작성자: Lauren Nagel
Flight Stand 추력 스탠드에서는 1~1,000Hz 사이의 원하는 해상도로 데이터를 내보낼 수 있습니다. 이는 테스트 및 분석의 폭을 크게 넓혀주는 강력한 기능입니다.
그렇다면 1,000Hz로 샘플링한 데이터는 어떤 모습일까요? 그리고 10Hz, 100Hz, 1,000Hz 사이에는 실제로 어떤 차이가 있을까요?
이 글에서는 각 해상도로 측정된 데이터로 수행할 수 있는 정밀도와 분석 수준의 차이를 살펴보겠습니다.
목차:
- 높은 샘플링 속도가 필요할까요?
- 용도별 샘플링 속도
- 10, 100, 1,000Hz 데이터 비교
- 토크 및 전류 변동
- 진동
- 모터 및 ESC 반응 시간
높은 샘플링 속도가 필요할까요?
동적 테스트는 측정값이 비교적 빠르게 변하는 테스트입니다. 가속 테스트, 진동 측정, 토크 리플 측정 등이 동적 테스트의 예입니다. 수학적으로 동적 테스트는 측정값이 시간에 따라 변하는 테스트이므로 평균값만으로는 충분하지 않습니다.
이러한 결과를 얻으려면 동적 테스트에서는 측정하려는 신호 주파수의 최소 2배에 해당하는 샘플링 속도가 필요합니다. 이를 나이퀴스트 주파수라고 하며, 앨리어싱을 방지하고 측정하려는 신호를 정확하게 표현하는 데 필요한 최소 샘플링 속도입니다.
정적 테스트는 측정값이 천천히 변하는 테스트입니다. 정적 테스트에서는 요구 사항이 적습니다. 측정 동기화에 대한 부담이 덜하고, 시정수가 더 높은 필터를 사용할 수 있으며, 샘플링 속도도 낮출 수 있습니다.
실시간 테스트는 측정값과 관련된 타임스탬프가 회로 기판에서 아날로그 측정이 수행된 타임스탬프와 정확히 일치하는 테스트를 의미합니다.
필터링, 특히 저역 통과 필터링은 신호에서 고주파 데이터를 제거하는 데 사용되는 기술입니다. 추력 측정 테스트에서 저역 통과 필터는 진동, 트랜지스터의 빠른 스위칭으로 인한 전류 노이즈 또는 토크 리플을 제거할 수 있습니다. 높은 샘플링 속도만으로는 동적 테스트를 측정하기에 충분하지 않습니다. 데이터에 적용하는 저역 통과 필터는 중요한 데이터를 제거하지 않도록 컷오프 주파수가 최소 샘플링 속도의 2배 이상이어야 합니다.
고속 테스트에 대해 더 자세히 알아보려면 데이터 측정에서의 동적 테스트에 관한 글을 확인해 보세요.
용도별 샘플링 속도
얻을 수 있는 정보량은 데이터 수집의 샘플링 속도에 따라 달라집니다.
다음은 다양한 샘플링 속도에서 분석할 수 있는 몇 가지 예시입니다:
- 10Hz
- 정상 상태의 정적 측정
- 추력, 토크, RPM, 전압 및 전류의 전반적인 변화 관찰
- 100Hz
- 입력 변화에 대한 대형 모터의 반응 특성 파악
- 추세 및 변동 시각화
- 1,000Hz
- 토크 리플
- 전류 분석
- 진동 분석
- 반응 시간 분석
10, 100, 1,000Hz 데이터 비교
다양한 해상도에서 데이터의 차이를 보여주기 위해 1,000Hz에서 간단한 가속 테스트(0~1436µs)를 수행한 후, Flight Stand 소프트웨어를 사용하여 데이터를 10, 100, 1,000Hz로 재샘플링하고 내보냈습니다.
아래 그래프에 측정 변수를 표시하여 세 가지 해상도에서의 동작을 보여주었습니다. 참고: 두 매개변수의 변화를 보여주면서 아래 축에 맞도록 PWM 및 RPM 값을 조정했습니다.
샘플링 속도가 높아질수록 각 변수의 변화와 변동에 대한 훨씬 더 상세한 모습을 볼 수 있습니다.
여러 관점에서 데이터를 살펴봄으로써 각 해상도에서 가능한 다양한 분석 수준을 보여줄 수 있습니다.
토크 및 전류 변동
먼저 토크는 전류와 직접적으로 관련이 있으므로 이 데이터의 토크 및 전류 변동을 살펴보겠습니다.
우선 10Hz에서는 두 변수 모두에서 주요 변동을 확인할 수 있습니다. 전류에서 두 개의 큰 스파이크가, 토크에서 하나의 큰 스파이크가 나타나는 것으로 보입니다. 토크는 약 3.9초 지점에서 거의 4Nm로 정점을 찍습니다. 전류 또한 3.9초 지점에서 6A에 조금 못 미치는 수준으로 정점을 찍은 후, 약 4.4초에 다시 한번 10A 선을 살짝 넘습니다. 이 해상도에서 데이터는 토크와 전류 사이에 관계가 있을 수 있음을 시사하지만, 명확하지는 않습니다.
100Hz에서는 토크와 전류가 유사한 파형을 보이며 비슷한 주파수로 변동하는 것을 확인할 수 있습니다. 토크는 3.68초에 약 5.5Nm로 정점을 찍으며 토크 스파이크와 유사한 형태를 띠기 시작합니다. 전류는 4.46초에 10A를 약간 넘는 수준으로 정점을 찍습니다.
1,000Hz에서는 토크와 추력의 동시 변화를 제대로 살펴볼 수 있습니다. 토크는 3.670초에 6Nm를 약간 넘는 수준으로 정점을 찍으며, 이제는 토크 스파이크임이 분명해집니다. 전류는 4.410초에 약 10.7A로 정점을 찍습니다. 이 해상도에서는 어떤 토크 정점이 전류 정점과 관련이 있고 어떤 것이 그렇지 않은지 판단할 수 있습니다.
이 분석을 통해 모터 가속이 시작될 때의 토크 스파이크를 포함하여 여러 토크 정점을 발견했습니다. 이 토크 스파이크는 모터가 정지 상태에서 회전을 시작하는 데 필요한 추가적인 힘 때문에 발생합니다. 토크 스파이크는 매우 짧으며 높은 샘플링 속도로만 확인할 수 있습니다.
실제 최대 토크(>6Nm)는 10Hz 테스트에서 측정된 값(~4Nm)보다 훨씬 높았으며, 그 차이는 40%에 달했습니다. 이는 설계자에게 중요한 정보인데, 추진 시스템에 가해지는 부하가 예상보다 훨씬 클 수 있기 때문입니다.
전류 정점과 관련이 없는 다른 토크 정점은 추진 시스템의 정렬 불량이나 비효율성을 나타낼 수 있으며, 추가 조사가 필요할 수 있습니다.
이러한 유형의 분석은 설계의 취약점을 파악하는 데 매우 중요할 수 있습니다.
추가 읽을거리: 토크 측정 방법과 그 이유
진동
진동은 가속도의 변동으로 측정되며, 차량 구조의 안전성과 부품 수명에 영향을 미칠 수 있으므로 추진 시스템 테스트에서 중요한 변수입니다.
진동을 수치화하는 한 가지 방법은 푸리에 변환(FT) 분석을 사용하는 것입니다. 이 기법의 한계는 나이퀴스트 한계에 따라 정확하게 측정하려면 최소 샘플링 속도가 주어진 주파수의 2배여야 한다는 점입니다. 이러한 이유로 높은 주파수로 측정된 데이터부터 시작하는 것이 중요합니다.
예를 들어, 50Hz 데이터 측정으로는 25Hz 이하의 주파수에서 발생하는 이벤트를 측정할 수 있습니다. 1,000Hz도 마찬가지로 500Hz보다 낮은 주파수에서 발생하는 이벤트만 측정할 수 있습니다.
아래 그래프는 구성 1과 구성 2라고 불리는 두 가지 서로 다른 추진 시스템의 데이터로 수행한 DFT 분석 결과입니다. 두 시스템 모두에서 약 3,180RPM, 즉 53Hz에 해당하는 일정한 추력 테스트를 30초 동안 수행했습니다. 위쪽 그래프는 추력 결과이고 아래쪽 그래프는 토크 결과입니다.
이 결과에서 확인할 수 있는 내용은 다음과 같습니다:
- 피크의 진폭에서 알 수 있듯이, 구성 2의 추력 스펙트럼은 구성 1에 비해 4.5배 더 큰 변동을 보이며, 토크 스펙트럼 또한 3.7배 더 큰 변동을 보입니다.
- 모든 구성에서 1차, 2차, 3차 및 4차 고조파(53, 106, 159, 213Hz)에서 눈에 띄는 진동이 나타납니다.
- 106Hz의 피크는 프로펠러가 추력 스탠드의 구조물을 통과하는 지점을 보여줍니다.
그 외에도 발생 원인을 쉽게 파악하기 어려운 진동 피크가 여러 개 있습니다.
이러한 진동은 다음과 같은 여러 다른 원인에 기인할 수 있으며, 추가 분석을 통해 확인할 수 있습니다:
- 유입되는 공기의 난류
- 전원 공급 장치의 AC 입력 주파수
- 프로펠러 변형
- 로터의 불균형
- 모터 장착 나사의 정렬 불량
- ESC 출력의 불일치
- 유체와의 구조적 상호작용(압력 변화로 인해 발생)
추가 읽을거리: 추진 테스트에서 진동 줄이기
모터 및 ESC의 동적 반응
모터와 ESC의 속도는 완벽하게 일정하지 않으며, 이러한 변동은 높은 샘플링 속도로 측정된 데이터에서 확인할 수 있습니다. 1,000Hz에서는 반응 시간과 동적 반응을 살펴볼 수 있습니다.
모터의 경우, 정밀한 제어 타이밍 덕분에 추력 스탠드에서 모터의 반응 시간과 동적 반응을 파악할 수 있습니다.
예를 들어, 샘플링 속도가 높아지면 음의 토크가 눈에 띄게 됩니다. 아래 가속 곡선에서 50Hz일 때는 약 3.64초 지점에서 약 1.6Nm의 음의 토크 피크이 확인됩니다. 1,000Hz에서는 이것이 사실 두 개의 피크이며, 그중 더 큰 피크가 약 2.2Nm에서 정점을 찍는 것을 볼 수 있습니다.
이러한 유형의 분석은 대량의 전류를 빠르게 끌어다 쓰는 트랜지스터를 사용하는 ESC의 특성을 파악하는 데도 유용합니다. 응답 시간을 변경하고 전류 스파이크를 최소화하기 위해 전선 길이 또는 커패시터를 변경할 수 있습니다. 1,000Hz에서 측정된 데이터는 이러한 변경으로 인한 반응 시간의 차이를 보여줄 수 있습니다.
또한 대부분의 ESC는 50Hz보다 높은 주파수를 사용하므로, 공급되는 전류의 변화와 그에 따른 속도 및 추력과 같은 매개변수의 변화를 확인하려면 더 높은 샘플링 속도가 필요합니다.
요약
요약하자면, 1,000Hz에서 수집된 데이터는 모터, 프로펠러, ESC 및 전체 시스템을 심층적으로 분석할 수 있는 많은 가능성을 제공합니다.
이 글에서는 1,000Hz에서 수집된 데이터가 토크 및 전류 변동, 시스템 진동, 반응 시간 연구에 어떻게 도움이 되는지 살펴보았습니다. 이 정보는 시스템의 성능을 더 잘 이해하고 정확하게 파악하여 설계를 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.
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모터, 프로펠러 및 ESC를 1,000Hz에서 테스트하기 시작하려면 다음의 추진 추력 스탠드를 확인해 보세요:
- Flight Stand 15 (15kgf / 8Nm)
- Flight Stand 50 (50kgf / 30Nm)
- Flight Stand 150 (150kgf / 150Nm)
- Flight Stand 500 (500kgf 추력 / 1500Nm)