Dlaczego mój silnik BLDC zmienia zachowanie przy dużej prędkości?

tło

Zarejestrowałem osiągi momentu obrotowego w funkcji prędkości małego subwoofera 50 -gramowego silnika BLDC hobby, KDE 2304XF-2350 .

Zasilam silnik przy różnych stałych napięciach do ESC (komutator elektroniczny) i przy różnych ustawieniach przepustnicy dla ESC. Przepustnica ESC zasadniczo obniża stałe napięcie. Mierzę energię elektryczną prądu zmiennego „quasi-wielofazowego” wchodzącą do silnika za pomocą watomierza 3-fazowego. Mówię quasi-wielofazowy, ponieważ tylko jedna faza prądu przepływa przez 2 uzwojenia silnika w dowolnym momencie.

Ładuję silnik za pomocą hamulca wiroprądowego: aluminiowa tarcza jest podłączona do wirnika, a silnik / tarcza jest zawieszona nad dwoma elektromagnesami. Zwiększenie mocy elektromagnesów indukuje większe prądy wirowe w wirującym dysku, który wytwarza większy moment obrotowy. Pomiar momentu obrotowego i prędkości w stanie ustalonym przy różnych prądach obciążenia odbywa się za pomocą wbudowanego czujnika momentu i czujnika Halla.

Oto moje dane przy 8 V, 50-100% przepustnicy. Każdy kropkowany zestaw eksperymentalny ma odpowiednią prognozę bryłową opartą na prostym modelu silnika prądu stałego i specyfikacjach KDE.

V = d V_{D C}

$V = dV_{DC}$

V = I 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}

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

Gdzie

$d$ jest współczynnikiem wypełnienia ustawienia przepustnicy
$V_{DC}$ to stałe napięcie wchodzące do ESC
$R$ (182 mΩ) to rezystancja uzwojenia silnika (KDE zapewnia rezystancję uzwojenia 91 mΩ), ponieważ jest to całkowita rezystancja widziana przez napięcie przykładane natychmiast do zacisków silnika
$k_t$ (0,0041 Nm / A) jest taki, jak podano online

Problem

Po prostu nie rozumiem, dlaczego dane eksperymentalne odbiegają od mojego modelu przy dużych prędkościach - szczególnie przy niskiej przepustnicy.

Początkowo myślałem, że było to „przypadkowe” osłabienie pola. Rozbieżność wynika ze zmiany nachylenia i nachylenie krzywej silnika prądu stałego jest tylko funkcja i . Przy wysokiej prędkości / niskim prądzie nie zmieni się (niski prąd = niskie temperatury), ale może się zmienić z powodu wzrostu indukcyjności. $k_t$ $R$ $R$ $k_t$

Nachylenie eksperymentalne staje się mniej ujemne, jakby zostało zmniejszone w celu osiągnięcia większej prędkości, ale silnik nadal utrzymuje wyższy moment obrotowy niż gdyby pozostał ten sam. $k_t$ $k_t$

Na przykład przy 70% przepustnicy i 10 kRPM mój model przewiduje ~ 20 mN-m momentu obrotowego, ale silnik „osłabiony” wytwarza 25 mN-m momentu obrotowego. Co daje??

Czy to osłabienie pola BLDC? Jeśli tak, to dlaczego moment obrotowy nie cierpi?
Jeśli to nie osłabia pola, co jeszcze mogłoby spowodować zmianę nachylenia krzywej momentu obrotowego z prędkością?

Uzupełnienie

To, co również myli mnie w tej rozbieżności przy dużych prędkościach, to fakt, że eksperymentalna sprawność silnika poprawia się wraz z FW.

Jak rozumiem FW dla PMSM, część prądu stojana (Id?) Jest zużywana na „walkę” z polem twornika zamiast na generowanie momentu obrotowego (Iq), więc faktycznie tracisz pewną wydajność.

Jednak wydajność eksperymentalna mojego silnika nie spada tak gwałtownie jak mój model, ponieważ silnik wytwarza większą prędkość (w stosunku do modelu) przy tym samym momencie obrotowym.

Jak wspomniał Neil_UK, ESC może grać jakąś sztuczkę z kątem fazowym zwory. Jak zmierzyć kąt fazowy w tworniku?

Już mierzę całkowity kąt fazowy na zaciskach silnika za pomocą mojego watomierza (Φ = acos (∑P / ∑S) we wszystkich 3 fazach), ale ten kąt fazowy obejmuje opóźnienie prądu od indukcyjności zwiększającej prędkość i zniekształcenia harmoniczne od głośnego przełączania .

Hipoteza

Moment obrotowy nie cierpi w przypadkowym obszarze FW, ponieważ silnik BLDC nadal pobiera większą moc w FW, w przeciwieństwie do PMSM, które pobierają „stałą” moc podczas FW (ignorując nieefektywność). Sprawdzę teraz dane!

motor brushless-dc-motor

— techSultan
źródło

Co oznacza „przepustnica”. Nie mam na myśli „kontroluje prędkość silnika”, ale co to oznacza elektrycznie dla ESC i jak to wpływa na twój model. Myślę, że to, co widzę, to „gdy obroty rosną, spodziewałbym się spadku momentu obrotowego, ale nie spada tak, jak się spodziewałem, przy niższych ustawieniach przepustnicy”. Gdybym miał szczotkowany silnik zasilany różnymi napięciami akumulatora, to by mnie bardzo zaskoczyło. Jednak dzięki bezszczotkowemu ESC istnieje kilka możliwości „zrobienia czegoś sprytnego” w miarę zmiany czasu. Czy to robi? Skąd wiesz, co mówi „przepustnica”?

— Neil_UK

Jak uzyskałeś swój model? Jakie założenia są w to wbudowane? Wydaje się, że najbardziej oczywistym wytłumaczeniem jest to, że kontroler prędkości nie spełnia założeń wbudowanych w model. Co tak naprawdę robi regulator prędkości w odpowiedzi na różne ustawienia przepustnicy? Prawdopodobnie nie to, co myślisz.

— mkeith,

Zasadniczo dzieje się tak, że silnik pracuje szybciej niż się spodziewasz w warunkach niewielkiego obciążenia. Wydaje mi się, że kontroler może stwierdzić, że silnik nie jest obciążony i wykorzystuje przesunięcie fazowe lub coś podobnego do wprowadzenia osłabienia pola w tych warunkach. Gdy silnik jest mocno obciążony (wysoki moment obrotowy), dane eksperymentalne są zbieżne z modelem.

— mkeith,

Sugeruję, że ESC jest non-sinusoidalny napęd, więc cokolwiek algorytmy są wykorzystywane będą różne dla każdego modelu za pomocą napędu sinusoidalny, wydają się mieć znacznie lepszą momentu obrotowego w przedziale środkowym

— Jack Creasey

@DmitryGrigoryev Używam ogniwa dynamometrycznego o wartości 700 mN-m (100 uncji-in). To samo zjawisko zdarzyło się nawet mniejszym BLDC testowanym przez armię przy użyciu komercyjnego dynamometru (raport) . Skalibrowałem go przy użyciu znanych ciężarów zawieszonych w znanej odległości. Moje teoretyczne i eksperymentalne zbocza pasują do siebie przy niskich prędkościach, więc nie sądzę, żeby wystąpił błąd pomiaru.

— techSultan

Problem, który masz, jest związany z używaną formą kontroli. Prawie każdy kontroler BLDC zorientowany na hobby / quadkopter (powszechnie nazywany „ESC”) wykorzystuje bezczujnikowe sterowanie trapezoidalne. Ta forma kontroli różni się zasadniczo od formy kontroli, do której odwołujesz się w pytaniu, która nazywa się kontrolą zorientowaną na pole lub FOC.

Opisanie różnic w szczegółach tych technik kontroli wymagałoby zbyt długiej odpowiedzi i zachęcam do ich samodzielnego zbadania. Jednak obecny test nie oddziela prawidłowo charakterystyki prędkości / momentu obrotowego silnika od charakterystyki kierowcy. Brak enkodera o wysokiej rozdzielczości wpływa również na wydajność silnika przy niskiej prędkości. Jeśli chcesz mieć dobrą wydajność przy niskiej prędkości, potrzebujesz jakiejś formy enkodera, niezależnie od techniki sterowania, o której mowa.

Jeśli chcesz poprawnie scharakteryzować te silniki w pełnym zakresie prędkości, realistycznie potrzebujesz sensownego sterownika FOC.

— Ocanath
źródło

Rozumiem teraz różnicę między czujnikiem FOC a bezczujnikową komutacją w 6 krokach. Zakładałem, że FW dzieje się „przypadkiem” w trapezoidalnym mechanizmie komutacji. Przypuszczam, że na to pytanie nie można odpowiedzieć, nie wiedząc dokładnie, jaki algorytm sterowania znajduje się pod maską

— techSultan

Myślę, że prostym wyjaśnieniem może być to, że ustawienie przepustnicy na 50% nie oznacza obniżonego napięcia o 50%, ponieważ jeśli obciążenie jest małe, prąd wraca do 0 między impulsami PWM, więc napięcie wyjściowe jest wyższe niż 50 % Sprawdzić napięcie w przemienniku buck z prądem nieciągłym.

— Jesse_a_b
źródło

Rozumiem, w jaki sposób napięcie wyjściowe może wzrosnąć w trybie prądu nieciągłego (DCM), ale nie rozumiem, jak wpłynęłoby to na nachylenie krzywej momentu i prędkości. Napięcie teoretycznie wpływa tylko na przecięcie y krzywej.

— techSultan