Von Dominic Robillard und Lauren Nagel
Ein Schubprüfstand ist ein hervorragendes Werkzeug zum Testen Ihrer bürstenlosen Motoren und Propeller.
Er kann Ihnen auf viele Arten Zeit sparen, und eine davon ist die automatisierte Prüfung.
Automatisierte Prüfung bedeutet, dass Sie auf „Start“ klicken und den Test unabhängig beobachten können, während die Daten eingehen.
In diesem Artikel stellen wir 7 Möglichkeiten vor, Ihren bürstenlosen Motor mit unseren Schubprüfständen zu testen, sowie die Automatisierung dieser Tests.
Die 7 wichtigsten Tests für bürstenlose Motoren:
- Stufentest
- Sweep-/Rampentest
- Dauertest
- Closed-Loop-Regelung / Test mit konstantem Schub
- Test der 90 %-Einschwingzeit
- Flugwiedergabe-Test
- Sinus-Test und Chirp-Signal-Test
Der Testaufbau
In diesem Artikel werden zwei unserer Softwareprodukte erwähnt, die mit unseren Schubprüfständen kombiniert werden können:
- RCbenchmark-Software - Abtastrate bis zu 50 Hz, kompatibel mit den Serien 1585 und 1780
- Flight Stand Software - Abtastrate bis zu 1.000 Hz, kompatibel mit dem Flight Stand 15/ 50/ 150
Der Schubprüfstand der Serie 1585 wurde verwendet, um die in diesem Artikel gezeigten Daten zu erfassen.
Abbildung 1: In einem Windkanal getestete Antriebssysteme
1. Stufentest
Was ist ein Stufentest?
Bei einem Stufentest wird Ihr Antriebssystem durch eine Abfolge von Signalstufen in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster geführt. Sie könnten beispielsweise Ihre Gaszufuhr so einstellen, dass sie bei 25 % beginnt und dann in 5 %-Schritten bis 50 % erhöht wird (25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %).
Bei jeder dieser „Stufen“ gibt es eine definierte Einschwingzeit, während der das System die Gaszufuhr konstant hält, damit das System stabilisiert wird, bevor die Datenprobe erfasst wird.
Warum sollte man einen Stufentest durchführen?
Es gibt mehrere Gründe, einen Stufentest durchzuführen, da er zu den einfacheren verfügbaren Tests zählt.
Erstens ist ein Stufentest leicht wiederholbar und kann beliebig oft auf genau dieselbe Weise durchgeführt werden. Dadurch lässt sich leicht vergleichen, wie sich verschiedene Konfigurationen Ihres Antriebssystems verhalten, da die Datenpunkte bei jedem Test gleich sind.
Er ist auch nützlich, um die Leistung eines Systems an verschiedenen Betriebspunkten zu betrachten. Wie schneidet die Effizienz bei 55 % Gaszufuhr im Vergleich zu 60 % Gaszufuhr ab? Wie hoch ist der Stromverbrauch bei 80 % im Vergleich zu 85 % Gaszufuhr?
Ein Stufentest kann Ihnen helfen, diese Fragen mit einem einfachen Protokoll zu beantworten.
Weiterführende Literatur: Warum Sie Ihre Motoren und Propeller testen sollten
So führen Sie einen Stufentest durch
Bei der Planung eines Stufentests müssen Sie festlegen, über welche Betriebspunkte Sie mehr erfahren möchten. Möchten Sie den gesamten Bereich der Signaleingänge betrachten oder konzentrieren Sie sich auf eine bestimmte Flugphase?
Sobald Sie dies festgelegt haben, können Sie diese Punkte in ein Testskript eingeben, wie das in der RCbenchmark-Software bereitgestellte (Abbildung 2). Legen Sie den Mindestwert, den Höchstwert, die Anzahl der Stufen und die Einschwingzeit zwischen den Stufen fest.
Ihre Stufen können manuell eingegeben oder aus einer Tabelle importiert werden.
Abbildung 2: Automatisiertes Testskript für einen Stufentest
2. Sweep-/Rampentest
Was ist ein Sweep-/Rampentest?
Bei einem Sweep-Test (auch Rampentest genannt) werden die Daten kontinuierlich aufgezeichnet, während Ihr Antriebssystem gleichmäßig von einem Gaszufuhrwert zum nächsten übergeht.
Im Gegensatz zu einem Stufentest gibt es unterwegs keine Pausen, sondern nur eine kontinuierliche Datenerfassung während des Übergangs zwischen den Punkten.
Sie könnten beispielsweise Ihren Startwert auf 40 % Gaszufuhr und Ihren Höchstwert auf 80 % Gaszufuhr einstellen und während der Erhöhung kontinuierlich Daten erfassen lassen.
Warum sollte man einen Sweep-/Rampentest durchführen?
Ein Sweep-/Rampentest ermöglicht es Ihnen, einen vollständigen Bereich von ESC-Betriebspunkten zwischen zwei Werten zu testen. Er entspricht einem Stufentest mit einer unendlichen Anzahl von Stufen, daher müssen Sie die Stufen nicht manuell eingeben.
Neben anderen Zielen kann dies für die Analyse der Gaszufuhrkurve und die Beobachtung von Signalaliasing-Effekten nützlich sein.
Ein Aspekt ist, dass die Anzahl der Datenpunkte für den Test nicht festgelegt ist. Es ist dennoch sehr gut möglich, Experimente zu vergleichen, aber die Daten aus verschiedenen Tests werden nicht auf präzise Werte ausgerichtet sein, wie es bei anderen Tests wie einem Stufentest der Fall ist.
Darüber hinaus können die erzeugten Datendateien sehr groß werden, was die Analyse erschwert.
So führen Sie einen Sweep-/Rampentest durch
In der RCbenchmark-Software gibt es ein vorab geschriebenes Sweep-Testskript, mit dem Benutzer ihre eigenen benutzerdefinierten Werte eingeben können. Der Benutzer gibt einen minimalen Startwert, einen maximalen Spitzenwert und die gewünschte Zeit für den Übergang zwischen den beiden ein, was die Geschwindigkeit des Sweeps steuert.
Eine Sache, die Sie beachten sollten, ist, dass der Sweep langsam genug durchgeführt werden muss, um das Beschleunigungsmoment des Propellers zu minimieren, damit dies die Messwerte nicht beeinträchtigt. Wenn die Rampe langsam genug ist, wird dieser Effekt vernachlässigbar sein.
3. Dauertest
Was ist ein Dauertest?
Die Kategorie der Dauertests umfasst alle Tests, die eine lange Dauer haben und das Ziel verfolgen, die Grenzen des Antriebssystems oder der darin enthaltenen Komponenten zu testen.
Einige Beispiele:
- Thermischer Dauertest - Test der Leistung eines Motors über mehrere Stunden in einer warmen Umgebung.
- Lager-Dauertest - Bestimmung, wie viele Betriebsstunden ein Lager aushält, bevor es Verschleiß aufweist.
- Eis-Dauertest - Test der Propellerleistung über die Zeit in einer kalten und feuchten Umgebung.
Weiterführende Literatur: Statische vs. dynamische Tests für UAV-Komponenten
Warum sollte man einen Dauertest durchführen?
Dauertests sind in vielen Phasen des Designprozesses nützlich. Sie können Ihnen helfen, die besten Komponenten auszuwählen und genaue technische Dokumente zu erstellen.
Dauertests sind auch ein wichtiger Faktor für Sicherheit und Zuverlässigkeit. Sie können bei der Zertifizierung von Drohnen helfen, indem sie die Nutzungsdauer von Komponenten und die sicheren Betriebsgrenzen des Fluggeräts nachweisen.
Dauertests sind auch nützlich, um einen Wartungsplan für eine Drohne zu erstellen, da sie Ihnen sagen können, wann Komponenten gewartet werden müssen.
So führen Sie einen Dauertest durch
Jedes Gaszufuhrmuster kann für Dauertests verwendet werden, wie z. B. Stufen, Sweep, Sinus, Flugwiedergabe usw. Die Parameter für den Test basieren stark auf Ihren Zielen als Entwickler.
Einige Beispiele:
- Thermischer Dauertest - Betreiben Sie Ihr Antriebssystem über einen langen Zeitraum bei konstanter Gaszufuhr in einer warmen Umgebung. Beobachten Sie die Veränderungen der Motorleistung im Laufe der Zeit.
- Lager-Dauertest - Betreiben Sie Ihr Antriebssystem durch eine sich wiederholende Abfolge von Stufen unter STP-Bedingungen. Beobachten Sie, wie viele Betriebsstunden das Lager aushält, bevor es Anzeichen von Verschleiß zeigt.
- Eis-Dauertest - Betreiben Sie Ihr Antriebssystem mit einem gleichmäßigen, sich wiederholenden Signal in einer kalten und feuchten Umgebung. Beobachten Sie die Veränderungen der Propellerleistung, während sich Eis ansammelt.
Die RCbenchmark-Software kann Ihnen helfen, Ihre Dauertests mit dem vorab geschriebenen Skript „Benutzerdefinierte Stufensequenz“ zu planen (Abbildung 3). Der Benutzer erstellt eine Testsequenz, indem er die Anzahl der Stufen, den Gaszufuhrwert bei jeder Stufe und die Dauer jeder Stufe festlegt.
Die Sequenz kann beliebig oft wiederholt werden. In der Mitte jeder Stufe der Testsequenz wird eine Datenprobe aufgezeichnet.
Abbildung 3: Bearbeitbares Skript für Dauertests
4. Closed-Loop-Regelung / Test mit konstantem Schub
Was ist ein Closed-Loop-Regelungstest / Test mit konstantem Schub?
Während eines Closed-Loop-Regelungstests (auch Test mit konstantem Schub genannt) liest das System kontinuierlich Sensordaten aus und passt die Gaszufuhr an, um einen vom Benutzer definierten konstanten Schub/eine konstante Leistung/eine konstante Drehzahl zu erreichen.
Ein Beispiel für eine Closed-Loop-Regelung ist ein PID-Regler, der eine Abweichung zwischen dem Ziel- und dem gemessenen Wert erfasst und dann eine Korrektur auf Basis einer proportionalen Regelung mit integralen und derivativen Anpassungen vornimmt.
Warum sollte man einen Closed-Loop-Regelungstest durchführen?
Ein Closed-Loop-Regelungstest wird so konfiguriert, dass Ihre gewünschte Variable konstant bleibt, selbst wenn sich andere Bereiche des Systems ändern.
Wenn beispielsweise eine LiPo-Batterie entladen wird und die Spannung sinkt, wird die Gaszufuhr so angepasst, dass der programmierte Schub/die Leistung/die Drehzahl beibehalten wird.
Dies ist in vielen Szenarien nützlich, wie z. B. bei der Planung eines Fluges, dem Testen Ihrer Batterie oder der Prüfung der Systemausdauer.
So führen Sie einen Closed-Loop-Regelungstest durch
Die Durchführung eines Closed-Loop-Regelungstests mit der RCbenchmark-Software erfordert ein benutzerdefiniertes Skript, das Sie innerhalb der Software mit Standard-JavaScript erstellen können.
Das Skript muss angepasst werden, um Ihre spezifischen Ziele zu erreichen. Die größte Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass das System nicht zu schnell oder zu stark kompensiert, da dies dazu führen würde, dass das System um Ihren Zielwert oszilliert, daher ist eine gewisse Abstimmung erforderlich.
5. Test der 90 %-Einschwingzeit
Was ist ein Test der 90 %-Einschwingzeit?
Ein Test der 90 %-Einschwingzeit misst, wie lange ein Antriebssystem benötigt, um nach einer Stufeneingabe 90 % seines endgültigen Drehzahlwerts zu erreichen. Dies ist eine Möglichkeit, die Reaktionszeit einer Drohne zu messen, zum Beispiel.
Es ist ein dynamischer Test, der mit einer hohen Abtastrate durchgeführt werden sollte, um eine genaue Messung zu gewährleisten.
Warum sollte man einen Test der 90 %-Einschwingzeit durchführen?
Ein Test der 90 %-Einschwingzeit ermöglicht es Entwicklern und Regelungstechnikern, die Reaktionszeit eines Antriebssystems als Ganzes zu quantifizieren - ESC, Motor und Propeller zusammen. Dies ist nützlich, um die Leistung und Widerstandsfähigkeit einer Drohne zu untersuchen, zum Beispiel wie schnell sie sich von einer Störung wie einem Windstoß erholt.
So führen Sie einen Test der 90 %-Einschwingzeit durch?
Dieser Test ist einfach durchzuführen, da er in der RCbenchmark-Software vorprogrammiert ist. Das Skript liefert ein Stufeneingabesignal an Ihr Antriebssystem, wodurch es von 0 auf 100 % Gaszufuhr geht. Es zeichnet gleichzeitig die Reaktionszeit auf, die erforderlich ist, um 90 % der endgültigen Drehzahl zu erreichen.
Die Beschleunigung wird ebenfalls aufgezeichnet, um eine Schätzung der Beschleunigungssteigung unmittelbar nach der Stufeneingabe zu liefern. Diese Daten sind als zusätzliche Spalte in der ausgegebenen .CSV-Datei enthalten. 
Abbildung 4: Testskript der 90 %-Einschwingzeit
6. Flugwiedergabe-Test
Was ist ein Flugwiedergabe-Test?
Ein Flugwiedergabe-Test ist eine Möglichkeit, einen vergangenen Flug im Labor mit Ihrem Antriebssystem nachzustellen. Sie können diesen Test mit den in Ihrem bordeigenen Flugcomputer gespeicherten Gaszufuhrdaten eines früheren Fluges durchführen.
Warum sollte man einen Flugwiedergabe-Test durchführen?
Diese Art von Test ist nützlich, weil sie es Ihnen ermöglicht, die Leistung Ihres Antriebssystems in verschiedenen Phasen Ihres Fluges zu sehen. Sie können feststellen, welche Phasen die meiste Leistung verbrauchen und welche am effizientesten sind.
Diese Testmethode ist eine der genauesten Möglichkeiten, Flugvorgänge nachzustellen, insbesondere in Kombination mit Windkanaltests. Sie ist besonders nützlich, um die Batterielebensdauer abzuschätzen. Der Zugang zu diesen Informationen kann zu Änderungen an Ihrem Drohnendesign, Ihrem Flugverfahren oder beidem führen.
Weiterführende Literatur: Berechnung und Messung des Propellerschubs
So führen Sie einen Flugwiedergabe-Test durch?
Der erste Schritt besteht darin, die Gaszufuhrdaten eines Fluges auf Ihren Computer zu exportieren. Sie können die Datei dann als .CSV-Datei in die Flight Stand Software importieren, um ein benutzerdefiniertes Testskript zu erstellen. Wenn Sie die RCbenchmark-Software verwenden, muss ein benutzerdefiniertes Skript erstellt werden.
Sobald Sie Ihr Antriebssystem an den Schubprüfstand angeschlossen haben, wird die Software die Gaszufuhrpunkte durch Ihr System wiedergeben. Sie können sehen, wie sich Ihr Schub, Ihr Drehmoment, Ihre Drehzahl, Ihre Leistung und mehr in Echtzeit ändern.
7. Sinus-Test und Chirp-Signal-Test
Was sind Sinus- und Chirp-Signal-Tests?
Während eines Sinus-Tests wird das Antriebssystem mit einem gleichmäßigen Sinuswellensignal gesteuert, was den Motor zwingt, ständig die Geschwindigkeit zu ändern. Das System durchläuft ein ganzes Spektrum von Gaszufuhrpunkten, während es kontinuierlich Daten aufzeichnet.
Während eines Chirp-Signal-Tests wird ein gleichmäßiges Sinuswellensignal an das Antriebssystem gesendet, aber jetzt ändert sich die Frequenz im Laufe der Zeit schrittweise (Abbildung 5). Die Signalfrequenz kann steigen oder sinken, aber die Amplitude des Signals bleibt konstant.
Abbildung 5: Die Struktur eines Chirp-Signals (Quelle: Wikiwand)
Warum sollte man einen Sinus-Test oder Chirp-Signal-Test durchführen?
Ein Sinus-Test ermöglicht es Ihnen, die Leistung Ihres Systems über ein ganzes Spektrum von Betriebspunkten zu sehen. Die kontinuierliche Aufzeichnung ähnelt einem Sweep-Test und das Muster ist nützlich für Dauertests.
Ein Chirp-Test ermöglicht es dem Benutzer, den vollständigen Bereich der Geschwindigkeitsänderungen eines ESC zu testen. Dies kann Ihnen sagen, wie schnell und in welchem Maße der ESC auf Gaszufuhränderungen reagiert.
Es ermöglicht Ihnen, die Systemstabilität bei einer höheren Befehlsfrequenz zu beobachten, und ist oft einer der von Ingenieuren durchgeführten Tests, um zu validieren, dass ein Steuerungssystem bei allen Frequenzen stabil ist.
Wie führt man einen sinusförmigen Test oder Chirp-Signaltest durch?
Für sinusförmige Tests haben wir ein vordefiniertes Skript zur Erzeugung einer Sinusfunktion am ESC-Ausgang: https://cdn-docs.rcbenchmark.com/scripts/sinewave.js. Dieses kann mit der RCbenchmark-Software verwendet werden.
Für einen Chirp-Signaltest müssen Sie ein benutzerdefiniertes Skript schreiben, und das obige Sinus-Skript dient als guter Ausgangspunkt.
Beachten Sie, dass die Aktualisierungsrate durch das ESC-Protokoll und die USB-Kommunikationsrate begrenzt ist. Aus diesem Grund empfehlen wir nicht, mit der RCbenchmark-Software eine Sinuswellenfrequenz von über 10 Hz einzustellen.
Zusammenfassung
Die in diesem Artikel besprochenen automatisierten bürstenlosen Motortests spielen eine wichtige Rolle bei der Optimierung von Antriebssystemen. Die Daten können Ihnen helfen, praktische Bereiche zur Verbesserung in Ihrem System zu identifizieren.
Wenn Sie diese Tests in Ihrem eigenen Labor durchführen möchten, probieren Sie unsere Series 1585 für kleine Drohnen, unseren Flight Stand 15 für mittlere Drohnen, unseren Flight Stand 50 für große Drohnen und unseren Flight Stand 150 für extragroße Drohnen und eVTOL.
Wie immer werden unsere leistungsstarken Softwares kostenlos bereitgestellt.
Wir suchen immer nach Wegen, uns zu verbessern und die Bedürfnisse unserer Kunden zu erfüllen. Gibt es Tests, die wir übersehen haben? Lassen Sie es uns in den Kommentaren wissen.