Warum ändert mein BLDC-Motor das Verhalten bei hoher Geschwindigkeit?

Hintergrund

Ich habe die Drehmoment-Drehzahl-Leistung eines kleinen BLDC-Hobby-Motors unter 50 Gramm, des KDE 2304XF-2350, aufgezeichnet .

Ich versorge den Motor mit verschiedenen festen Spannungen zum ESC (elektronischer Kommutator) und mit verschiedenen Drosselklappeneinstellungen für den ESC. Die Drosselklappe des Reglers senkt im Wesentlichen die feste Spannung. Ich messe die "quasi mehrphasige" elektrische Wechselstromleistung, die in den Motor eintritt, mit einem 3-Phasen-Wattmeter. Ich sage quasi mehrphasig, weil zu jedem Zeitpunkt nur eine einzige Stromphase durch zwei Motorwicklungen fließt.

Ich lade den Motor mit einer Wirbelstrombremse: Eine Aluminiumscheibe ist mit dem Rotor verbunden, und der Motor / die Scheibe sind über zwei Elektromagneten aufgehängt. Durch Erhöhen der Leistung der Elektromagnete werden größere Wirbelströme in die sich drehende Scheibe induziert, wodurch ein größeres Drehmoment erzeugt wird. Ich messe das Drehmoment und die Drehzahl im stationären Zustand bei verschiedenen Lastströmen mit einer Inline-Drehmomentzelle und einem Hallsensor.

Hier sind meine Daten bei 8V, 50-100% Gas. Jeder gepunktete experimentelle Satz hat eine entsprechende solide Vorhersage, die auf einem einfachen Gleichstrommotormodell und den KDE-Spezifikationen basiert.

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}

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

$d$ ist das Tastverhältnis der Drosselklappeneinstellung
$V_{DC}$ ist eine feste Spannung, die in den Regler eintritt
$R$ (182 mΩ) ist der Wicklungswiderstand eines Motors (KDE liefert den Wicklungswiderstand von 91 mΩ), da dies der Gesamtwiderstand ist, der durch eine Spannung gesehen wird, die sofort an die Motorklemmen angelegt wird
$k_t$ (0,0041 Nm / A) wird online bereitgestellt

Problem

Ich verstehe einfach nicht, warum die experimentellen Daten bei hohen Geschwindigkeiten von meinem Modell abweichen - insbesondere bei niedrigem Gas.

Anfangs dachte ich, dies sei eine Art "versehentliche" Feldschwächung. Die Divergenz ergibt sich aus einer Änderung in der Steigung, und die Steigung einer Kurve Gleichstrommotor ist nur eine Funktion der und . Bei hoher Geschwindigkeit / niedrigem Strom ändert sich nicht (niedriger Strom = niedrige ), aber kann sich aufgrund einer Erhöhung der Induktivität ändern. $k_t$ $R$ $R$ $k_t$

Die experimentelle Steigung wird weniger negativ, als ob verringert worden wäre, um mehr Geschwindigkeit zu erreichen, aber der Motor behält immer noch ein höheres Drehmoment bei, als wenn gleich geblieben wäre. $k_t$ $k_t$

Zum Beispiel sagt mein Modell bei 70% Gas und 10 kRPM ein Drehmoment von ~ 20 mN-m voraus, aber der "feldgeschwächte" Motor erzeugt ein Drehmoment von 25 mN-m. Was gibt??

Ist dies eine Feldschwächung eines BLDC? Wenn ja, warum leidet das Drehmoment nicht?
Wenn dies keine Feldschwächung ist, was könnte dann dazu führen, dass sich die Steigung der Drehmoment-Drehzahl-Kurve mit der Drehzahl ändert?

Nachtrag

Was mich an dieser Hochgeschwindigkeitsdivergenz auch verwirrt, ist, dass sich der experimentelle Motorwirkungsgrad mit FW verbessert .

Wie ich FW für PMSMs verstehe, wird ein Teil des Statorstroms (Id?) Für die "Bekämpfung" des Ankerfelds verwendet, anstatt ein Drehmoment (Iq) zu erzeugen, sodass Sie tatsächlich an Effizienz verlieren.

Der experimentelle Wirkungsgrad meines Motors sinkt jedoch nicht so stark wie bei meinem Modell, da der Motor bei gleichem Drehmoment mehr Drehzahl (relativ zum Modell) erzeugt.

Wie Neil_UK erwähnte, spielt der Regler möglicherweise einen Streich mit dem Phasenwinkel am Anker. Wie kann ich den Phasenwinkel am Anker messen?

Ich messe bereits den Gesamtphasenwinkel an den Motorklemmen über mein Wattmeter (Φ = acos (∑P / ∑S) über alle 3 Phasen), aber dieser Phasenwinkel beinhaltet Stromverzögerung durch drehzahlerhöhende Induktivität und harmonische Verzerrung durch verrauschtes Schalten .

Hypothese

Das Drehmoment leidet nicht im versehentlichen FW-Bereich, da der BLDC-Motor im Gegensatz zu PMSMs, die während der FW "konstante" Leistung ziehen (ohne Berücksichtigung von Ineffizienzen), weiterhin mehr Leistung bei FW zieht. Ich werde jetzt Daten überprüfen!

motor brushless-dc-motor

— techSultan
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Was bedeutet "Gas"? Ich meine nicht "es regelt die Motordrehzahl", aber was bedeutet es elektrisch für den Regler und wie kommt das in Ihr Modell? Ich denke, was ich sehe, ist: "Wenn die Drehzahl steigt, würde ich erwarten, dass das Drehmoment sinkt, aber es fällt nicht so stark, wie ich es bei niedrigeren Drosselklappeneinstellungen erwarten würde." Wenn ich einen Bürstenmotor hätte, der mit unterschiedlichen Batteriespannungen betrieben wird, würde mich das sehr überraschen. Bei einem bürstenlosen gibt es jedoch mehrere Möglichkeiten für den WSA, etwas Kluges zu tun, wenn sich das Timing ändert. Tut es das? Woher weißt du, was "Gas" zu sagen hat?

— Neil_UK

Wie haben Sie Ihr Modell abgeleitet? Welche Annahmen sind darin eingebaut? Die naheliegendste Erklärung scheint zu sein, dass der Geschwindigkeitsregler nicht den in Ihrem Modell enthaltenen Annahmen folgt. Was macht der Drehzahlregler tatsächlich als Reaktion auf unterschiedliche Drosselklappeneinstellungen? Wahrscheinlich nicht das, was du denkst.

— Mkeith

Grundsätzlich läuft der Motor unter leichten Lastbedingungen schneller als erwartet. Ich denke, der Controller kann erkennen, dass der Motor nicht belastet ist und Phasenvorschub oder ähnliches verwendet, um unter diesen Bedingungen eine Feldschwächung zu implementieren. Wenn der Motor stark belastet ist (das Drehmoment ist hoch), konvergieren die experimentellen Daten mit Ihrem Modell.

— Mkeith

Ich würde vorschlagen, dass Ihr Regler ein nicht sinusförmiger Antrieb ist. Welche Algorithmen auch immer verwendet werden, unterscheidet sich von jedem Modell, das einen sinusförmigen Antrieb verwendet. Sie scheinen ein deutlich verbessertes Drehmoment im mittleren Bereich zu haben

— Jack Creasey

@DmitryGrigoryev Ich verwende eine Drehmomentzelle mit einer Nennleistung von 700 mN-m (100 oz-in). Das gleiche Phänomen geschah zu noch kleineren BLDCs von der Armee getestet Kommerzielle Prüfstand zu starten (Report) . Ich kalibrierte es mit bekannten Gewichten, die in einem bekannten Abstand hingen. Meine theoretischen und experimentellen Steigungen stimmen bei niedrigen Geschwindigkeiten überein, daher glaube ich nicht, dass ein Messfehler vorliegt.

— TechSultan

Das Problem, das Sie haben, hängt mit der Form der Steuerung zusammen, die Sie verwenden. Nahezu jeder Hobby- / Quadcopter-orientierte BLDC-Controller (allgemein als "ESC" bezeichnet) verwendet eine sensorlose Trapezsteuerung. Diese Form der Kontrolle unterscheidet sich grundlegend von der Form der Kontrolle, auf die Sie in Ihrer Frage verweisen, die als feldorientierte Kontrolle oder FOC bezeichnet wird.

Die detaillierte Beschreibung der Unterschiede dieser Steuerungstechniken würde eine übermäßig lange Antwort erfordern, und ich empfehle Ihnen, sie selbst zu untersuchen. Der derzeit vorhandene Test entkoppelt jedoch die Drehzahl- / Drehmomentkennlinie des Motors nicht ordnungsgemäß von der des Fahrers. Das Fehlen eines hochauflösenden Encoders wirkt sich auch auf die Motorleistung bei niedriger Drehzahl aus. Wenn Sie eine gute Leistung bei niedriger Geschwindigkeit wünschen, benötigen Sie unabhängig von der jeweiligen Steuerungstechnik eine Art Encoder.

Wenn Sie diese Motoren im vollen Drehzahlbereich richtig charakterisieren möchten, benötigen Sie realistisch einen sensorisierten FOC-Treiber.

— Ocanath
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Ich denke, eine einfache Erklärung könnte sein, dass die Drosselklappeneinstellung bei 50% keine um 50% abgesenkte Spannung bedeutet, denn wenn die Last klein ist, geht der Strom zwischen den PWM-Impulsen auf 0 zurück, sodass die Ausgangsspannung höher als 50 ist %. Spannung im Tiefsetzsteller mit diskontinuierlichem Strom nachschlagen.

— Jesse_a_b
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