绕组作为内转子，内外转子依靠永磁体和电枢绕组所产生的磁场力相互作用反向转动，它直接驱动对转螺旋桨，在水下航行器中广泛应用。对转螺旋桨分为前桨和后桨，前桨联接于推进外轴，由对转电机的外转子驱动；后桨联接于推进内轴，由对转电机的内转子驱动。它既可以消除单螺旋桨旋转产生的横滚力矩，也可以提高螺旋桨的推进效率。推进系统在运行过程中，由于对转机构目身参数和工作环境等因素的影响，内外转子转速一般不同。研究对转电机和对转螺旋轴驱动系统负载匹配问题，使得前后轴驱动系统转速相等，方向相反，可有效地提高推进系统效率。
本文根据对转永磁无刷直流电动机和对转螺旋桨的数学模型，在Matlab／simulink软件中分别建立其仿真模型，通过仿真分析研究对转式永磁无刷直流电动机带对转螺旋桨的负载特性。
1 对转永磁无刷直流电动机和对转螺旋桨的数学模型
1.1 对转永磁无刷直流电动机的结构和工作原理对转永磁无刷直流电动机有两个转子，与普通的水磁无刷直流电动机相比，除了永磁体部分可以
根据牛顿第三定律，内外转子受到的电磁转矩在任意时刻都是大小相等、方向相反。由于电枢绕组在旋转，三相绕组的出线必须通过滑环引出来，所以对转水磁无刷直流电动机中的“无刷”是指没有机械换向器及其电刷。对转永磁元刷直流电动机的电磁关系与普通永磁无刷直流电动机相同，不同之处仅仅是电枢转动使得电动机的运动规律不同：普通永磁无刷直流电动机的电磁转矩驱动转子旋转，而对转永磁无刷直流电动机的电磁转矩驱动内外转子朝相反的方向旋转。
1.2对转永磁无刷直流电动机数学模型与普通永磁无刷直流电动机相比，对转永磁无刷直流电动机的电流方程、电压平衡方程一致，仪多了一个电枢转子的运动方程。。本文研究的对转式永磁无刷直流电动机，其气隙磁场波形为方波，绕组中感应电动势为梯形波，采用方波电流驱动。那么，假定对转永磁无刷直流电动机工作在二相导通星形三相六状态下，工作过程中磁路不饱和，不计满流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，那么三相绕组的电压平衡方程式为：
对转永磁无刷直流电动机接对转螺旋桨，当电机内外转子转速相等，前后两桨转矩相近，但相等，两桨产牛推力也不相同。
2 对转永磁无刷直流电动机和对转螺旋桨的仿真模型
2.1对转永磁无刷直流电动机仿真模型
根据对转永磁无刷直流电动机的数学模型，在simulink软件中建立仿真模型。该电机仿真模型包括反电势计算模块、电压方程模块、电磁转矩计算模块和转速计算模块。其中，反电动势计算是利用分段线性法模拟实现。根据两个转子的相对位置，将一个运行周期O。～360。分为6个阶段，每60。为一个换向阶段，每一相的每一个运行阶段都可用一段直线进行表示，根据某一时刻的两转子之问夹角和转速信号，确定该时刻各相所处的运行状态，通过直线方程即可求得反电动势波形。
转速计算模块如图3所示，输入量有电磁转矩、对转螺旋桨负载转矩和摩擦转矩，输出量为转子位置和转速信号，它们都是二维向量。电磁转矩和负
载转矩经过加法、乘法和积分运算后，得到转子角速度信号；对转子角速度进行积分运算即可得到转子位置信号。
3 实例仿真
3．1仿真对象为了分析对转电机带对转螺旋桨负载的特性，本，RJl2 Matlab／Simullnk中建立了数字控制系统的仿真模型，如图5所示。
图6中，当内外转子摩擦转矩相等，由于内转子转动惯量小，转速nr1稳定快，稳定后两转子转速相等，方向相反；当外转子摩擦转矩大于内转子，稳定后内转子转速大于外转子转速。
图9a、图9b和图9c是以上所述的c种情况摩擦转矩Tm=Tm的电磁转矩、A相电流和三相反电动势波形罔。从图中可以看出，电机起步阶段速度低，反电动势小，达到稳态后，反电动势波形接近理想梯形波。A相电流和电磁转矩波形表明：起动阶段系统保持转矩恒定，没有造成较大的转矩和相电流冲击，参考电流的限幅十分有效，电机稳定后，电流波形不是理想的梯形波，这是由于功率管开关引起的。
4 结论
本文对所建立的对转永磁无刷直流电动机和对转螺旋桨的仿真模型进行仿真分析，可得以下结论：
（1）设计电动推进系统时应尽量使内外轴系统的转动惯量相同，内外转子同时达到额定转速，从而提高系统的响应速度。
（2）当内外轴系统的摩擦转矩相等时，内外转子更容易达到相同转速，如图6a,图8a所示，从而提高推进系统的效率。
（3）根据对转电机的转子惯量和摩擦转矩等相关参数，选择适当的对转螺旋桨，从而使内外转子获取相同转速，提高推进效率，如图7，图8所示。
本文的模型采用模块化方法设计，可以便捷地实现，验证控制算法，为分析和设计对转式无刷直流电动机控制系统提供了有效手段和工具。
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