Стенд для измерения микромоторов

2855858

Краткое содержание предыдущих серий:

  • тяга винтового двигателя определяется только механической мощностью на винте и его диаметром, ее можно посчитать по простой  формуле. Однако, в реальной жизни эта тяга существенно меньше из-за эффективностей различных частей аппарата: a) винта b) мотора c) контроллера. Общая эффективность будет  произведением этих эффективностей. Отличие теоретической тяги от реальной можно оценить по времени висения.
    Напимер, для tiny whoop на 0716 (17000) brushed моторах она выглядит примерно так . Общая эффективность порядка 0.14
    А для UR65 tiny whoop на 0603 (17000) brushless моторах примерно так . Общая эффективность порядка 0.10
  • Эффективность работы мотора можно определить из параметров мотора (R, Kv, I0). Ток, напряжение, rpm, эффективность, момент однозначно связаны, все возможные значения дают семейство графиков . При нагрузке мотора пропеллером получается единственная точка на этих графиках (при фиксированном напряжении), вот так . Так определяется эффективность мотора. Для того, чтобы оценить эффективность пропеллера, надо подобрать коэффициент rotor. efficiency чтобы экспериментальное значение тяги соответствовало значению на графиках.
    Для  0716 (17000) brushed моторов графики должны выглядить примерно так . Эффективность мотора 0.45 и пропеллера 0.36 ( из ранее )
    Для  0603 (17000) brushless моторов примерно так . Эффективность мотора 0.7

(это более-менее очевидно, так как оба мотора имеют одинаковый Kv (и следовательно torque), и brushless моторы с меньшим сопротивлением обмотки должны иметь лучшую эффективность)

Т.е. мы имеем, что brushless моторы должны быть более эффективны, но на практике общая эффективность вупов на их основе меньше, чем у brushed.

Получается, что микромоторы, в отличие от, скажем, моторов для 5 дюймовых коптеров не описываются привычными уравнениями моторов. Это может быть связано с низкой эффективностью микро ESC или другими причинами. Это было отмечено и ранее  и там даже есть график зафисимости эффективности от веса мотора.

Хотелось бы знать почему. Во вторых, хотелось бы понять как предсказывать характеристики вупов правильно. В третьих, на сегодняшний день не существует каких-либо данных (я не нашел) по микромоторам кроме тяги. Хотелось бы иметь измерения момента и скорости вращения (что прямо дает механическую мощность мотора как Pm=T*w ). Хотелось бы иметь также мгновенные значения напряжения и тока на самом моторе (особенно важно для brushless), откуда можно определить не только подводимую электрическую мощность (достаточно средних значений), но и характеристики ESC (сдвиг фаз и сопротвления ключей).

Короче, хотелось бы иметь привычную картину мира: если теоретический предел не достигнут, хотя бы знать причину этого. Кто виноват и что делать.

Поэтому решил собрать свой стенд. Вот он в предварительных тестах:

 

Детальки напечатаны на 3D принтере. Load cells 1 кг и 0.2 кг для тяги и момента. Интерфейсные модули по возможности покупные: для load cells hx711 ,  входные напряжения и ток ina219  (~1ms). Для измерения тока и напряжения на моторах этой скорости недостаточно, учитывая скорость вращения и PWM.  Готовых я не нашел, поэтому сделал свой на current hall-sensor (ACS730) и паре операционных усилителей ADA 4522.

 

Точность hall-sensors не очень хорошая, зато они практически не вносят дополнительного сопротивления (1 мОм). Для лучшей точности им можно делать обнуление на нулевом токе каждый цикл измерения (так как они обладают гистерезисом). На практе, предварительно, их точности вполне достаточно.

Для измерения скорости винта используется лазерный модуль  и фотодиод (не знаю какой, нашел в запасах).  Компаратор Teensy может считать импульсы с него даже без всякого усилителя, фотодиод нагружен на резистор 6.8к, чтобы обеспечить полосу вплоть до 20 кГц.

Все датчики считываются Teensy 3.2 с максимальной скоростью, на каждый датчик применяется low-pass фильтр с настраиваемой частотой отсечки (~1 Гц на видео). Мотры управляются от Flight Controller а на который подаются по отдельному последовательному порту команды MultiWii MSP_SET_MOTOR .

Teensy 3.2 легко справляется с работой по обработке сигналов и имеет скорость виртуального последовательного порта вплоть до 12 Mbit. Это позволяет довольно свободно обмениваться данными с PC программой.

В режиме осциллографа Teensy записывает данные с I/V быстрого сенсора в RAM и потом может быть считана PC Программой.

PC программа написана на Delphi 10.2.