根据飞艇的运行状态变化和姿态调整的需求，驱动控制器接收系统上位机指令，采用电力电子可关断器件实现能量转换，通过PwM斩波对稀土永磁无刷直流电动机实施调压调速和组合逻辑换向控制。稀土永磁无刷直流电动机的输出转速经减速器变换后驱动螺旋桨，产生推力驱动飞艇飞行，在与飞艇尾部方向舵控制的结合下，实现飞艇姿态调整。
　　1．2螺旋桨电推进技术
    高空螺旋桨飞行器是一项复杂系统工程，涉及到飞行器的结构、材料、能源、通讯、飞行控制及推进系统等各个方面。以高空螺旋桨为动力驱动的飞行器在覆盖区域、分辨率、接收与发射功率、生存能力，以及快速响应持久能力等方面具有显著优，广泛应用在多种先进飞行器上，网此在飞艇推进技术中，把重点放在螺旋桨电驱动系统研究上。螺旋桨在电动机驱动下旋转，产生升力、拉力或者推力，牵拉飞艇行进：
　　飞艇速度比空气声速要低得多，以亚声速运行。
　　螺旋推进器非常适合低速飞行要求。螺旋推进器从海平面到海拔30 km高度都可以良好地工作，更高的地方需要运动大量的空气以较低的速度运行。它最大的推力发生在推进器最大速度降至0．88～0 92马赫之间时，引擎通常在这个范同某点工作已达到最大的工作效率。
　　飞艇的特点对螺旋桨推进系统提出了较高的效率及使用要求。直轴型螺旋桨推进装置相对于横轴螺旋桨推进装置，具有效率高，即单位功率下其推力更大，及易实现推力矢量控制。在通过水平舵面来控制飞艇时，直轴型推进装置只需要简单地改变其桨叶攻角就可以使其推力在360。方向下改变，具有灵活的推力输出特性。相关实验表明采用直轴型推进装置可以大大提高飞艇的推进效率及控制效果．螺旋桨主要由桨叶、桨毂、变距机构与控制系统组成。螺旋桨质量和效率的高低直接影响到飞行器的飞行质量和可靠性。根据静导数的计算结果．选择电动机和相应的螺旋桨，初步选择螺旋桨的尺寸lO m×6 m，由选定的螺旋桨直径和螺距尺寸选择clark -Y翼型，设计成关刀桨。
　　1．3电推进系统电动机
    高空的特殊环境、能源需求、太阳能利用效率结构重量和有效载荷等诸多因素，要求螺旋桨推进电动机功率大、效率高、重量轻(功率密度高)、调速范围宽、高低温适应范围宽、寿命长、可靠性和高控制特性好，并满足螺旋桨负载需求：
　　电动机负载(电动机输出机械功率)的大小取决于螺旋桨，螺旋桨桨叶倾角的变化相当于电动机负载的变化。常规条件下的空气螺旋桨负载的机械特性为二次曲线(n∞√T)。驱动电动机必须满足螺旋桨负载需求。
　　有刷直流电动机在平流层大气密度、压力低芝环境下，电刷磨损严重且容易发生变形。无刷直电动机具有与一般直流电动机类似的机械特性．但由于当转矩较大、转速较低时，使加在电枢绕组上的电压不恒定而有所减小，造成机械特性曲线偏离直线变化，向下弯曲。如图2所示，

当无刷直流电动机的机械特性曲线与螺旋桨负载的机械特性曲线相交，无刷直流电动机满足螺旋桨负载需求。无刷直流电动机的质量Mem与最大输出功率Pmax之间满足经验公式：

　　飞行器对载重有严格限制，故要求推进稀土永磁无刷直流电动机轻量化。而轻量化电动机发热严重，且高空低气压散热条件较差，系统电推进系统散热带来较大困难。稀土永磁无刷直流电动机的轻量化与高效率、散热性能是相互矛盾、相互制约的关系，需要统筹规划和系统设计。
　　对于稀土永磁无刷直流电动机的设计，充分乏掘电磁材料和元器件的性能潜力，进一步提高了电动机电负荷和磁负荷，提高了电动机和控制器的功率密度以及轻量化水平；对系统结构的优化，改善了电动机在高空的散热条件，减轻了电动机的体积重量；另外，还需要保障稀土永磁无刷直流电动机高热负荷、高电流密度状态以及高空环境下的控制器元器件和绕组绝缘。
　　对于大多数电机，在其额定工作转速附近，电机具有较高的效率。但是当转速偏离其额定转速时，　　电机效率下降较快。同时，工作在额定转速下电机需要通过减速箱来驱动负载。尽管目前减速箱的传动效率达95％以上，对系统整体效率影响较小，但是，增加了系统的整体重量。所以，在电机工作在额定转速状态(采用减速箱)还是以一个较低转速(不带减速箱)的矛盾上，需要根据实际情况如电机的功率、机械特性及偏离额定转速的时间长度来折中处理。
　　1．4电机驱动控制
    电动机驱动控制器包括多相大功率驱动器、推进系统协调控制软件和温控器，具有电动机调速功能、温控功能、过压过流保护功能，接收飞行器机载计算机指令功能。
　　高性能控制器实现电力电子的能量转换，驱动电动机完成转速和力矩的精确调节。系统控制策略接收飞行器飞行指令，实现推进系统高效率可靠运行，稳定精确控制等功能。高效稀土永磁无刷直流推进电动机起着能量转换和动力产生作用，对于推进电动机的性能起着决定性的作用。电动机与螺旋桨之间通过谐波减速器连接。高速电动机加减速器的驱动系统功率密度高，系统效率较低，低速电动机直接推进螺旋桨的驱动系统体积、重量较大，但系统传递效率高。通常，高性能的减速器的传动效率可达95％，而电动机及其驱动装置占据了能源消耗的绝大部分比例：
　　2螺旋桨电驱动系统半物理仿真
    高空飞艇必须能在不同的高度、地区、气象、季节等条件下工作，所以螺旋桨驱动电动机必须具备能在以上条件下可靠工作的性能，必须承受得住飞行器在各种飞行条件下产生的机械过载与阻滞温度等的考验。这些可通过高空测试系统来检测。
　　2 1测试系统实现
    所没计的动力测试系统方案为：通过无线远程检测在飞行器升空及高空运行过程中，驱动控制器的输入电压、电流和电功率，稀土永磁无刷直流电动机的输入电压、电流、电功率、转速和绕组工作温度，以及飞行器的推力和速度等参数，在机载环境直接测算出在当前大气环境条件下，给定驱动控制器的效率，稀土永磁无刷直流电动机的效率，以及螺旋桨的转速、转矩、输入功率、输出功率和机械效率等特性。在地面环境无线接收机载测试数据及处理结果，并对数据进行分析，给出分析结果。
　　2．2数据分析
    以3 kw无刷电动机在地面驱动螺旋桨试验数据为基础。在3 kw稀土永磁无刷电动机螺旋桨的联调试验中，驱动螺旋桨的主要力能指标有母线电压、电机转速、螺旋桨转速、电机输入功率、电机输出功率、减速箱输出功率、电机效率、系统效率等。
　　由实验数据拟合该螺旋桨转矩、转速曲线，如图3所示。
　　螺旋桨转矩、转速数据与设计数据基本一致，电与理论分析一致，电机在地面(海拔高度约500 m，大气密度为l 167 kg／m)试验数据详细分析了驱动器、电机、减速箱的输入输出功率和损耗，得到螺旋桨在地面的转速转矩关系和转速功率关系。

　　2．3不同飞行高度特性

    根据不同海拔高度的不同大气密度，可以求出转矩分别为10、20、30、40、50、60、70、80 N·m时所对应的不同转速，螺旋桨在不同高度的负载特性半物理仿真如图4所示。
　　由图4可分析，在地面(如海拔高度约500 m，大气密度为l 167 k/m)，由于大气密度大，螺旋桨约在80 r／min时，转矩达到额定转矩80 N-m，电机输入功率只有1．6 kw，电机的输出转速、负载转矩急剧增加，电机电流超过额定值，电机功率得不到充分发挥。

　　随着高度上升，大气密度逐渐降低，相同负载转矩时螺旋桨转速提高，电机的功率逐步得到发挥。
　　在20 000 m高度，额定负载转矩时电机的转速接近最高转速，输入电功率达到3 0 kw，电机功率得到充分发挥，与设计吻合较好。随着高度进一步上升，大气密度进一步降低，电机转速已达到上限，螺旋桨负载转矩随高度的增加逐渐下降，需要的电机功率逐渐下降，在25000 m高度，需要的电机最大输入功率约为2．5 kw，为额定功率的80％。
　　图5表征了不同海拔高度情况下螺旋桨的负载特性和电机的驱动能力，图中A区是安全运行区，B区是过载运行区(低空时可过载运行，过载时间不超过5 min)，c区是禁止运行区，电机可自动退回安全运行区并可向上位机报告。

　　3结语
    系统通过采用模块化结构设计，减少了动力装置到驱动器之间的连线，提高了系统的冗余性并可以根据负载来灵活配置合适的驱动装置，从而提高系统的整体效率及降低成本；在飞艇功率选择上充分考虑了环境的影响。系统经过实验测试，以稀土永磁无刷直流电动机为动力的螺旋桨电驱动技术能够满足空气螺旋桨在生产质量控制和成品验收环节中在通用性、便捷性和高效性等方面提出的更高要求。优异的动态性能满足飞艇动力推进的要求。