Por que meu motor BLDC altera o comportamento em alta velocidade?

fundo

Registrei o desempenho de torque versus velocidade de um pequeno motor BLDC hobby de menos de 50 gramas, o KDE 2304XF-2350 .

Eu alimento o motor em diferentes tensões fixas no ESC (comutador eletrônico) e em diferentes configurações do acelerador para o ESC. O acelerador do ESC diminui essencialmente a tensão fixa. Medo a energia elétrica CA "quase multifásica" que entra no motor usando um wattímetro trifásico. Digo quase-multifásica porque apenas uma única fase da corrente flui através de 2 enrolamentos do motor a qualquer momento.

Carrego o motor usando um freio de corrente de Foucault: um disco de alumínio está conectado ao rotor e o motor / disco está suspenso acima de dois eletroímãs. O aumento da potência dos eletroímãs induz correntes de Foucault maiores no disco giratório, o que gera um torque maior. Medo o torque e a velocidade em estado estacionário em diferentes correntes de carga usando uma célula de torque em linha e um sensor de hall.

Aqui estão meus dados em 8V, aceleração de 50 a 100%. Cada conjunto experimental pontilhado tem uma previsão sólida correspondente com base em um modelo simples de motor DC e nas especificações do KDE.

V = d V_{D C}

$V = dV_{DC}$

V = Eu 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}

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

Onde

$d$
$V_{DC}$
$R$
$k_t$

Problema

Simplesmente não entendo por que os dados experimentais divergem do meu modelo em alta velocidade - especialmente em baixa aceleração.

$k_t$ $R$ $R$ $k_t$

$k_t$ $k_t$

Por exemplo, a 70% da aceleração e 10 kRPM, meu modelo prevê ~ 20 mN-m de torque, mas o motor "enfraquecido em campo" produz 25 mN-m de torque. O que da??

Isso enfraquece o campo de um BLDC? Se sim, por que o torque não sofre?
Se isso não enfraquece o campo, o que mais poderia fazer com que a inclinação da curva torque-velocidade mudasse com a velocidade?

Termo aditivo

O que também me confunde sobre essa divergência de alta velocidade é que a eficiência do motor experimental melhora com o FW.

Pelo que entendi FW para PMSMs, parte da corrente do estator (Id?) É gasta "lutando" no campo da armadura em vez de gerar torque (Iq), então você realmente perde alguma eficiência.

No entanto, a eficiência experimental do meu motor não cai tão rapidamente quanto o meu modelo, pois o motor está produzindo mais velocidade (em relação ao modelo) no mesmo torque.

Como Neil_UK mencionou, o ESC pode estar executando algum tipo de truque com o ângulo de fase na armadura. Como posso medir o ângulo de fase na armadura?

Já estou medindo o ângulo de fase total nos terminais do motor através do meu wattímetro (ac = acos (∑P / ∑S) em todas as 3 fases), mas esse ângulo de fase inclui atraso de corrente devido à indutância que aumenta a velocidade e distorção harmônica devido à comutação ruidosa .

Hipótese

O torque não sofre na região FW acidental porque o motor BLDC continua a consumir mais potência no FW, diferentemente dos PMSMs que puxam energia "constante" durante o FW (ignorando ineficiências). Vou verificar os dados agora!

motor brushless-dc-motor

— techSultan
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O que significa "acelerador". Não quero dizer 'ele controla a velocidade do motor', mas o que isso significa eletricamente para o ESC e como isso entra no seu modelo. Eu acho que o que estou vendo é "à medida que as rotações aumentam, eu esperaria que o torque caísse, mas não cai tanto quanto eu esperava, nas configurações mais baixas do acelerador". Se eu tivesse um motor escovado funcionando com diferentes voltagens da bateria, isso me surpreenderia bastante. No entanto, com um brushless, existem várias oportunidades para o ESC 'fazer algo inteligente' à medida que o tempo muda. Está fazendo isso? Como você sabe o que o "acelerador" está dizendo para fazer?

— Neil_UK

Como você obteve seu modelo? Que suposições estão embutidas nele? Parece que a explicação mais óbvia é que o controlador de velocidade não segue as suposições incorporadas ao seu modelo. O que o controlador de velocidade realmente faz em resposta a diferentes configurações do acelerador? Provavelmente não é o que você pensa que faz.

— Mkeith 4/07

Basicamente, o que está acontecendo é que o motor está funcionando mais rápido do que o esperado em condições de carga leve. Eu acho que o controlador pode dizer que o motor não está carregado e está usando o avanço de fase ou algo assim para implementar o enfraquecimento do campo nessas condições. Quando o motor está muito carregado (o torque é alto), os dados experimentais convergem para o seu modelo.

— Mkeith 4/07

Eu sugiro que o ESC é uma unidade não-sinusoidal, então o que algoritmos estão sendo usados será diferente a qualquer modelo utilizando a unidade sinusoidal, Eles parecem ter melhorado significativamente o torque na faixa intermediária

— Jack Creasey

@DmitryGrigoryev Estou usando uma célula de torque classificada para 700 mN-m (100 oz-in). O mesmo fenômeno aconteceu com BLDCs ainda menores testados pelo Exército usando um dinamômetro comercial (relatório) . Eu o calibrei com pesos conhecidos pendurados a uma distância conhecida. Minhas inclinações teóricas e experimentais combinam em baixas velocidades, então não acho que haja erro de medição.

— techSultan

O problema que você está tendo está relacionado à forma de controle que você está usando. Praticamente todos os controladores BLDC orientados a hobby / quadcopter (comumente chamados de 'ESC') usam controle trapezoidal sem sensor. Essa forma de controle é fundamentalmente diferente da forma de controle que você faz referência na sua pergunta, chamada de controle orientado a campo ou FOC.

Descrever as diferenças em detalhes dessas técnicas de controle exigiria uma resposta excessivamente longa, e eu encorajo você a pesquisá-las. No entanto, o teste como ele existe atualmente não está dissociando adequadamente a característica de velocidade / torque do motor da do motorista. A falta de um codificador de alta resolução também afeta o desempenho do motor em baixa velocidade. Se você deseja um bom desempenho em baixa velocidade, precisa de algum tipo de codificador, independentemente da técnica de controle em questão.

Se você deseja caracterizar adequadamente esses motores em uma faixa de velocidade máxima, precisará realisticamente de um driver FOC com sensor .

— Ocanath
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Agora entendo a diferença entre o FOC detectado e a comutação em 6 etapas sem sensor. Eu estava postulando que o FW está acontecendo "por acidente" no mecanismo de comutação trapezoidal. Acho que esta pergunta é un-responde sem saber exatamente o que o algoritmo de controle está sob o capô

— techSultan

Eu acho que uma explicação simples poderia ser que a configuração do acelerador em 50% não significa uma voltagem reduzida em 50%, porque se a carga é pequena, a corrente está voltando a 0 entre os pulsos pwm, de modo que a tensão de saída é maior que 50 % Procure tensão no conversor buck com corrente descontínua.

— Jesse_a_b
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Entendo como a tensão pode aumentar no modo de corrente descontínua (DCM), mas não entendo como isso afetaria a inclinação da curva de velocidade e torque. A tensão teoricamente afeta apenas a interceptação em y da curva.

— techSultan 21/04