¿Por qué mi motor BLDC cambia el comportamiento a alta velocidad?

Antecedentes

He registrado el rendimiento de par vs velocidad de un pequeño motor BLDC de 50 gramos, el KDE 2304XF-2350 .

Alimento el motor a diferentes voltajes fijos al ESC (conmutador electrónico) y a diferentes configuraciones de aceleración para el ESC. El acelerador del ESC esencialmente reduce el voltaje fijo. Mido la potencia eléctrica de CA "cuasifase" que ingresa al motor utilizando un vatímetro trifásico. Yo digo cuasi-multifase porque sólo una única fase de la corriente fluye a través de 2 devanados del motor en cualquier punto en el tiempo.

Cargo el motor con un freno de corriente parásita: un disco de aluminio está conectado al rotor y el motor / disco está suspendido sobre dos electroimanes. El aumento de potencia a los electroimanes induce corrientes de Foucault más grandes en el disco giratorio, lo que genera un mayor par. Mido el par y la velocidad en estado estacionario a diferentes corrientes de carga utilizando una celda de par en línea y un sensor hall.

Aquí están mis datos a 8V, 50-100% de aceleración. Cada conjunto experimental punteado tiene una predicción sólida correspondiente basada en un modelo de motor DC simple y las especificaciones de KDE.

V = re V_{re C}

$V = dV_{DC}$

V = yo R + mi

$V = IR + E$

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}

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

Dónde

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

Problema

Simplemente no entiendo por qué los datos experimentales difieren de mi modelo a altas velocidades, especialmente a baja aceleración.

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

$k_t$ $k_t$

Por ejemplo, a una aceleración del 70% y 10 kRPM, mi modelo predice ~ 20 mN-m de torque, pero el motor "debilitado en el campo" produce 25 mN-m de torque. ¿¿Lo que da??

¿Es este debilitamiento de campo de un BLDC? Si es así, ¿por qué no sufre el torque?
Si esto no debilita el campo, ¿qué más podría causar que la pendiente de la curva de par-velocidad cambie con la velocidad?

Apéndice

Lo que también me confunde acerca de esta divergencia de alta velocidad es que la eficiencia experimental del motor mejora con FW.

Según entiendo FW para los PMSM, parte de la corriente del estator (¿Id?) Se gasta "combatiendo" el campo de la armadura en lugar de generar un par (Iq), por lo que realmente pierde algo de eficiencia.

Sin embargo, la eficiencia experimental de mi motor no cae tan precipitadamente como mi modelo ya que el motor está produciendo más velocidad (en relación con el modelo) al mismo par.

Como mencionó Neil_UK, el ESC puede estar jugando algún tipo de truco con el ángulo de fase en la armadura. ¿Cómo puedo medir el ángulo de fase en la armadura?

Ya estoy midiendo el ángulo de fase total en los terminales del motor a través de mi vatímetro (Φ = acos (∑P / ∑S) en las 3 fases), pero este ángulo de fase incluye el retraso actual de la inductancia que aumenta la velocidad y la distorsión armónica de la conmutación ruidosa .

Hipótesis

El par no sufre en la región FW accidental porque el motor BLDC continúa consumiendo más potencia en FW a diferencia de los PMSM que extraen potencia "constante" durante FW (ignorando las ineficiencias). ¡Comprobaré los datos ahora!

motor brushless-dc-motor

— techSultan
fuente

¿Qué significa "acelerador"? No quiero decir 'controla la velocidad del motor', pero qué significa eléctricamente, para el ESC, y cómo entra eso en su modelo. Creo que lo que estoy viendo es "a medida que aumentan las revoluciones, esperaría que el par disminuya, pero no cae tanto como lo esperaba, con ajustes de aceleración más bajos". Si tuviera un motor cepillado funcionando con diferentes voltajes de batería, eso me sorprendería enormemente. Sin embargo, con un brushless, hay varias oportunidades para que el ESC 'haga algo inteligente' a medida que cambia el tiempo. ¿Está haciendo eso? ¿Cómo sabes lo que 'acelerador' le dice que haga?

— Neil_UK

¿Cómo obtuviste tu modelo? ¿Qué suposiciones están incorporadas? Parece que la explicación más obvia es que el controlador de velocidad no sigue los supuestos integrados en su modelo. ¿Qué hace el controlador de velocidad en respuesta a las diferentes configuraciones del acelerador? Probablemente no sea lo que crees que hace.

— mkeith

Básicamente, lo que está sucediendo es que el motor funciona más rápido de lo esperado en condiciones de carga ligera. Creo que el controlador puede decir que el motor no está cargado y está utilizando el avance de fase o algo así para implementar el debilitamiento del campo en esas condiciones. Cuando el motor está muy cargado (el par es alto), los datos experimentales convergen con su modelo.

— mkeith

Sugeriría que su ESC sea una unidad no sinusoidal, por lo que los algoritmos que se utilicen serán diferentes a los de cualquier modelo que utilice una unidad sinusoidal. Parece que han mejorado significativamente el par en el rango medio

— Jack Creasey

@DmitryGrigoryev Estoy usando una celda de torque con capacidad para 700 mN-m (100 oz-in). El mismo fenómeno ocurrió con BLDC aún más pequeños probados por el Ejército utilizando un dinamómetro comercial (informe) . Lo calibré con pesos conocidos colgados a una distancia conocida. Mis pendientes teóricas y experimentales coinciden a bajas velocidades, por lo que no creo que haya un error de medición.

— techSultan

El problema que tiene está relacionado con la forma de control que está utilizando. Casi todos los controladores BLDC orientados a pasatiempos / quadcopter (comúnmente conocidos como 'ESC'), utilizan control trapezoidal sin sensores. Esta forma de control es fundamentalmente diferente de la forma de control a la que hace referencia en su pregunta, que se denomina control orientado al campo o FOC.

Describir las diferencias en detalle de estas técnicas de control requeriría una respuesta excesivamente larga, y le animo a que las investigue usted mismo. Sin embargo, la prueba tal como existe actualmente no está desacoplando adecuadamente la característica de velocidad / par del motor de la del conductor. La falta de un codificador de alta resolución también afecta el rendimiento del motor a baja velocidad. Si desea un buen rendimiento a baja velocidad, necesita algún tipo de codificador, independientemente de la técnica de control en cuestión.

Si desea caracterizar adecuadamente estos motores en un rango de velocidad completa, necesitará de manera realista un controlador FOC con sensor .

— Ocanath
fuente

Ahora entiendo la diferencia entre FOC sensorizado y conmutación sin sensores de 6 pasos. Estaba postulando que FW está sucediendo "por accidente" en el mecanismo de conmutación trapezoidal. Supongo que esta pregunta no se puede responder sin saber exactamente cuál es el algoritmo de control bajo control

— techSultan

Creo que una explicación simple podría ser que el ajuste del acelerador al 50% no significa una reducción del volumen en un 50%, porque si la carga es pequeña, la corriente volverá a 0 entre pulsos pwm, por lo que el voltaje de salida es superior a 50 % Busque voltaje en el convertidor reductor con corriente discontinua.

— Jesse_a_b
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Entiendo cómo la tensión de salida podría aumentar en el modo de corriente discontinua (DCM), pero no entiendo cómo eso afectaría la pendiente de la curva de velocidad de torque. El voltaje teóricamente solo afecta la intersección en y de la curva.

— techSultan