اختبار الدفع عند 10، 100، 1000 هرتز

بقلم لورين ناجل

تتيح لك أجهزة اختبار قوة الدفع الخاصة بنا تصدير البيانات بأي دقة من 1 إلى 1,000 هرتز. هذه ميزة قوية تفتح الكثير من إمكانيات الاختبار والتحليل.

ولكن كيف تبدو البيانات التي يتم أخذ عينات منها بمعدل 1,000 هرتز؟ وما الفرق الحقيقي بين 10 هرتز و100 هرتز و1,000 هرتز؟

في هذا المقال سنوضح مستويات الدقة والتحليل المختلفة الممكنة مع البيانات المقاسة عند كل من هذه الدقات.

جدول المحتويات:

1. هل تحتاج إلى معدل أخذ عينات مرتفع
2. معدل أخذ العينات حسب التطبيق
3. مقارنة البيانات عند 10 و100 و1,000 هرتز
1. تقلبات عزم الدوران والتيار
2. الاهتزاز
3. زمن استجابة المحرك ووحدة التحكم الإلكترونية بالسرعة (ESC)

هل تحتاج إلى معدل أخذ عينات مرتفع؟

الاختبار الديناميكي هو اختبار تتغير فيه القيم المقاسة بسرعة نسبية. اختبارات التسارع وقياس الاهتزاز وقياس تموج عزم الدوران هي أمثلة على الاختبارات الديناميكية. من الناحية الرياضية، هذه اختبارات تتغير فيها القيمة المقاسة كدالة للزمن، ولا تكون القيمة المتوسطة كافية.

لتحقيق هذه النتائج، يتطلب الاختبار الديناميكي معدل أخذ عينات أدنى يساوي ضعف تردد الإشارة التي يتم قياسها. يُعرف هذا بتردد نايكويست، وهو الحد الأدنى لمعدل أخذ العينات اللازم لتجنب التداخل وتحديد الإشارة المقاسة بدقة.

الاختبار الساكن هو اختبار تتغير فيه القيم المقاسة ببطء. هناك متطلبات أقل عند إجراء الاختبار الساكن: لا يتطلب مزامنة القياس نفس القدر من الدقة، ويمكن استخدام مرشحات ذات ثوابت زمنية أعلى، ويمكن أن يكون معدل أخذ العينات أقل.

الاختبار في الوقت الفعلي يصف اختبارًا تتطابق فيه الطوابع الزمنية المرتبطة بالقيم المقاسة تمامًا مع الطوابع الزمنية التي يتم فيها أخذ القياسات التناظرية على لوحة الدوائر.

الترشيح، وخاصة الترشيح منخفض التمرير، هو تقنية تستخدم لإزالة البيانات عالية التردد من الإشارة. في اختبار قياس الدفع، يمكن لمرشح منخفض التمرير إزالة الاهتزاز أو الضوضاء في التيار الناتجة عن التبديل السريع للترانزستورات أو تموج عزم الدوران. معدل أخذ العينات المرتفع ليس كافيًا لقياس اختبار ديناميكي. يجب أن يكون تردد القطع للمرشح منخفض التمرير المطبق على البيانات ضعف معدل أخذ العينات على الأقل حتى لا يزيل المرشح بيانات مهمة.

لمعرفة المزيد عن الاختبار عالي السرعة، اطّلع على مقالنا حول الاختبار الديناميكي في قياس البيانات.

معدل أخذ العينات حسب التطبيق

تعتمد كمية المعلومات التي يمكنك الحصول عليها على معدل أخذ العينات لجمع بياناتك.

إليك بعض الأمثلة لما يمكنك تحليله عند معدلات أخذ عينات مختلفة:

1. 10 هرتز
1. قياسات ساكنة في حالة الاستقرار
2. مراقبة التطور العام للدفع وعزم الدوران وسرعة الدوران والجهد والتيار
2. 100 هرتز
1. تحديد خصائص ردود فعل المحركات الكبيرة تجاه التغيرات في المدخلات
2. تصور الاتجاهات والتقلبات
3. 1,000 هرتز
1. تموج عزم الدوران
2. تحليل التيار
3. تحليل الاهتزاز
4. تحليل زمن الاستجابة

مقارنة البيانات عند 10 و100 و1,000 هرتز

لتوضيح الاختلافات في البيانات عند دقات مختلفة، أجرينا اختبار تسارع بسيطًا (من 0 إلى 1436 ميكروثانية) عند 1,000 هرتز، ثم أعدنا أخذ عينات البيانات وصدرناها عند 10 و100 و1,000 هرتز باستخدام برنامج فلايت ستاند.

رسمنا المتغيرات المقاسة على الرسوم البيانية أدناه، والتي توضح سلوكها عند ثلاث دقات مختلفة. ملاحظة: تم ضبط قيم PWM وسرعة الدوران لتناسب المحاور أدناه مع توضيح تطور هذين المعيارين.

كلما ارتفع معدل أخذ العينات، يمكننا رؤية صورة أكثر تفصيلًا لتطور كل متغير وتقلباته. 

يمكننا النظر إلى البيانات من عدة زوايا لتوضيح مستويات التحليل المختلفة الممكنة عند كل دقة.

تقلبات عزم الدوران والتيار

أولًا، سننظر إلى تقلبات عزم الدوران والتيار في هذه البيانات، لأن عزم الدوران يرتبط مباشرة بالتيار.

في البداية، عند 10 هرتز، يمكننا رؤية التقلبات الرئيسية في كلا المتغيرين. يبدو أن هناك ذروتين رئيسيتين في التيار، وذروة رئيسية واحدة في عزم الدوران. يصل عزم الدوران إلى ذروته عند علامة 3.9 ثانية تقريبًا عند نحو 4 نيوتن متر. يصل التيار أيضًا إلى ذروته عند علامة 3.9 ثانية إلى أقل بقليل من 6 أمبير، ثم مرة أخرى عند حوالي 4.4 ثانية، متجاوزًا الخط عند 10 أمبير. عند هذه الدقة، تشير البيانات إلى أنه قد تكون هناك علاقة بين عزم الدوران والتيار، لكنها ليست واضحة. 

عند 100 هرتز، يمكنك أن ترى أن عزم الدوران والتيار لهما شكل موجي متشابه ويتقلبان بتردد مماثل. يصل عزم الدوران إلى ذروته عند 3.68 ثانية عند نحو 5.5 نيوتن متر، ويبدأ في التشبه بذروة عزم الدوران. يصل التيار إلى ذروته عند 4.46 ثانية عند أكثر بقليل من 10 أمبير.

عند 1,000 هرتز، يمكننا حقًا البدء في رؤية التطور المشترك لعزم الدوران والدفع. يصل عزم الدوران إلى ذروته عند 3.670 ثانية عند أكثر بقليل من 6 نيوتن متر، وأصبح الآن واضحًا أنها ذروة عزم دوران. يصل التيار إلى ذروته عند 4.410 ثانية عند نحو 10.7 أمبير. عند هذه الدقة، يمكننا تحديد أي ذرى عزم دوران مرتبطة بذرى في التيار، وأيها لا.

في هذا التحليل كشفنا عن عدة ذرى لعزم الدوران، بما في ذلك ذروة عزم دوران في بداية الاختبار عندما بدأ تسارع المحرك. تحدث هذه الذروة في عزم الدوران بسبب الجهد الإضافي المطلوب للمحرك ليبدأ الدوران من وضع ثابت. ذروة عزم الدوران قصيرة جدًا ولا يمكن رؤيتها إلا بمعدل أخذ عينات مرتفع.

كان أقصى عزم دوران حقيقي (>6 نيوتن متر) أعلى بكثير مما تم قياسه خلال اختبار 10 هرتز (~4 نيوتن متر)، بفرق 40%. من المهم أن يعرف المصممون ذلك، لأن الإجهاد على نظام الدفع قد يكون أعلى بكثير مما هو متوقع.

يمكن أن تكون ذرى عزم الدوران الأخرى غير المرتبطة بذرى التيار مؤشرًا على عدم المحاذاة أو عدم الكفاءة في نظام الدفع، وقد تستدعي مزيدًا من التحقيق.

يمكن أن يكون هذا النوع من التحليل حاسمًا لتحديد نقاط الضعف في تصميمك.

مزيد من القراءة: كيفية قياس عزم الدوران ولماذا يجب عليك ذلك

الاهتزاز

الاهتزاز متغير مهم عندما يتعلق الأمر باختبار أنظمة الدفع، لأنه يمكن أن يؤثر على أمان هيكل المركبة وطول عمر مكوناتها.

إحدى طرق قياس الاهتزاز كميًا، المقاس كتقلبات في التسارع، هي تحليل تحويل فورييه (FT). أحد قيود هذه التقنية هو أن حد نايكويست يتطلب أن يكون الحد الأدنى لمعدل أخذ العينات 2x التردد المعطى ليتم قياسه بدقة. لهذا السبب، من المهم البدء ببيانات مقاسة بتردد عالٍ.

على سبيل المثال، سيسمح لك قياس بيانات 50 هرتز بقياس الأحداث التي تحدث بتردد 25 هرتز وأقل. نفس الشيء ينطبق على 1,000 هرتز، لا يمكنك سوى قياس الأحداث التي تحدث بترددات أقل من 500 هرتز.

يوضح الرسم البياني أدناه نتائج تحليل DFT أجري على بيانات من نظامي دفع مختلفين، يطلق عليهما التكوين 1 والتكوين 2. تم إجراء اختبار دفع ثابت مع كلا النظامين لمدة 30 ثانية، مع الحفاظ على ~3180 دورة في الدقيقة، ما يعادل 53 هرتز. يوضح الرسم البياني العلوي نتائج الدفع والرسم البياني السفلي لعزم الدوران.

إليك ما يمكننا رؤيته في هذه النتائج:

1. كما هو موضح بسعة الذرى، هناك تباين أعلى بمقدار 4.5x في طيف الدفع في التكوين 2 مقارنة بالتكوين 1، بالإضافة إلى تباين أعلى بمقدار 3.7x في طيف عزم الدوران.
2. هناك اهتزاز مرئي عند التوافقيات 1 و2 و3 و4 (53 و106 و159 و213 هرتز) عبر التكوينات.
3. توضح الذروة عند 106 هرتز مكان عبور المروحة لهيكل منصة الدفع.

هناك عدة ذرى اهتزاز أخرى يكون مصدرها أقل سهولة في التحديد. 

يمكن أن تعزى إلى عدة مصادر أخرى، والتي يمكن تأكيدها بمزيد من التحليل:

1. اضطراب الهواء الوارد
2. تردد دخل التيار المتردد لمزود الطاقة
3. تشوه المروحة
4. الدوار غير متوازن بشكل صحيح
5. عدم محاذاة براغي تثبيت المحرك
6. مخرجات ESC غير متسقة
7. التفاعل الهيكلي مع السائل (بسبب تغيرات الضغط)

مزيد من القراءة: تقليل الاهتزاز في اختبارات الدفع

الاستجابة الديناميكية للمحرك ووحدة ESC

سرعة المحرك ووحدة ESC ليست ثابتة تمامًا، والتقلبات مرئية في البيانات المقاسة بمعدلات أخذ عينات أعلى. عند 1,000 هرتز يمكننا النظر في زمن استجابتهما واستجابتهما الديناميكية.

بالنسبة للمحرك، بفضل التوقيت الدقيق للتحكم، يمكن لمنصة الدفع تحديد زمن الاستجابة والاستجابة الديناميكية للمحرك.

أحد الأمثلة هو عزم الدوران السلبي الذي يصبح مرئيًا مع زيادة معدل أخذ العينات. في منحنيات التسارع أدناه، عند 50 هرتز يمكننا رؤية ذروة عزم دوران سلبي تبلغ نحو 1.6 نيوتن متر تصبح مرئية عند علامة 3.64 ثانية تقريبًا. عند 1,000 هرتز، يمكننا أن نرى أنها في الواقع ذروتان، الأكبر منهما تصل إلى ذروتها عند نحو 2.2 نيوتن متر.

يمكن أن يكون هذا النوع من التحليل مفيدًا أيضًا في توصيف وحدات ESC، التي تستخدم ترانزستورات تسحب كمية كبيرة من التيار بسرعة. قد تقرر تغيير طول السلك أو المكثفات المستخدمة لتغيير زمن الاستجابة وتقليل ذرى التيار. يمكن للبيانات المقاسة عند 1,000 هرتز أن تظهر لك الفرق في زمن الاستجابة الناتج عن تلك التغييرات.

بالإضافة إلى ذلك، تستخدم معظم وحدات ESC ترددًا أعلى من 50 هرتز، لذا يلزم معدل أخذ عينات أعلى لرؤية التغيرات في التيار المقدم والتغيرات اللاحقة في المعايير مثل السرعة والدفع.

ملخص

باختصار، توفر البيانات التي يتم جمعها عند 1,000 هرتز العديد من الإمكانيات للتحليل المتعمق لمحركاتك ومراوحك ووحدات ESC ونظامك بشكل عام. 

في هذا المقال نظرنا إلى كيفية مساعدة البيانات التي يتم جمعها عند 1,000 هرتز في دراسة تقلبات عزم الدوران والتيار، واهتزاز النظام، وزمن الاستجابة. يمكن أن تساعدك هذه المعلومات في اكتساب فهم أفضل وأكثر دقة لأداء نظامك من أجل إجراء تحسينات في تصميمك.

لمزيد من المعلومات حول كيفية تحسين أداء الطائرة المسيّرة، اطّلع على كتابنا الإلكتروني حول بناء الطائرة المسيّرة وتحسينها.

إذا كنت ترغب في البدء باختبار محركاتك ومراوحك ووحدات ESC عند 1,000 هرتز، اطّلع على أجهزة اختبار قوة الدفع الخاصة بنا:

• فلايت ستاند 15 (15 كغف / 8 نيوتن متر)
• فلايت ستاند 50 (50 كغف / 30 نيوتن متر)
• فلايت ستاند 150 (150 كغف / 150 نيوتن متر)
• فلايت ستاند 500 (500 كغف من الدفع / 1500 نيوتن متر)