李延升，竇滿峰，雷金莉
(兩北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：分析了對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和對轉(zhuǎn)螺旋槳的數(shù)學(xué)模型，在Matlab／simulink平臺(tái)上，建立了對轉(zhuǎn)電機(jī)和對轉(zhuǎn)螺旋槳仿真模型，并對轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)帶螺旋槳負(fù)載進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明：內(nèi)外軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)盡量相同，呵提高推進(jìn)系統(tǒng)的啊應(yīng)速度；合理地設(shè)計(jì)推進(jìn)系統(tǒng)．可使內(nèi)外轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速相等，提高推進(jìn)效率。
關(guān)鍵詞：對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)；對轉(zhuǎn)螺旋槳；建模；仿真
中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1004-7018(2010)11-0062-03
O 引 言
對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)采用永磁體作為外轉(zhuǎn)子，電樞繞組作為內(nèi)轉(zhuǎn)子，內(nèi)外轉(zhuǎn)子依靠永磁體和電樞繞組所產(chǎn)生的磁場力相互作用反向轉(zhuǎn)動(dòng)，它直接驅(qū)動(dòng)對轉(zhuǎn)螺旋槳，在水下航行器中廣泛應(yīng)用。對轉(zhuǎn)螺旋槳分為前槳和后槳，前槳聯(lián)接于推進(jìn)外軸，由對轉(zhuǎn)電機(jī)的外轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)；后槳聯(lián)接于推進(jìn)內(nèi)軸，由對轉(zhuǎn)電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)。它既可以消除單螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的橫滾力矩，也可以提高螺旋槳的推進(jìn)效率。推進(jìn)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由于對轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)目身參數(shù)和工作環(huán)境等因素的影響，內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般不同。研究對轉(zhuǎn)電機(jī)和對轉(zhuǎn)螺旋軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載匹配問題，使得前后軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速相等，方向相反，可有效地提高推進(jìn)系統(tǒng)效率。
本文根據(jù)對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和對轉(zhuǎn)螺旋槳的數(shù)學(xué)模型，在Matlab／simulink軟件中分別建立其仿真模型，通過仿真分析研究對轉(zhuǎn)式永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)帶對轉(zhuǎn)螺旋槳的負(fù)載特性。
1 對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和對轉(zhuǎn)螺旋槳的數(shù)學(xué)模型
1.1 對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，與普通的水磁無刷直流電動(dòng)機(jī)相比，除了永磁體部分可以
根據(jù)牛頓第三定律，內(nèi)外轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩在任意時(shí)刻都是大小相等、方向相反。由于電樞繞組在旋轉(zhuǎn)，三相繞組的出線必須通過滑環(huán)引出來，所以對轉(zhuǎn)水磁無刷直流電動(dòng)機(jī)中的“無刷”是指沒有機(jī)械換向器及其電刷。對轉(zhuǎn)永磁元刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系與普通永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)相同，不同之處僅僅是電樞轉(zhuǎn)動(dòng)使得電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同：普通永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子朝相反的方向旋轉(zhuǎn)。
1.2對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型與普通永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)相比，對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電流方程、電壓平衡方程一致，儀多了一個(gè)電樞轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程。。本文研究的對轉(zhuǎn)式永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，其氣隙磁場波形為方波，繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢為梯形波，采用方波電流驅(qū)動(dòng)。那么，假定對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)工作在二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)下，工作過程中磁路不飽和，不計(jì)滿流和磁滯損耗，三相繞組完全對稱，那么三相繞組的電壓平衡方程式為：
對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)接對轉(zhuǎn)螺旋槳，當(dāng)電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相等，前后兩槳轉(zhuǎn)矩相近，但相等，兩槳產(chǎn)牛推力也不相同。
2 對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和對轉(zhuǎn)螺旋槳的仿真模型
2.1對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)仿真模型
根據(jù)對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在simulink軟件中建立仿真模型。該電機(jī)仿真模型包括反電勢計(jì)算模塊、電壓方程模塊、電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊。其中，反電動(dòng)勢計(jì)算是利用分段線性法模擬實(shí)現(xiàn)。根據(jù)兩個(gè)轉(zhuǎn)子的相對位置，將一個(gè)運(yùn)行周期O�！�360。分為6個(gè)階段，每60。為一個(gè)換向階段，每一相的每一個(gè)運(yùn)行階段都可用一段直線進(jìn)行表示，根據(jù)某一時(shí)刻的兩轉(zhuǎn)子之問夾角和轉(zhuǎn)速信號，確定該時(shí)刻各相所處的運(yùn)行狀態(tài)，通過直線方程即可求得反電動(dòng)勢波形。
轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊如圖3所示，輸入量有電磁轉(zhuǎn)矩、對轉(zhuǎn)螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩，輸出量為轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號，它們都是二維向量。電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)
載轉(zhuǎn)矩經(jīng)過加法、乘法和積分運(yùn)算后，得到轉(zhuǎn)子角速度信號；對轉(zhuǎn)子角速度進(jìn)行積分運(yùn)算即可得到轉(zhuǎn)子位置信號。
3 實(shí)例仿真
3．1仿真對象為了分析對轉(zhuǎn)電機(jī)帶對轉(zhuǎn)螺旋槳負(fù)載的特性，本，RJl2 Matlab／Simullnk中建立了數(shù)字控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖5所示。
圖6中，當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子摩擦轉(zhuǎn)矩相等，由于內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，轉(zhuǎn)速nr1穩(wěn)定快，穩(wěn)定后兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相等，方向相反；當(dāng)外轉(zhuǎn)子摩擦轉(zhuǎn)矩大于內(nèi)轉(zhuǎn)子，穩(wěn)定后內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
圖9a、圖9b和圖9c是以上所述的c種情況摩擦轉(zhuǎn)矩Tm=Tm的電磁轉(zhuǎn)矩、A相電流和三相反電動(dòng)勢波形罔。從圖中可以看出，電機(jī)起步階段速度低，反電動(dòng)勢小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，反電動(dòng)勢波形接近理想梯形波。A相電流和電磁轉(zhuǎn)矩波形表明：起動(dòng)階段系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩恒定，沒有造成較大的轉(zhuǎn)矩和相電流沖擊，參考電流的限幅十分有效，電機(jī)穩(wěn)定后，電流波形不是理想的梯形波，這是由于功率管開關(guān)引起的。
4 結(jié)論
本文對所建立的對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和對轉(zhuǎn)螺旋槳的仿真模型進(jìn)行仿真分析，可得以下結(jié)論：
（1）設(shè)計(jì)電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)盡量使內(nèi)外軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相同，內(nèi)外轉(zhuǎn)子同時(shí)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
（2）當(dāng)內(nèi)外軸系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩相等時(shí)，內(nèi)外轉(zhuǎn)子更容易達(dá)到相同轉(zhuǎn)速，如圖6a,圖8a所示，從而提高推進(jìn)系統(tǒng)的效率。
（3）根據(jù)對轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量和摩擦轉(zhuǎn)矩等相關(guān)參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)膶D(zhuǎn)螺旋槳，從而使內(nèi)外轉(zhuǎn)子獲取相同轉(zhuǎn)速，提高推進(jìn)效率，如圖7，圖8所示。
本文的模型采用模塊化方法設(shè)計(jì)，可以便捷地實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證控制算法，為分析和設(shè)計(jì)對轉(zhuǎn)式無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)提供了有效手段和工具。
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