Par Dominic Robillard et Lauren Nagel
Un banc d’essai de poussée est un excellent outil pour tester vos moteurs sans balais et vos hélices.
Il peut vous faire gagner du temps de plusieurs façons, notamment grâce aux tests automatisés.
Les tests automatisés vous permettent de cliquer sur « Démarrer » et de suivre le déroulement du test en temps réel pendant que les données sont collectées.
Dans cet article, nous présentons 7 façons de tester votre moteur sans balais avec nos bancs d’essai de poussée, ainsi que les méthodes pour automatiser ces tests.
Les 7 meilleurs tests pour les moteurs sans balais :
- Test par paliers
- Test par balayage / rampe
- Test d’endurance
- Test de régulation en boucle fermée / poussée constante
- Test du temps de stabilisation à 90 %
- Test de relecture de vol
- Test sinusoïdal et test de signal chirp
Configuration de l’essai
Cet article fait référence à deux de nos logiciels compatibles avec nos bancs d’essai de poussée :
- Logiciel RCbenchmark - fréquence d’échantillonnage jusqu’à 50 Hz, compatible avec les séries 1585 et 1780
- Logiciel Flight Stand - fréquence d’échantillonnage jusqu’à 1 000 Hz, compatible avec les Flight Stand 15/ 50/ 150
Le banc d’essai série 1585 a été utilisé pour recueillir les données présentées dans les vidéos de cet article.
Figure 1 : Systèmes de propulsion testés en soufflerie
1. Test par paliers
Qu’est-ce qu’un test par paliers ?
Un test par paliers soumet votre système de propulsion à une séquence de paliers de signal, selon un schéma régulier ou irrégulier. Par exemple, vous pouvez régler votre gaz pour qu’il commence à 25 %, puis augmente par intervalles de 5 % jusqu’à 50 % (25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %).
À chacun de ces « paliers », un temps de stabilisation défini permet au système de maintenir le gaz à un niveau constant afin de se stabiliser avant que l’échantillon de données ne soit capturé.
Pourquoi effectuer un test par paliers ?
Il existe plusieurs raisons d’effectuer un test par paliers, car il s’agit de l’un des tests les plus simples disponibles.
Tout d’abord, un test par paliers est facilement reproductible et peut être effectué de la même manière autant de fois que nécessaire. Il est donc facile de comparer différentes configurations de votre système de propulsion, car les points de collecte de données sont identiques à chaque fois.
Il est également utile pour étudier les performances d’un système à différents points de fonctionnement. Comment l’efficacité se compare-t-elle à 55 % de gaz par rapport à 60 % ? Quelle est la consommation d’énergie à 80 % par rapport à 85 % de gaz ?
Un test par paliers peut vous aider à répondre à ces questions grâce à un protocole simple.
À lire également : Pourquoi vous devriez tester vos moteurs et vos hélices
Comment effectuer un test par paliers
La conception d’un test par paliers nécessite de déterminer les points de fonctionnement que vous souhaitez étudier. Souhaitez-vous examiner toute la plage des signaux d’entrée ou vous concentrer sur une phase de vol spécifique ?
Une fois cette décision prise, vous pouvez saisir ces points dans un script de test, comme celui fourni dans le logiciel RCbenchmark (figure 2). Définissez la valeur minimale, la valeur maximale, le nombre de paliers et le temps de stabilisation entre les paliers.
Vous pouvez saisir vos paliers manuellement ou les importer depuis une feuille de calcul.
Figure 2 : Script de test automatisé pour un test par paliers
2. Test par balayage / rampe
Qu’est-ce qu’un test par balayage / rampe ?
Lors d’un test par balayage (également appelé test par rampe), les données sont enregistrées en continu pendant que votre système de propulsion passe progressivement d’une valeur de gaz à une autre.
Contrairement à un test par paliers, il n’y a aucune interruption : les données sont collectées en continu pendant la transition entre les points.
Par exemple, vous pouvez régler la valeur initiale à 40 % de gaz et la valeur maximale à 80 % de gaz, puis collecter les données en continu pendant l’augmentation.
Pourquoi effectuer un test par balayage / rampe ?
Un test par balayage / rampe vous permet de tester toute la plage des points de fonctionnement de l’ESC entre deux valeurs. Il équivaut à un test par paliers avec un nombre infini de paliers ; l’un de ses avantages est donc que vous n’avez pas à saisir les paliers manuellement.
Parmi d’autres objectifs, il peut être utile pour analyser la courbe de gaz et observer les effets d’aliasing du signal.
Il faut toutefois noter que le nombre de points de données du test n’est pas fixe. Il reste tout à fait possible de comparer les expériences, mais les données de différents tests ne correspondront pas à des valeurs précises comme c’est le cas pour d’autres tests, tels qu’un test par paliers.
De plus, les fichiers de données générés peuvent devenir très volumineux, ce qui rend l’analyse plus difficile.
Comment effectuer un test par balayage / rampe
Le logiciel RCbenchmark contient un script de test par balayage préétabli qui permet aux utilisateurs de saisir leurs propres valeurs personnalisées. L’utilisateur saisit une valeur initiale minimale, une valeur maximale de crête, ainsi que la durée souhaitée pour la transition entre les deux, ce qui détermine la vitesse du balayage.
Il faut garder à l’esprit que le balayage doit être suffisamment lent pour minimiser le couple d’accélération de l’hélice afin qu’il n’affecte pas les mesures. Si la rampe est suffisamment lente, cet effet sera négligeable.
3. Test d’endurance
Qu’est-ce qu’un test d’endurance ?
La catégorie des tests d’endurance comprend tous les tests de longue durée dont l’objectif est d’évaluer les limites du système de propulsion ou de ses composants.
Voici quelques exemples :
- Test d’endurance thermique : évaluation des performances d’un moteur pendant plusieurs heures dans un environnement chaud.
- Test d’endurance des roulements : détermination du nombre d’heures d’utilisation qu’un roulement peut supporter avant de s’user.
- Test d’endurance au givrage : évaluation des performances de l’hélice au fil du temps dans un environnement froid et humide.
À lire également : Tests statiques et dynamiques des composants de drone
Pourquoi effectuer un test d’endurance ?
Les tests d’endurance sont utiles à de nombreuses étapes du processus de conception. Ils peuvent vous aider à sélectionner les meilleurs composants et à créer des documents techniques précis.
Les tests d’endurance jouent également un rôle important dans la sécurité et la fiabilité. Ils peuvent contribuer à la certification du drone en démontrant la durée de vie utile des composants et les limites de fonctionnement sécurisé de l’appareil.
Les tests d’endurance sont également utiles pour établir un programme d’entretien du drone, car ils peuvent vous indiquer quand les composants devront être révisés.
Comment effectuer un test d’endurance
Tout type de profil de gaz peut être utilisé pour un test d’endurance, comme un profil par paliers, par balayage, sinusoïdal, de relecture de vol, etc. Les paramètres du test dépendent avant tout de vos objectifs en tant que concepteur.
Voici quelques exemples :
- Test d’endurance thermique : faites fonctionner votre système de propulsion pendant une longue période à gaz constant dans un environnement chaud. Observez l’évolution des performances du moteur au fil du temps.
- Test d’endurance des roulements : faites fonctionner votre système de propulsion selon une séquence répétitive de paliers dans des conditions STP. Observez combien d’heures de fonctionnement le roulement peut supporter avant de montrer des signes d’usure.
- Test d’endurance au givrage : faites fonctionner votre système de propulsion selon un signal sinusoïdal continu dans un environnement froid et humide. Observez l’évolution des performances de l’hélice à mesure que la glace s’accumule.
Le logiciel RCbenchmark peut vous aider à concevoir vos tests d’endurance à l’aide du script préétabli « Séquence de paliers personnalisée » (figure 3). L’utilisateur crée une séquence de test en définissant le nombre de paliers, la valeur de gaz à chaque palier et la durée de chaque palier.
La séquence peut être répétée autant de fois que nécessaire. Un échantillon de données est enregistré au milieu de chaque palier de la séquence de test.
Figure 3 : Script modifiable pour les tests d’endurance
4. Test de régulation en boucle fermée / poussée constante
Qu’est-ce qu’un test de régulation en boucle fermée / poussée constante ?
Lors d’un test de régulation en boucle fermée, également appelé test de poussée constante, le système lit en permanence les données des capteurs et ajuste le gaz pour atteindre une poussée/puissance/vitesse de rotation constante définie par l’utilisateur.
Un exemple de régulation en boucle fermée est le contrôleur PID, qui détecte l’écart entre la valeur cible et la valeur mesurée, puis applique une correction basée sur une régulation proportionnelle avec des ajustements intégraux et dérivés.
Pourquoi effectuer un test de régulation en boucle fermée ?
Un test de régulation en boucle fermée est configuré de manière à ce que la variable souhaitée reste constante, même lorsque d’autres paramètres du système évoluent.
Par exemple, à mesure qu’une batterie LiPo se décharge et que sa tension diminue, le gaz sera ajusté pour maintenir la poussée/puissance/vitesse de rotation programmée.
Cela est utile dans de nombreux scénarios, comme lors de la conception d’un vol, du test de votre batterie ou de l’évaluation de l’endurance du système.
Comment effectuer un test de régulation en boucle fermée
L’exécution d’un test de régulation en boucle fermée avec le logiciel RCbenchmark nécessite un script personnalisé que vous pouvez créer dans le logiciel à l’aide de JavaScript standard.
Le script devra être modifié pour atteindre vos objectifs spécifiques. Le principal défi consiste à veiller à ce que le système ne compense pas trop rapidement ou trop fortement, ce qui le ferait osciller autour de la valeur cible ; un certain réglage est donc nécessaire.
5. Test du temps de stabilisation à 90 %
Qu’est-ce qu’un test du temps de stabilisation à 90 % ?
Un test du temps de stabilisation à 90 % mesure le temps nécessaire à un système de propulsion pour atteindre 90 % de sa vitesse de rotation finale après une commande par palier. Il s’agit d’une façon d’évaluer, par exemple, le temps de réaction d’un drone.
Il s’agit d’un test dynamique qui doit être effectué avec une fréquence d’échantillonnage élevée afin de garantir une mesure précise.
Pourquoi effectuer un test du temps de stabilisation à 90 % ?
Un test du temps de stabilisation à 90 % permet aux concepteurs et aux ingénieurs en automatique de quantifier le temps de réaction de l’ensemble du système de propulsion : ESC, moteur et hélice réunis. Il est utile pour étudier les performances et la résilience du drone, par exemple sa capacité à se remettre rapidement d’une perturbation telle qu’une rafale de vent.
Comment effectuer un test du temps de stabilisation à 90 % ?
Ce test est facile à effectuer car il est préprogrammé dans le logiciel RCbenchmark. Le script envoie un signal d’entrée par palier à votre système de propulsion, le faisant passer de 0 à 100 % de gaz. Il enregistre simultanément le temps de réaction nécessaire pour atteindre 90 % de la vitesse de rotation finale.
L’accélération est également enregistrée afin de fournir une estimation de la pente d’accélération immédiatement après la commande par palier. Ces données sont incluses dans une colonne supplémentaire du fichier de sortie .CSV. 
Figure 4 : Script de test du temps de stabilisation à 90 %
6. Test de relecture de vol
Qu’est-ce qu’un test de relecture de vol ?
Un test de relecture de vol permet de reproduire en laboratoire un vol passé avec votre système de propulsion. Vous pouvez effectuer ce test à l’aide des données de gaz stockées dans l’ordinateur de vol embarqué lors d’un vol précédent.
Pourquoi effectuer un test de relecture de vol ?
Ce type de test est utile car il vous permet d’observer les performances de votre système de propulsion à différentes étapes du vol. Vous pouvez déterminer quelles étapes consomment le plus d’énergie et lesquelles sont les plus efficaces.
Cette méthode de test est l’une des plus précises pour reproduire les opérations de vol, surtout lorsqu’elle est associée aux tests en soufflerie. Elle est particulièrement utile pour estimer l’autonomie de la batterie. Ces informations peuvent conduire à des modifications de la conception de votre drone, de votre procédure de vol ou des deux.
À lire également : Comment calculer et mesurer la poussée de l’hélice
Comment effectuer un test de relecture de vol ?
La première étape consiste à exporter les données de gaz d’un vol vers votre ordinateur. Vous pouvez ensuite importer le fichier dans le logiciel Flight Stand au format .CSV afin de créer un script de test personnalisé. Si vous utilisez le logiciel RCbenchmark, il faudra écrire un script personnalisé.
Une fois votre système de propulsion connecté au banc d’essai de poussée, le logiciel rejoue les points de gaz à travers votre système. Vous pourrez observer en temps réel l’évolution de la poussée, du couple, de la vitesse de rotation, de la puissance, etc.
7. Test sinusoïdal et test de signal chirp
Que sont les tests sinusoïdal et de signal chirp ?
Lors d’un test sinusoïdal, le système de propulsion est contrôlé par un signal sinusoïdal continu, obligeant le moteur à changer constamment de vitesse. Le système parcourt tout le spectre des points de gaz tout en enregistrant les données en continu.
Lors d’un test de signal chirp, un signal sinusoïdal continu est envoyé au système de propulsion, mais sa fréquence évolue progressivement au fil du temps (figure 5). La fréquence du signal peut augmenter ou diminuer, mais son amplitude reste constante.
Figure 5 : Structure d’un signal chirp (Source : Wikiwand)
Pourquoi effectuer un test sinusoïdal ou un test de signal chirp ?
Un test sinusoïdal vous permet d’observer les performances de votre système sur tout le spectre des points de fonctionnement. L’enregistrement continu s’apparente à un test par balayage et le profil est utile pour les tests d’endurance.
Un test chirp permet à l’utilisateur d’évaluer toute la plage des variations de vitesse d’un ESC. Il peut vous indiquer la rapidité et l’ampleur de la réponse de l’ESC aux variations de gaz.
Cela vous permet d’observer la stabilité du système lorsqu’il est soumis à une fréquence de commandes plus élevée. Il s’agit souvent de l’un des tests effectués par les ingénieurs pour vérifier qu’un système de commande est stable à toutes les fréquences.
Comment effectuer un test sinusoïdal ou un test de signal à balayage fréquentiel ?
Pour les tests sinusoïdaux, nous proposons un script préétabli permettant de générer une fonction sinusoïdale sur la sortie de l’ESC : https://cdn-docs.rcbenchmark.com/scripts/sinewave.js. Ce script peut être utilisé avec le logiciel RCbenchmark.
Pour effectuer un test de signal à balayage fréquentiel, vous devez rédiger un script personnalisé, et le script sinusoïdal ci-dessus constitue une bonne base de départ.
Notez que la fréquence de rafraîchissement est limitée par le protocole de l’ESC et la vitesse de communication USB. Pour cette raison, nous ne recommandons pas de régler la fréquence de l’onde sinusoïdale à plus de 10 Hz avec le logiciel RCbenchmark.
Résumé
Les tests automatisés de moteurs sans balais présentés dans cet article jouent un rôle important dans l’optimisation des systèmes de propulsion. Les données obtenues peuvent vous aider à identifier des pistes concrètes d’amélioration de votre système.
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Comme toujours, nos puissants logiciels sont fournis gratuitement.
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