Perché il mio motore BLDC cambia comportamento ad alta velocità?

sfondo

Ho registrato le prestazioni di coppia vs velocità di un piccolo motore BLDC hobby da 50 grammi, il KDE 2304XF-2350 .

Accendo il motore a diverse tensioni fisse verso l'ESC (commutatore elettronico) e con diverse impostazioni dell'acceleratore per l'ESC. L'acceleratore dell'ESC riduce sostanzialmente la tensione fissa. Misuro l'energia elettrica "quasi multifase" AC che entra nel motore usando un wattmetro trifase. Dico quasi-multifase perché solo una singola fase di corrente scorre attraverso 2 avvolgimenti del motore in qualsiasi momento.

Carico il motore usando un freno a correnti parassite: un disco di alluminio è collegato al rotore e il motore / disco sono sospesi sopra due elettromagneti. L'aumento della potenza degli elettromagneti induce maggiori correnti parassite nel disco rotante che genera una coppia maggiore. Misuro la coppia e la velocità allo stato stazionario a diverse correnti di carico utilizzando una cella di coppia in linea e un sensore hall.

Ecco i miei dati a 8V, acceleratore 50-100%. Ogni set sperimentale punteggiato ha una previsione solida corrispondente basata su un semplice modello di motore CC e le specifiche di KDE.

V = d V_{D C}

$V = dV_{DC}$

V = io R + E

$V = IR + E$

V = \frac{T}{K_{t}} R + K_{t} ω

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

T = \frac{V K_{t} - {K_{t}}^{2} ω}{R}

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

Dove

$d$
$V_{DC}$
$R$
$k_t$ (0,0041 Nm / A) è fornito online

Problema

Semplicemente non capisco perché i dati sperimentali differiscano dal mio modello ad alta velocità, specialmente a bassa velocità.

Inizialmente pensavo che si trattasse di una sorta di indebolimento del campo "accidentale". La divergenza deriva da un cambiamento nella pendenza, e la pendenza di una curva motore DC è solo una funzione di e . Ad alta velocità / bassa corrente, non cambierà (bassa corrente = basse temperature), ma potrebbe cambiare a causa di un aumento dell'induttanza. $k_t$ $R$ $R$ $k_t$

$k_t$ $k_t$

Ad esempio, al 70% dell'acceleratore e 10 kRPM, il mio modello prevede ~ 20 mN-m di coppia, ma il motore "indebolito di campo" produce 25 mN-m di coppia. Cosa dà ??

Questo indebolimento di campo di un BLDC? In tal caso, perché la coppia non soffre?
Se ciò non indebolisce il campo, cos'altro potrebbe causare la variazione della pendenza della curva coppia-velocità con la velocità?

appendice

Ciò che mi confonde anche di questa divergenza ad alta velocità è che l'efficienza del motore sperimentale migliora con FW.

A quanto mi risulta FW per PMSM, parte della corrente di statore (Id?) Viene spesa "combattendo" il campo dell'indotto piuttosto che generare coppia (Iq), quindi si perde effettivamente un po 'di efficienza.

Tuttavia, l'efficienza sperimentale del mio motore non diminuisce precipitosamente come il mio modello poiché il motore sta producendo più velocità (rispetto al modello) alla stessa coppia.

Come menzionato Neil_UK, l'ESC potrebbe giocare un po 'di trucco con l'angolo di fase sull'armatura. Come posso misurare l'angolo di fase all'armatura?

Sto già misurando l'angolo di fase totale ai terminali del motore tramite il mio wattmetro (Φ = acos (∑P / ∑S) in tutte e 3 le fasi), ma questo angolo di fase include il ritardo di corrente dall'induttanza che aumenta la velocità e la distorsione armonica dalla commutazione rumorosa .

Ipotesi

La coppia non soffre in una regione FW accidentale perché il motore BLDC continua ad assorbire più potenza in FW a differenza dei PMSM che tirano potenza "costante" durante FW (ignorando le inefficienze). Controllerò i dati ora!

motor brushless-dc-motor

— techSultan
fonte

Cosa significa "acceleratore". Non intendo "controlla la velocità del motore", ma cosa significa elettricamente, per l'ESC, e come entra nel tuo modello. Penso che quello che vedo sia "con l'aumentare dei regimi, mi aspetto che la coppia diminuisca, ma non diminuisce come mi aspetterei, con impostazioni dell'acceleratore più basse". Se avessi un motore spazzolato funzionante con diverse tensioni della batteria, questo mi sorprenderebbe molto. Tuttavia, con un brushless, ci sono diverse opportunità per l'ESC di "fare qualcosa di intelligente" quando i tempi cambiano. Lo sta facendo? Come fai a sapere quale 'acceleratore' gli sta dicendo di fare?

— Neil_UK,

Come hai ottenuto il tuo modello? Quali ipotesi sono integrate in esso? Sembra che la spiegazione più ovvia sia che il regolatore di velocità non segua i presupposti integrati nel modello. Cosa fa effettivamente il regolatore di velocità in risposta a diverse impostazioni dell'acceleratore? Probabilmente non è quello che pensi che faccia.

— mkeith,

Fondamentalmente, ciò che sta accadendo è che il motore funziona più velocemente di quanto ci si aspetti in condizioni di carico leggero. Penso che il controller possa dire che il motore non è caricato e sta usando l'avanzamento di fase o qualcosa del genere per implementare l'indebolimento di campo in quelle condizioni. Quando il motore è pesantemente caricato (la coppia è elevata), i dati sperimentali convergono con il modello.

— mkeith,

Suggerirei che il tuo ESC sia un drive non sinusoidale, quindi qualunque algoritmo venga usato sarà diverso da qualsiasi modello usando un drive sinusoidale, sembra che abbiano una coppia significativamente migliorata nella gamma media

— Jack Creasey

@DmitryGrigoryev Sto usando una cella di coppia nominale per 700 mN-m (100 oz-in). Lo stesso fenomeno è accaduto anche ai BLDC più piccoli testati dall'esercito usando un dinamometro commerciale (rapporto) . L'ho calibrato con pesi noti appesi a una distanza nota. Le mie pendenze teoriche e sperimentali corrispondono a basse velocità, quindi non credo che ci sia un errore di misurazione.

— techSultan,

Il problema che stai riscontrando è legato alla forma di controllo che stai utilizzando. Praticamente ogni controller BLDC orientato all'hobby / quadricoptero (comunemente denominato "ESC") utilizza un controllo trapezoidale senza sensori. Questa forma di controllo è sostanzialmente diversa dalla forma di controllo a cui fai riferimento nella tua domanda, che si chiama controllo orientato al campo o FOC.

Descrivere le differenze nei dettagli di queste tecniche di controllo richiederebbe una risposta eccessivamente lunga e vi incoraggio a ricercarle da soli. Tuttavia, il test così com'è attualmente non disaccoppia correttamente la caratteristica velocità / coppia del motore da quella del conducente. La mancanza di un encoder ad alta risoluzione influisce anche sulle prestazioni del motore a bassa velocità. Se vuoi buone prestazioni a bassa velocità, hai bisogno di una forma di encoder, indipendentemente dalla tecnica di controllo in questione.

Se vuoi caratterizzare correttamente questi motori a tutta la gamma di velocità avrai realisticamente bisogno di un driver FOC sensibile .

— Ocanath
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Ora capisco la differenza tra FOC sensibile e commutazione a 6 fasi senza sensori. Stavo ipotizzando che FW stesse accadendo "per caso" nel meccanismo di commutazione trapezoidale. Suppongo che questa domanda non possa rispondere senza sapere esattamente quale sia l'algoritmo di controllo sotto il cofano

— techSultan

Penso che una semplice spiegazione potrebbe essere che l'impostazione dell'acceleratore al 50% non significa una volage ridotta del 50%, perché se il carico è piccolo la corrente torna a 0 tra gli impulsi pwm, quindi la tensione di uscita è superiore a 50 %. Cercare la tensione nel convertitore buck con corrente discontinua.

— Jesse_a_b
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Capisco come la tensione in uscita potrebbe aumentare in modalità di corrente discontinua (DCM), ma non capisco come ciò influenzerebbe l'inclinazione della curva coppia-velocità. La tensione influisce teoricamente solo sull'intercetta y della curva.

— techSultan,