Pourquoi mon moteur BLDC change-t-il de comportement à grande vitesse?

Contexte

J'ai enregistré les performances couple / vitesse d'un petit moteur BLDC de 50 grammes, le KDE 2304XF-2350 .

J'alimente le moteur à différentes tensions fixes de l'ESC (commutateur électronique) et à différents réglages d'accélérateur pour l'ESC. L'étranglement de l'ESC abaisse essentiellement la tension fixe. Je mesure la puissance électrique CA "quasi-multiphasée" entrant dans le moteur à l'aide d'un wattmètre triphasé. Je dis quasi-multiphase car une seule phase de courant passe à travers 2 enroulements de moteur à un moment donné.

Je charge le moteur à l'aide d'un frein à courants de Foucault: un disque en aluminium est connecté au rotor, et le moteur / disque est suspendu au-dessus de deux électroaimants. L'augmentation de la puissance des électro-aimants induit des courants de Foucault plus importants dans le disque en rotation, ce qui génère un couple plus important. Je mesure le couple et la vitesse en régime permanent à différents courants de charge à l'aide d'une cellule de couple en ligne et d'un capteur à effet Hall.

Voici mes données à 8V, 50-100% d'accélérateur. Chaque ensemble expérimental en pointillé a une prédiction solide correspondante basée sur un modèle de moteur à courant continu simple et les spécifications de KDE.

V = ré V_{ré C}

$V = dV_{DC}$

V = je 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}

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

Où

$d$ est le rapport cyclique du réglage de l'accélérateur
$V_{DC}$ est une tension fixe entrant dans l'ESC
(182 mΩ) est l'enroulement à enroulement $R$ résistance d' d'un moteur (KDE fournit la résistance par enroulement de 91 mΩ) parce que c'est la résistance totale vue par une tension appliquée instantanément aux bornes du moteur
$k_t$ (0,0041 Nm / A) est fourni en ligne

Problème

Je ne comprends tout simplement pas pourquoi les données expérimentales divergent de mon modèle à haute vitesse - spécialement à faible régime.

$k_t$ $R$ $R$ $k_t$ changer en raison d'une augmentation de l'inductance.

$k_t$ $k_t$ était resté le même.

Par exemple, à 70% des gaz et à 10 kRPM, mon modèle prédit ~ 20 mN-m de couple, mais le moteur "affaibli" produit 25 mN-m de couple. Ce qui donne??

Est-ce l'affaiblissement de champ d'un BLDC? Si oui, pourquoi le couple ne souffre-t-il pas?
Si cela n'affaiblit pas le champ, quoi d'autre pourrait faire changer la pente de la courbe couple-vitesse avec la vitesse?

Addenda

Ce qui m'embrouille également dans cette divergence à grande vitesse, c'est que le rendement expérimental du moteur s'améliore avec le FW.

Si je comprends bien le FW pour les PMSM, une partie du courant statorique (Id?) Est dépensée pour "combattre" le champ d'induit plutôt que pour générer un couple (Iq), de sorte que vous perdez réellement une certaine efficacité.

Cependant, l'efficacité expérimentale de mon moteur ne chute pas aussi rapidement que mon modèle puisque le moteur produit plus de vitesse (par rapport au modèle) avec le même couple.

Comme Neil_UK l'a mentionné, l'ESC peut jouer une sorte d'astuce avec l'angle de phase à l'armature. Comment puis-je mesurer l'angle de phase à l'armature?

Je mesure déjà l'angle de phase total aux bornes du moteur via mon wattmètre (Φ = acos (∑P / ∑S) sur les 3 phases), mais cet angle de phase comprend le retard de courant de l'inductance augmentant la vitesse et la distorsion harmonique de la commutation bruyante .

Hypothèse

Le couple ne souffre pas dans la région FW accidentelle car le moteur BLDC continue de tirer plus de puissance à FW contrairement aux PMSM qui tirent une puissance "constante" pendant FW (en ignorant les inefficacités). Je vais vérifier les données maintenant!

motor brushless-dc-motor

— techSultan
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Que signifie «étranglement»? Je ne veux pas dire «cela contrôle la vitesse du moteur», mais qu'est-ce que cela signifie électriquement, pour l'ESC, et comment cela entre-t-il dans votre modèle? Je pense que ce que je vois est `` lorsque le régime augmente, je m'attends à ce que le couple diminue, mais il ne diminue pas autant que je m'y attendais, à des réglages de gaz plus bas ''. Si j'avais un moteur à balais fonctionnant sur différentes tensions de batterie, cela me surprendrait beaucoup. Cependant, avec un brushless, l'ESC a plusieurs possibilités de `` faire quelque chose d'intelligent '' à mesure que le timing change. Est-ce qu'il fait ça? Comment savez-vous ce que "l'accélérateur" lui dit de faire?

— Neil_UK

Comment avez-vous dérivé votre modèle? Quelles hypothèses y sont intégrées? Il semble que l'explication la plus évidente soit que le contrôleur de vitesse ne suit pas les hypothèses intégrées dans votre modèle. Que fait réellement le contrôleur de vitesse en réponse aux différents réglages de l'accélérateur? Probablement pas ce que vous pensez qu'il fait.

— mkeith

Fondamentalement, ce qui se passe, c'est que le moteur tourne plus vite que prévu dans des conditions de faible charge. Je pense que le contrôleur peut dire que le moteur n'est pas chargé et utilise l'avance de phase ou quelque chose comme ça pour implémenter l'affaiblissement de champ dans ces conditions. Lorsque le moteur est fortement chargé (couple élevé), les données expérimentales convergent avec votre modèle.

— mkeith

Je dirais que votre ESC est un entraînement non sinusoïdal, donc quels que soient les algorithmes utilisés, ils seront différents de tout modèle utilisant un entraînement sinusoïdal.Ils semblent avoir un couple considérablement amélioré dans la plage moyenne

— Jack Creasey

@DmitryGrigoryev J'utilise une cellule de couple évaluée à 700 mN-m (100 oz-in). Le même phénomène est arrivé à des BLDC encore plus petits testés par l'armée à l'aide d'un dynamomètre commercial (rapport) . Je l'ai calibré avec des poids connus accrochés à une distance connue. Mes pentes théoriques et expérimentales correspondent à basse vitesse, donc je ne pense pas qu'il y ait d'erreur de mesure.

— techSultan

Le problème que vous rencontrez est lié à la forme de contrôle que vous utilisez. Presque tous les contrôleurs BLDC orientés passe-temps / quadricoptères (communément appelés «ESC») utilisent un contrôle trapézoïdal sans capteur. Cette forme de contrôle est fondamentalement différente de la forme de contrôle à laquelle vous faites référence dans votre question, appelée contrôle orienté champ ou FOC.

Décrire les différences dans le détail de ces techniques de contrôle nécessiterait une réponse excessivement longue, et je vous encourage à les rechercher vous-même. Cependant, le test tel qu'il existe actuellement ne dissocie pas correctement la caractéristique vitesse / couple du moteur de celle du conducteur. L'absence d'un codeur haute résolution affecte également les performances du moteur à basse vitesse. Si vous voulez de bonnes performances à faible vitesse, vous avez besoin d'une certaine forme d'encodeur, quelle que soit la technique de contrôle en question.

Si vous souhaitez caractériser correctement ces moteurs à une plage de vitesse complète, vous aurez besoin d'un pilote FOC sensible .

— Ocanath
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Je comprends maintenant la différence entre le FOC sensoriel et la commutation en 6 étapes sans capteur. Je postulais que FW se produit "par accident" dans le mécanisme de commutation trapézoïdal. Je suppose que cette question est sans réponse sans savoir exactement ce que l'algorithme de contrôle est sous le capot

— techSultan

Je pense qu'une explication simple pourrait être que le réglage de l'accélérateur à 50% ne signifie pas une tension réduite de 50%, car si la charge est faible, le courant revient à 0 entre les impulsions pwm, donc la tension de sortie est supérieure à 50 %. Rechercher la tension dans le convertisseur abaisseur avec un courant discontinu.

— Jesse_a_b
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Je comprends comment la tension de sortie pourrait augmenter en mode courant discontinu (DCM), mais je ne comprends pas comment cela affecterait la pente de la courbe couple-vitesse. La tension n'affecte théoriquement que l'ordonnée à l'origine de la courbe.

— techSultan