작성자: Dominic Robillard 및 Lauren Nagel
추력 스탠드는 브러시리스 모터와 프로펠러를 테스트하는 데 매우 유용한 도구입니다.
여러 방면에서 시간을 절약할 수 있으며, 자동화된 테스트도 그중 하나입니다.
자동화된 테스트는 '시작'을 누르고 데이터가 수집되는 동안 테스트가 독립적으로 실행되는 것을 지켜보기만 하면 됩니다.
이 글에서는 당사의 추력 스탠드로 브러시리스 모터를 테스트하는 7가지 방법과 이러한 테스트를 자동화하는 방법을 소개합니다.
브러시리스 모터 테스트 7가지:
- 스텝 테스트
- 스윕/램프 테스트
- 내구도 테스트
- 폐루프 제어/일정 추력 테스트
- 90% 정착 시간 테스트
- 비행 재현 테스트
- 정현파 테스트 및 칩 신호 테스트
테스트 설정
이 글에서는 당사의 추력 스탠드와 함께 사용할 수 있는 두 가지 소프트웨어를 소개합니다.
- RCbenchmark 소프트웨어 - 최대 50Hz의 샘플링 속도, Series 1585 및 Series 1780과 호환
- Flight Stand 소프트웨어 - 최대 1,000Hz의 샘플링 속도, Flight Stand 15/50/150과 호환
이 글의 동영상에 표시된 데이터를 수집하는 데 Series 1585 테스트 스탠드가 사용되었습니다.
그림 1: 풍동에서 테스트되는 추진 시스템
1. 스텝 테스트
스텝 테스트란 무엇인가?
스텝 테스트는 추진 시스템에 규칙적이거나 불규칙한 패턴의 신호 단계를 순차적으로 적용하는 테스트입니다. 예를 들어, 스로틀을 25%에서 시작하도록 설정한 다음 5% 간격으로 50%까지 증가시킬 수 있습니다(25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%).
이러한 각 '단계'에서는 데이터 샘플을 캡처하기 전에 시스템이 안정화되도록 스로틀을 일정하게 유지하는 정해진 정착 시간이 있습니다.
스텝 테스트를 수행하는 이유는?
스텝 테스트는 사용 가능한 테스트 중 비교적 간단한 테스트 중 하나이므로 여러 가지 이유로 수행할 수 있습니다.
우선 스텝 테스트는 쉽게 반복할 수 있으며 필요할 때마다 정확히 동일한 방식으로 실행할 수 있습니다. 매번 데이터 수집 지점이 동일하므로 추진 시스템의 다양한 구성을 쉽게 비교할 수 있습니다.
또한 시스템의 다양한 작동 지점에서의 성능을 확인하는 데도 유용합니다. 스로틀 55%와 60%에서 효율은 어떻게 비교되나요? 스로틀 80%와 85%에서 전력 소비량은 어떠한가요?
스텝 테스트를 사용하면 간단한 절차로 이러한 질문에 대한 답을 얻을 수 있습니다.
추가 읽을거리: 모터와 프로펠러를 테스트해야 하는 이유
스텝 테스트 실행 방법
스텝 테스트를 설계하려면 어떤 작동 지점에 대해 알고 싶은지 결정해야 합니다. 신호 입력의 전체 범위를 살펴보고 싶은가요, 아니면 비행의 특정 단계에 집중하고 싶은가요?
이를 결정한 후에는 RCbenchmark 소프트웨어에서 제공하는 것과 같은 테스트 스크립트에 해당 지점을 입력할 수 있습니다(그림 2). 최소값, 최대값, 단계 수, 단계 사이의 정착 시간을 설정합니다.
단계는 수동으로 입력하거나 스프레드시트에서 가져올 수 있습니다.
그림 2: 스텝 테스트용 자동화 테스트 스크립트
2. 스윕/램프 테스트
스윕/램프 테스트란 무엇인가?
스윕 테스트(램프 테스트라고도 함) 동안에는 추진 시스템이 한 스로틀 값에서 다른 값으로 부드럽게 변화하는 동안 데이터가 지속적으로 기록됩니다.
스텝 테스트와 달리 중간에 멈추지 않고 지점 사이의 전환 동안 데이터를 지속적으로 수집합니다.
예를 들어, 시작 값을 스로틀 40%로, 최대 값을 스로틀 80%로 설정하고 증가하는 동안 데이터를 지속적으로 수집할 수 있습니다.
스윕/램프 테스트를 수행하는 이유는?
스윕/램프 테스트를 통해 두 값 사이의 ESC 작동 지점 전체 범위를 테스트할 수 있습니다. 이는 단계 수가 무한한 스텝 테스트와 같으므로, 단계를 수동으로 입력할 필요가 없다는 장점이 있습니다.
이 테스트는 스로틀 곡선 분석과 신호 앨리어싱 효과 관찰 등 여러 목적으로 유용하게 활용될 수 있습니다.
고려해야 할 점은 테스트 데이터 포인트 수가 고정되어 있지 않다는 것입니다. 실험을 비교하는 것은 여전히 가능하지만, 다른 테스트(예: 스텝 테스트)와 달리 서로 다른 테스트의 데이터가 정확한 값에서 일치하지는 않습니다.
또한 생성된 데이터 파일의 크기가 매우 커져 분석이 더 어려워질 수 있습니다.
스윕/램프 테스트 실행 방법
RCbenchmark 소프트웨어에는 사용자가 원하는 값을 입력할 수 있는 미리 작성된 스윕 테스트 스크립트가 있습니다. 사용자는 최소 시작 값, 최대 정점 값, 그리고 두 값 사이의 전환에 필요한 시간을 입력하며, 이를 통해 스윕 속도를 제어합니다.
주의할 점은 프로펠러 가속 토크가 측정값에 영향을 미치지 않도록 스윕을 충분히 천천히 수행해야 한다는 것입니다. 램프가 충분히 느리면 이 효과는 무시할 수 있는 수준이 됩니다.
3. 내구도 테스트
내구도 테스트란 무엇인가?
내구도 테스트 범주에는 실행 시간이 길고 추진 시스템이나 그 내부 구성 요소의 한계를 테스트하는 것을 목적으로 하는 모든 테스트가 포함됩니다.
몇 가지 예:
- 열 내구도 테스트 - 따뜻한 환경에서 모터의 성능을 수 시간 동안 테스트합니다.
- 베어링 내구도 테스트 - 베어링이 마모되기 전까지 몇 시간 동안 사용할 수 있는지 확인합니다.
- 결빙 내구도 테스트 - 춥고 습한 환경에서 시간이 지남에 따라 프로펠러의 성능을 테스트합니다.
추가 읽을거리: UAV 구성 요소의 정적 테스트와 동적 테스트
내구도 테스트를 수행하는 이유는?
내구도 테스트는 설계 과정의 여러 단계에서 유용합니다. 최적의 구성 요소를 선택하고 정확한 기술 문서를 작성하는 데 도움이 됩니다.
내구도 테스트는 안전성과 신뢰성에도 큰 영향을 미칩니다. 구성 요소의 유효 수명과 항공기의 안전 작동 한계를 입증하여 드론 인증에 도움을 줄 수 있습니다.
내구도 테스트는 구성 요소의 정비 시점을 알려주므로 드론 정비 일정을 수립하는 데도 유용합니다.
내구도 테스트 실행 방법
스텝, 스윕, 정현파, 비행 재현 등 어떤 스로틀 패턴도 내구도 테스트에 사용할 수 있습니다. 테스트 매개변수는 설계자의 목표에 따라 크게 달라집니다.
몇 가지 예:
- 열 내구도 테스트 - 따뜻한 환경에서 추진 시스템을 일정 스로틀로 장시간 실행합니다. 시간이 지남에 따라 모터 성능의 변화를 관찰합니다.
- 베어링 내구도 테스트 - 표준 온도 및 압력(STP) 조건에서 추진 시스템을 반복되는 단계 시퀀스로 실행합니다. 베어링이 마모 징후를 보이기 전까지 몇 시간 동안 작동할 수 있는지 관찰합니다.
- 결빙 내구도 테스트 - 춥고 습한 환경에서 추진 시스템을 부드럽게 반복되는 신호로 실행합니다. 얼음이 쌓이면서 프로펠러 성능이 어떻게 변하는지 관찰합니다.
RCbenchmark 소프트웨어의 미리 작성된 스크립트인 '사용자 지정 단계 시퀀스'(그림 3)를 사용하면 내구도 테스트를 설계하는 데 도움이 됩니다. 사용자는 단계 수, 각 단계의 스로틀 값, 각 단계의 지속 시간을 정의하여 테스트 시퀀스를 만듭니다.
시퀀스는 필요한 만큼 반복할 수 있습니다. 테스트 시퀀스의 각 단계 중간에 데이터 샘플이 기록됩니다.
그림 3: 내구도 테스트용 편집 가능한 스크립트
4. 폐루프 제어/일정 추력 테스트
폐루프 제어/일정 추력 테스트란 무엇인가?
폐루프 제어 테스트(일정 추력 테스트라고도 함) 동안 시스템은 센서 데이터를 지속적으로 읽고 사용자가 정의한 일정 추력/전력/RPM에 도달하도록 스로틀을 조정합니다.
폐루프 제어의 한 예로 PID 제어기가 있는데, 이는 목표값과 측정값 사이의 오차를 감지한 다음 적분 및 미분 조정이 포함된 비례 제어를 적용하여 보정합니다.
폐루프 제어 테스트를 수행하는 이유는?
폐루프 제어 테스트는 시스템의 다른 영역이 변하더라도 원하는 변수가 일정하게 유지되도록 구성됩니다.
예를 들어, LiPo 배터리가 소모되어 전압이 떨어지면 프로그래밍된 추력/전력/RPM을 유지하도록 스로틀이 조정됩니다.
이는 비행을 설계하거나 배터리를 테스트하거나 시스템 내구도를 테스트하는 경우와 같이 많은 시나리오에서 유용합니다.
폐루프 제어 테스트 실행 방법
RCbenchmark 소프트웨어로 폐루프 제어 테스트를 실행하려면 사용자 지정 스크립트가 필요하며, 표준 JavaScript를 사용하여 소프트웨어 내에서 만들 수 있습니다.
특정 목표를 달성하려면 스크립트를 수정해야 합니다. 주요 과제는 시스템이 너무 빨리 또는 과도하게 보상하여 목표값 주변에서 진동하지 않도록 하는 것이므로 약간의 튜닝이 필요합니다.
5. 90% 정착 시간 테스트
90% 정착 시간 테스트란 무엇인가?
90% 정착 시간 테스트는 스텝 입력 후 추진 시스템이 최종 RPM 값의 90%에 도달하는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 이는 드론의 반응 시간을 측정하는 방법 중 하나입니다.
정확한 측정값을 보장하기 위해 높은 샘플링 속도로 수행해야 하는 동적 테스트입니다.
90% 정착 시간 테스트를 수행하는 이유는?
90% 정착 시간 테스트를 통해 설계자와 제어 엔지니어는 ESC, 모터, 프로펠러를 포함한 추진 시스템 전체의 반응 시간을 정량화할 수 있습니다. 이는 드론의 성능과 회복력을 연구하는 데 유용하며, 예를 들어 돌풍과 같은 방해 요소에서 얼마나 빨리 회복하는지 확인할 수 있습니다.
90% 정착 시간 테스트 실행 방법?
이 테스트는 RCbenchmark 소프트웨어에 미리 프로그래밍되어 있어 쉽게 실행할 수 있습니다. 스크립트는 추진 시스템에 스텝 입력 신호를 전달하여 스로틀을 0에서 100%까지 증가시킵니다. 동시에 최종 RPM의 90%에 도달하는 데 필요한 반응 시간을 기록합니다.
가속도도 기록되어 스텝 입력 직후의 가속도 기울기를 추정할 수 있습니다. 이 데이터는 출력 .CSV 파일에 추가 열로 포함됩니다. 
그림 4: 90% 정착 시간 테스트 스크립트
6. 비행 재현 테스트
비행 재현 테스트란 무엇인가?
비행 재현 테스트는 추진 시스템을 사용하여 과거의 비행을 실험실에서 재현하는 방법입니다. 이전 비행에서 온보드 비행 컴퓨터에 저장된 스로틀 데이터를 사용하여 이 테스트를 수행할 수 있습니다.
비행 재현 테스트를 수행하는 이유는?
이러한 유형의 테스트는 비행의 다양한 단계에서 추진 시스템의 성능을 확인할 수 있으므로 유용합니다. 어떤 단계에서 가장 많은 전력이 소모되고 어떤 단계가 가장 효율적인지 확인할 수 있습니다.
이 테스트 방법은 특히 풍동 테스트와 결합할 때 비행 작동을 재현하는 가장 정확한 방법 중 하나입니다. 배터리 수명을 추정하는 데 특히 유용합니다. 이 정보에 접근할 수 있으면 드론 설계 또는 비행 절차, 또는 두 가지 모두를 변경할 수 있습니다.
추가 읽을거리: 프로펠러 추력 계산 및 측정 방법
비행 재현 테스트 실행 방법?
첫 번째 단계는 비행의 스로틀 데이터를 컴퓨터로 내보내는 것입니다. 그런 다음 파일을 .CSV 파일로 Flight Stand 소프트웨어에 가져와 사용자 지정 테스트 스크립트를 만들 수 있습니다. RCbenchmark 소프트웨어를 사용하는 경우 사용자 지정 스크립트를 작성해야 합니다.
추력 스탠드에 추진 시스템을 연결하면 소프트웨어가 스로틀 지점을 시스템에 재현합니다. 추력, 토크, RPM, 전력 등이 실시간으로 어떻게 변하는지 확인할 수 있습니다.
7. 정현파 테스트 및 칩 신호 테스트
정현파 및 칩 신호 테스트란 무엇인가?
정현파 테스트 동안 추진 시스템은 부드러운 사인파 신호로 제어되어 모터가 지속적으로 속도를 변경하도록 합니다. 시스템은 데이터를 지속적으로 기록하면서 전체 스로틀 지점 스펙트럼을 통과합니다.
칩 신호 테스트 동안 부드러운 사인파 신호가 추진 시스템으로 전송되지만, 이제 주파수가 시간이 지남에 따라 점진적으로 변합니다(그림 5). 신호 주파수는 증가하거나 감소할 수 있지만 신호의 진폭은 일정하게 유지됩니다.
그림 5: 칩 신호의 구조 (출처: Wikiwand)
정현파 테스트 또는 칩 신호 테스트를 수행하는 이유는?
정현파 테스트를 통해 전체 작동 지점 스펙트럼에서 시스템의 성능을 확인할 수 있습니다. 지속적인 기록은 스윕 테스트와 유사하며 패턴은 내구도 테스트에 유용합니다.
칩 테스트를 통해 사용자는 ESC의 전체 속도 변화 범위를 테스트할 수 있습니다. 이를 통해 ESC가 스로틀 변화에 얼마나 빨리, 어느 정도까지 반응하는지 알 수 있습니다.
이 테스트는 더 높은 빈도의 명령이 수행되는 동안 시스템 안정성을 관찰할 수 있게 해주며, 제어 시스템이 모든 주파수에서 안정적인지 확인하기 위해 엔지니어들이 수행하는 테스트 중 하나입니다.
정현파 테스트 또는 처프 신호 테스트는 어떻게 실행하나요?
정현파 테스트의 경우, ESC 출력에 정현파 함수를 생성하는 미리 작성된 스크립트가 있습니다: https://cdn-docs.rcbenchmark.com/scripts/sinewave.js. 이 스크립트는 RCbenchmark 소프트웨어와 함께 사용할 수 있습니다.
처프 신호 테스트를 수행하려면 사용자 지정 스크립트를 작성해야 하며, 위의 정현파 스크립트가 좋은 시작점이 될 수 있습니다.
업데이트 속도는 ESC 프로토콜과 USB 통신 속도에 의해 제한된다는 점에 유의하십시오. 이러한 이유로 RCbenchmark 소프트웨어에서 정현파 주파수를 10Hz 이상으로 설정하는 것은 권장하지 않습니다.
요약
이 글에서 논의한 자동 브러시리스 모터 테스트는 추진 시스템을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 데이터는 시스템에서 개선할 수 있는 실질적인 영역을 식별하는 데 도움이 됩니다.
자체 실험실에서 이러한 테스트를 수행하려면 소형 드론용 Series 1585 , 중형 드론용 Flight Stand 15 , 대형 드론용 Flight Stand 50 , 그리고 초대형 드론 및 eVTOL용 Flight Stand 150 을 사용해 보십시오.
언제나 그렇듯이, 강력한 소프트웨어 는 무료로 제공됩니다.
저희는 항상 개선하고 고객의 요구를 충족할 방법을 찾고 있습니다. 저희가 놓친 테스트가 있나요? 댓글로 알려주십시오.