작성자: Charles Blouin
다이나모미터는 모터의 성능을 측정하는 데 매우 유용한 도구입니다. 모터에 제어된 부하를 가함으로써 다이나모는 모터의 토크, RPM 및 출력을 파악할 수 있습니다.
하지만 이것이 모터 성능을 종합적으로 이해하는 유일한 방법일까요?
우리는 전통적인 브레이크 다이나모미터 대신 모터-프로펠러 추력 스탠드를 사용하여 모터 성능을 매핑할 수 있는지 알고 싶었습니다.
(스포일러: 실제로 가능합니다.)
목차:
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실험 설정
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모터 전력 소비 매핑
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모터 효율 매핑
1. 실험 설정
우리는 토크, RPM, 출력 등을 포함한 모터 성능을 측정하기 위해 Flight Stand 15 추력 스탠드를 사용했습니다.
우리는 다양한 브랜드의 서로 다른 프로펠러 6개를 모터에 장착하여 테스트용 부하로 사용했습니다. 크기는 다음과 같습니다:
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11”
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16”
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18”
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22”
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26”
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30”
그림 1: 테스트 모터 및 프로펠러가 장착된 Flight Stand 추력 스탠드
우리는 1150에서 2000 µs까지 10단계의 스로틀 증분을 갖는 자동 스텝 테스트를 설계하고 각 프로펠러로 테스트를 수행했습니다.
데이터는 Flight Stand 소프트웨어를 사용하여 기록된 후 .CSV로 내보냈습니다.
모터 매핑은 Python을 실행하는 Google Colab 노트북을 사용하여 생성되었습니다. 코드는 확인하고 본인의 모터 성능 데이터 파일로 재사용할 수 있습니다. 본인의 데이터를 사용하려면 내보낸 파일에서 사용된 것과 동일한 단위 및 열 제목을 사용하거나 원하는 단위에 맞게 코드를 수정해야 합니다.
그림 2: Flight Stand 소프트웨어에서 자동화된 스텝 테스트
2. 모터 전력 소비 매핑
아래 그래프에는 네 가지 변수가 표시됩니다. x축은 RPM 단위의 회전 속도를, y축은 Nm 단위의 토크를 나타냅니다. 등고선 플롯은 모델링된 출력을 나타냅니다. 점은 측정된 실제 데이터 포인트를 나타내며, 색상은 측정값과 모델 간의 차이를 나타냅니다.
전기 전력 소비를 모델링하기 위해 데이터에 3차 다항식이 적용되었습니다. 예측값은 그래프의 색상 영역으로 표시되며, 각 영역은 25 W 범위를 나타냅니다.
데이터 포인트의 색상은 모델이 예측한 값과 측정된 전기 전력 값(와트) 사이의 오차를 나타냅니다. 모델의 최대 오차는 측정된 150와트에서 0.8와트, 즉 0.5%였습니다.
그림 3: 모터 전력 소비 매핑
3. 모터 효율 매핑
아래 모터 효율 매핑은 이전 섹션의 출력 매핑에서 도출되었습니다.
이 매핑에서 각 색상 영역은 예측된 모터 효율(%)을 나타내며, 각 영역은 2% 범위를 차지합니다.
매우 낮은 효율인 50% 미만에서는 측정 오차가 최대 3퍼센트 포인트였으며, 이는 해당 범위에서 측정된 출력과 토크가 상당히 낮기 때문에 예상되는 결과입니다. 비행 중 모터가 일반적으로 작동하는 더 높은 효율에서는 오차가 훨씬 미미했으며, 74~86% 효율 범위에서 1퍼센트 포인트 미만이었습니다.
그림 4: 모터 효율 매핑
4. 모델 검증
성능 모델을 생성할 때, 독립적인 테스트 데이터를 사용하여 모델의 정확성을 검증하기 위해 18" 프로펠러를 의도적으로 데이터 세트에서 제외했습니다.
모델은 다른 5개 프로펠러의 측정값을 사용하여 개발되었으며, 그 후 18" 프로펠러로 측정된 작동 지점에서의 모터 성능을 예측하는 데 사용되었습니다. 예측값은 실제 측정값과 비교하여 모델이 단순히 개발에 사용된 데이터에 맞춘 것이 아니라 모터의 물리적 동작을 얼마나 정확하게 나타내는지 확인했습니다.
이러한 접근 방식은 모델이 원래 데이터 세트에는 잘 맞지만 새로운 측정값을 정확하게 예측하지 못하는 잠재적인 과적합도 식별하는 데 도움이 됩니다.
18" 프로펠러는 모델 개발에 사용된 프로펠러 크기 범위에 속하므로, 이 테스트는 알려진 작동 조건 사이에서 모터 성능을 예측하는 능력을 평가합니다. 결과에 따르면 예측된 모터 효율은 테스트된 대부분의 범위에서 측정값과 1퍼센트 포인트 미만으로 차이가 났습니다.
아래 그림은 비교를 위해 18" 프로펠러의 측정 데이터 포인트를 추가한 모터 전력 소비 매핑을 보여줍니다.
그림 5: 여섯 번째 프로펠러(18")의 데이터 포인트를 추가한 모터 전력 소비 매핑
결론
요약하자면, 전통적인 브레이크 다이나모미터 없이 모터의 출력과 효율을 매핑하는 것은 실제로 가능합니다. 우리는 Flight Stand 추력 스탠드 데이터와 3차 다항식을 사용하여 모터 전력 소비 및 효율을 모델링하고, 아직 테스트되지 않은 구성의 성능을 예측하는 매핑을 생성할 수 있었습니다.
모터 특성화에 대해 더 자세히 알아보려면 모터 토크 측정 방법 및 이유에 대한 기사를 확인해 보세요.