Чому мій двигун BLDC змінює поведінку на високій швидкості?

Фон

Я записав крутний момент і швидкість роботи невеликого хобі-мотора BLDC на 50 грам, KDE 2304XF-2350 .

Я підключаю двигун при різних фіксованих напругах до ESC (електронний комутатор) та при різних настройках дросельної заслінки для ESC. Дросель ESC по суті зменшує фіксовану напругу. Я вимірюю електричну потужність змінного струму «квазі-багатофазний», що надходить у двигун, за допомогою 3-фазного ватметра. Я кажу, що багатофазна, тому що лише одна фаза струму протікає через 2 обмотки двигуна в будь-який момент часу.

Я завантажую мотор за допомогою вихрового струму: до ротора підключений алюмінієвий диск, а мотор / диск підвішений вище двох електромагнітів. Збільшення потужності до електромагнітів викликає великі вихрові струми в обертовий диск, що створює більший крутний момент. Я вимірюю стаціонарний крутний момент і швидкість при різних струмах навантаження за допомогою вбудованої комірки крутного моменту та датчика Хола.

Ось мої дані на 8В, 50-100% дроселя. Кожен пунктирний експериментальний набір має відповідне тверде прогнозування на основі простої моделі двигуна постійного струму та специфікацій KDE.

V = г V_{D С}

$V = dV_{DC}$

V = Я R + Е

$V = IR + E$

V = \frac{Т}{к_{т}} R + к_{т} ω

$V = \frac{T}{k_t}R + k_t\omega$

Т = \frac{V к_{т} - {к_{т}}^{2} ω}{R}

$T = \frac{Vk_t - {k_t}^{2}\omega}{R}$

Де

$d$ - коефіцієнт корисної дії дроселя
$V_{DC}$ - це фіксована напруга, що надходить до ESC
$R$ (182 мОм) - опір обмотки та обмотки двигуна (KDE забезпечує опір намотування 91 мОм), оскільки це загальний опір, видно напругою, що подається миттєво на клеми двигуна
$k_t$ ( Нм / А) передбачено в Інтернеті

Проблема

Я просто не розумію, чому експериментальні дані розходяться з моєю моделлю на високих швидкостях - особливо при низькому дроселі.

Я спочатку, хоча це було якесь "випадкове" ослаблення поля. Розбіжність пов'язано зі зміною нахилу, а нахил кривої двигуна постійного струму є функцією тільки і . При високій швидкості / малому струмі не змінюватиметься (низький струм = низькі темпи), але може змінитися через збільшення індуктивності. $k_t$ $R$ $R$ $k_t$

Експериментальний нахил стає менш негативним, як якщо б був знижений для досягнення більшої швидкості, проте двигун все ще підтримує більш високий крутний момент, ніж якби залишився колишнім. $k_t$ $k_t$

Наприклад, при 70% дроселі та 10 кРПМ моя модель прогнозує ~ 20 мН-м крутного моменту, але "ослаблений полем" мотор виробляє 25 мН-м крутного моменту. Що дає ??

Це ослаблення поля BLDC? Якщо так, то чому не страждає крутний момент?
Якщо це не полегшує поле, що ще може призвести до зміни нахилу кривої швидкості крутного моменту зі швидкістю?

Додаток

Що також мене бентежить у цьому високошвидкісному розбіжності, це те, що експериментальна моторна ефективність покращується із FW.

Як я розумію, FW для PMSM, частина струму статора (Id?) Витрачається на "боротьбу" з арматурним полем, а не на генерування крутного моменту (Iq), тому ви фактично втрачаєте деяку ефективність.

Однак експериментальна ефективність мого мотора не падає так швидко, як у моєї моделі, оскільки мотор виробляє більше швидкості (порівняно з моделлю) при однаковому крутному моменті.

Як згадував Neil_UK, ESC може відтворювати якийсь трюк з фазовим кутом на арматурі. Як можна виміряти фазовий кут на арматурі?

Я вже вимірюю загальний фазовий кут на клеммах двигуна за допомогою мого ваттметра (Φ = acos (∑P / ∑S) протягом усіх 3 фаз), але цей кут фази включає відставання струму від індуктивності, що збільшує швидкість, і гармонічне спотворення від шумного перемикання .

Гіпотеза

Крутний момент не страждає у випадковому FW регіоні, оскільки двигун BLDC продовжує витрачати більше потужності на FW на відміну від PMSM, які тягнуть "постійну" потужність під час FW (ігноруючи неефективність). Я зараз перевірю дані!

motor brushless-dc-motor

— techSultan
джерело

Що означає «дросель». Я не маю на увазі "він керує швидкістю двигуна", але що це означає електрично, для ESC, і як це входить у вашу модель. Я думаю, що я бачу: "Коли обороти піднімаються, я б очікував, що крутний момент впаде, але він не падає так сильно, як я очікував, при нижчих налаштуваннях дроселя". Якби у мене був щітковий мотор, який працює на різних напругах акумулятора, це мене дуже здивувало. Однак без щіток є декілька можливостей для ESC "зробити щось розумне", оскільки час зміниться. Це робить це? Звідки ти знаєш, що «дросель» говорить про це?

— Neil_UK

Як ви вивели свою модель? Які припущення в нього вбудовані? Найбільш очевидним поясненням здається, що регулятор швидкості не виконує припущення, вбудовані у вашу модель. Що насправді робить регулятор швидкості у відповідь на різні настройки дроселя? Напевно, не те, що, на вашу думку, це робить.

— mkeith

В основному, що відбувається, це те, що мотор працює швидше, ніж ви очікуєте в умовах легкого навантаження. Я думаю, що контролер може сказати, що двигун не завантажений і використовує просування фази або щось подібне, щоб здійснити ослаблення поля в тих умовах. Коли двигун сильно навантажений (крутний момент високий), експериментальні дані збігаються з вашою моделлю.

— mkeith

Я б припустив, що ваш ESC - це несинусоїдальний привід, так що алгоритми, які використовуються, будуть відрізнятися від будь-якої моделі, що використовує синусоїдальний привід; вони, схоже, мають значно покращений крутний момент у середньому діапазоні

— Jack Creasey

@DmitryGrigoryev Я використовую крутний момент, що має 700 мН-м (100 унцій). Це ж явище трапилося і з більш дрібними КРД, протестованими армією за допомогою комерційного динамометра (звіт) . Я відкалібрував його відомими вагами, які висіли на відомій відстані. Мої теоретичні та експериментальні схили відповідають низьким швидкостям, тому я не думаю, що є помилка вимірювання.

— techSultan

Проблема, яка виникає, пов’язана з формою контролю, яку ви використовуєте. Практично кожен контролер BLDC, орієнтований на хобі / квадрокоптер (зазвичай його називають "ESC"), використовує трапецієподібне управління без сенсорів. Ця форма контролю принципово відрізняється від форми контролю, на яку ви посилаєтесь у своєму запитанні, яку називають полевим орієнтуванням або FOC.

Опис деталей цих методів контролю потребуватиме надто тривалої відповіді, і я закликаю вас їх дослідити самостійно. Однак тест, який він існує зараз, не є належним чином відокремлювати швидкість / крутний момент, характерний для двигуна, від швидкості водія. Відсутність датчика високої роздільної здатності також впливає на продуктивність двигуна при низькій швидкості. Якщо ви хочете мати хороші низькі швидкості, вам потрібна форма кодера, незалежно від техніки управління.

Якщо ви хочете правильно охарактеризувати ці двигуни на повному діапазоні швидкостей, вам реально знадобиться сенсований драйвер FOC .

— Оканат
джерело

Тепер я розумію різницю між сенсорним FOC і безсенсорною 6-ступінковою комутацією. Я твердив, що FW відбувається "випадково" в трапецієподібному механізмі комутації. Я вважаю, що це питання не відповідає, не знаючи, який саме алгоритм управління знаходиться під кришкою

— techSultan

Я думаю, що простим поясненням може бути те, що встановлення дросельної заслінки на 50% не означає зниження ступеня волату на 50%, тому що якщо навантаження невелика, струм повертається до 0 між імпульсами pwm, тому вихідна напруга вище 50 %. Подивіться на напругу в перехідному перетворювачі з переривчастим струмом.

— Jesse_a_b
джерело

Я розумію, як напруга може збільшуватися в режимі постійного струму (DCM), але я не розумію, як це вплине на нахил кривої крутного моменту. Напруга теоретично впливає лише на y-перехоплення кривої.

— techSultan