Por Dominic Robillard e Lauren Nagel
Um banco de ensaio de empuxo é uma excelente ferramenta para testar os seus motores brushless e hélices.
Pode poupar-lhe tempo de várias formas, sendo uma delas através de testes automatizados.
Os testes automatizados permitem carregar em «Iniciar» e acompanhar a execução autónoma do teste à medida que os dados são recolhidos.
Neste artigo, apresentamos 7 formas de testar o seu motor brushless com os nossos bancos de ensaio de empuxo, além de explicar como automatizar esses testes.
Os 7 principais testes para motores brushless:
- Teste de degrau
- Teste de varredura/rampa
- Teste de resistência
- Teste de controlo em malha fechada/empuxo constante
- Teste de tempo de estabilização de 90%
- Teste de reprodução de voo
- Teste sinusoidal e teste de sinal chirp
A configuração de teste
Este artigo faz referência a dois dos nossos softwares que funcionam em conjunto com os nossos bancos de ensaio de empuxo:
- Software RCbenchmark - taxa de amostragem até 50 Hz, compatível com as séries 1585 e 1780
- Software Flight Stand - taxa de amostragem até 1 000 Hz, compatível com o Flight Stand 15/ 50/ 150
O banco de ensaio da série 1585 foi utilizado para recolher os dados apresentados nos vídeos deste artigo.
Figura 1: Sistemas de propulsão testados em túnel de vento
1. Teste de degrau
O que é um teste de degrau?
Um teste de degrau submete o seu sistema de propulsão a uma sequência de degraus de sinal, num padrão regular ou irregular. Por exemplo, pode definir o acelerador para iniciar em 25% e depois aumentá-lo em intervalos de 5% até 50% (25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%).
Em cada um destes «degraus», existe um tempo de estabilização definido, durante o qual o sistema mantém o acelerador constante para permitir a estabilização antes de captar a amostra de dados.
Porque realizar um teste de degrau?
Existem várias razões para realizar um teste de degrau, uma vez que este é um dos testes mais simples disponíveis.
Em primeiro lugar, um teste de degrau é facilmente repetível e pode ser executado exatamente da mesma forma tantas vezes como necessário. Isto facilita a comparação de diferentes configurações do seu sistema de propulsão, uma vez que os pontos de recolha de dados são os mesmos em cada caso.
Também é útil para analisar o desempenho de um sistema em vários pontos de operação. Como se compara a eficiência a 55% do acelerador com a de 60%? Qual é o consumo de energia a 80% em comparação com 85% do acelerador?
Um teste de degrau pode ajudá-lo a responder a estas questões através de um protocolo simples.
Leitura complementar: Porque deve testar os seus motores e hélices
Como realizar um teste de degrau
A conceção de um teste de degrau exige que determine os pontos de operação sobre os quais pretende obter informações. Pretende analisar toda a gama de entradas de sinal ou está focado numa fase específica do voo?
Depois de o determinar, pode introduzir estes pontos num script de teste, como o fornecido no software RCbenchmark (figura 2). Defina o valor mínimo, o valor máximo, o número de degraus e o tempo de estabilização entre os degraus.
Os degraus podem ser introduzidos manualmente ou importados de uma folha de cálculo.
Figura 2: Script de teste automatizado para um teste de degrau
2. Teste de varredura/rampa
O que é um teste de varredura/rampa?
Durante um teste de varredura (também conhecido como teste de rampa), os dados são continuamente registados enquanto o seu sistema de propulsão percorre uma rampa suave de um valor de acelerador para outro.
Ao contrário de um teste de degrau, não há interrupções durante o percurso, apenas recolha contínua de dados durante a transição entre os pontos.
Por exemplo, pode definir o valor inicial em 40% do acelerador e o valor máximo em 80% do acelerador, recolhendo dados continuamente durante o aumento.
Porque realizar um teste de varredura/rampa?
Um teste de varredura/rampa permite testar toda a gama de pontos de operação do ESC entre dois valores. É o equivalente a um teste de degrau com um número infinito de degraus, pelo que uma das vantagens é não ter de introduzir os degraus manualmente.
Entre outros objetivos, este teste pode ser útil para analisar a curva do acelerador e observar os efeitos de sobreposição de sinais.
Um fator a considerar é que o número de pontos de dados do teste não é fixo. Ainda assim, é perfeitamente possível comparar experiências, mas os dados de testes diferentes não coincidirão em valores precisos como aconteceria noutros testes, como um teste de degrau.
Além disso, os ficheiros de dados gerados podem tornar-se muito grandes, tornando a análise mais difícil.
Como realizar um teste de varredura/rampa
No software RCbenchmark, existe um script pré-escrito para testes de varredura que permite aos utilizadores introduzir os seus próprios valores personalizados. O utilizador introduz um valor inicial mínimo, um valor máximo de pico e o tempo desejado para a transição entre os dois, que controla a velocidade da varredura.
Um ponto a ter em conta é que a varredura deve ser realizada lentamente o suficiente para minimizar o binário de aceleração da hélice, de modo a que este não afete as leituras. Se a rampa for suficientemente lenta, este efeito será desprezível.
3. Teste de resistência
O que é um teste de resistência?
A categoria de testes de resistência inclui todos os testes de longa duração cujo objetivo final é testar os limites do sistema de propulsão ou dos seus componentes.
Alguns exemplos:
- Teste de resistência térmica - teste do desempenho de um motor durante várias horas num ambiente quente.
- Teste de resistência dos rolamentos - determinação de quantas horas de utilização um rolamento suporta antes de apresentar desgaste.
- Teste de resistência ao gelo - teste do desempenho das hélices ao longo do tempo num ambiente frio e húmido.
Leitura complementar: Testes estáticos vs. dinâmicos para componentes de UAV
Porque realizar um teste de resistência?
Os testes de resistência são úteis em várias fases do processo de conceção. Podem ajudá-lo a selecionar os melhores componentes e a criar documentação técnica precisa.
Os testes de resistência também são um fator importante para a segurança e a fiabilidade. Podem ajudar na certificação de drones, demonstrando a vida útil dos componentes e os limites de operação segura da aeronave.
Os testes de resistência também são úteis para estabelecer um plano de manutenção para o drone, uma vez que podem indicar quando os componentes precisarão de revisão.
Como realizar um teste de resistência
Qualquer padrão de acelerador pode ser utilizado para testes de resistência, como degrau, varredura, sinusoidal, reprodução de voo, etc. Os parâmetros do teste dependem muito dos seus objetivos enquanto concebedor.
Alguns exemplos:
- Teste de resistência térmica - execute o seu sistema de propulsão durante um longo período com acelerador constante num ambiente quente. Observe as alterações no desempenho do motor ao longo do tempo.
- Teste de resistência dos rolamentos - execute o seu sistema de propulsão através de uma sequência repetitiva de degraus em condições STP. Observe quantas horas de operação o rolamento suporta antes de apresentar sinais de desgaste.
- Teste de resistência ao gelo - execute o seu sistema de propulsão através de um sinal suave e repetitivo num ambiente frio e húmido. Observe as alterações no desempenho das hélices à medida que o gelo se acumula.
O software RCbenchmark pode ajudá-lo a conceber os seus testes de resistência utilizando o script pré-escrito «Custom steps sequence» (figura 3). O utilizador cria uma sequência de teste definindo o número de degraus, o valor do acelerador em cada degrau e a duração de cada um.
A sequência pode ser repetida tantas vezes quanto necessário. Uma amostra de dados é registada no meio de cada degrau da sequência de teste.
Figura 3: Script editável para testes de resistência
4. Teste de controlo em malha fechada/empuxo constante
O que é um teste de controlo em malha fechada/empuxo constante?
Durante um teste de controlo em malha fechada, também conhecido como teste de empuxo constante, o sistema lê continuamente os dados dos sensores e ajusta o acelerador para atingir um empuxo/potência/RPM constante, conforme definido pelo utilizador.
Um exemplo de controlo em malha fechada é um controlador PID, que deteta um erro entre o valor alvo e o valor medido e, em seguida, aplica uma correção com base no controlo proporcional, com ajustes integral e derivativo.
Porque realizar um teste de controlo em malha fechada?
Um teste de controlo em malha fechada é configurado para que a variável desejada permaneça constante, mesmo que outras áreas do sistema mudem.
Por exemplo, à medida que uma bateria LiPo se esgota e a tensão desce, o acelerador será ajustado para manter o empuxo/potência/RPM programado.
Isto é útil em muitos cenários, como ao conceber um voo, testar a sua bateria ou testar a resistência do sistema.
Como realizar um teste de controlo em malha fechada
A execução de um teste de controlo em malha fechada com o software RCbenchmark requer um script personalizado, que pode criar no próprio software utilizando Javascript padrão.
O script terá de ser modificado para atingir os seus objetivos específicos. O principal desafio é garantir que o sistema não compense demasiado rapidamente ou em excesso, o que fará com que o sistema oscile em torno do seu valor alvo, pelo que é necessário algum ajuste.
5. Teste de tempo de estabilização de 90%
O que é um teste de tempo de estabilização de 90%?
Um teste de tempo de estabilização de 90% mede quanto tempo demora um sistema de propulsão a atingir 90% do seu valor final de RPM após uma entrada de degrau. Esta é uma forma de medir o tempo de reação de um drone, por exemplo.
É um teste dinâmico que deve ser realizado com uma taxa de amostragem elevada para garantir uma leitura precisa.
Porque realizar um teste de tempo de estabilização de 90%?
Um teste de tempo de estabilização de 90% permite que concebedores e engenheiros de controlo quantifiquem o tempo de reação de um sistema de propulsão como um todo - ESC, motor e hélice em conjunto. Isto é útil para estudar o desempenho e a resiliência de drones, por exemplo, a rapidez com que recuperam de uma perturbação, como uma rajada de vento.
Como realizar um teste de tempo de estabilização de 90%?
Este teste é fácil de realizar, uma vez que está pré-programado no software RCbenchmark. O script fornece um sinal de entrada de degrau ao seu sistema de propulsão, fazendo-o passar de 0 para 100% do acelerador. Simultaneamente, regista o tempo de reação necessário para atingir 90% do RPM final.
A aceleração também é registada para fornecer uma estimativa da inclinação da aceleração imediatamente após a entrada de degrau. Estes dados são incluídos como uma coluna extra no ficheiro .CSV de saída. 
Figura 4: Script de teste de tempo de estabilização de 90%
6. Teste de reprodução de voo
O que é um teste de reprodução de voo?
Um teste de reprodução de voo é uma forma de recriar um voo passado no laboratório com o seu sistema de propulsão. Pode realizar este teste utilizando os dados do acelerador armazenados no computador de voo de bordo de um voo anterior.
Porque realizar um teste de reprodução de voo?
Este tipo de teste é útil porque permite ver o desempenho do seu sistema de propulsão em diferentes fases do voo. Pode determinar quais as fases que consomem mais energia e quais são as mais eficientes.
Este método de teste é uma das formas mais precisas de reproduzir operações de voo, especialmente quando combinado com testes em túnel de vento. É especialmente útil para estimar a autonomia da bateria. Ter acesso a esta informação pode levar a alterações na conceção do seu drone, no seu procedimento de voo ou em ambos.
Leitura complementar: Como calcular e medir o empuxo da hélice
Como realizar um teste de reprodução de voo?
O primeiro passo é exportar os dados do acelerador de um voo para o seu computador. Pode depois importar o ficheiro para o software Flight Stand como um ficheiro .CSV para criar um script de teste personalizado. Se utilizar o software RCbenchmark, será necessário escrever um script personalizado.
Depois de ligar o seu sistema de propulsão ao banco de ensaio de empuxo, o software irá reproduzir os pontos do acelerador através do seu sistema. Poderá ver em tempo real como o empuxo, o binário, o RPM, a potência e outros fatores se alteram.
7. Teste sinusoidal e teste de sinal chirp
O que são os testes sinusoidal e de sinal chirp?
Durante um teste sinusoidal, o sistema de propulsão é controlado com um sinal suave de onda sinusoidal, forçando o motor a alterar constantemente a velocidade. O sistema percorre todo o espectro de pontos do acelerador enquanto regista continuamente dados.
Durante um teste de sinal chirp, um sinal suave de onda sinusoidal é enviado para o sistema de propulsão, mas agora a frequência altera-se progressivamente ao longo do tempo (figura 5). A frequência do sinal pode aumentar ou diminuir, mas a amplitude do sinal permanece constante.
Figura 5: A estrutura de um sinal chirp (Fonte: Wikiwand)
Porque realizar um teste sinusoidal ou um teste de sinal chirp?
Um teste sinusoidal permite ver o desempenho do seu sistema em todo o espectro de pontos de operação. O registo contínuo é semelhante a um teste de varredura e o padrão é útil para testes de resistência.
Um teste chirp permite ao utilizador testar toda a gama de alterações de velocidade de um ESC. Isto pode indicar-lhe a rapidez e a extensão com que o ESC responde às alterações do acelerador.
Permite-lhe observar a estabilidade do sistema quando este é submetido a uma maior frequência de comandos, sendo frequentemente um dos testes realizados por engenheiros para validar que um sistema de controlo é estável em todas as frequências.
Como realizar um teste sinusoidal ou um teste de sinal chirp?
Para os testes sinusoidais, dispomos de um script pré-escrito para gerar uma função sinusoidal na saída do ESC: https://cdn-docs.rcbenchmark.com/scripts/sinewave.js. Este pode ser utilizado com o software RCbenchmark.
A realização de um teste de sinal chirp requer a criação de um script personalizado, e o script sinusoidal acima serve como um bom ponto de partida.
Note que a taxa de atualização é limitada pelo protocolo do ESC e pela taxa de comunicação USB. Por este motivo, não recomendamos definir uma frequência de onda sinusoidal superior a 10 Hz com o software RCbenchmark.
Resumo
Os testes automatizados de motores brushless abordados neste artigo desempenham um papel importante na otimização dos sistemas de propulsão. Os dados podem ajudá-lo a identificar áreas práticas de melhoria no seu sistema.
Se pretender realizar estes testes no seu próprio laboratório, experimente a nossa Série 1585 para pequenos drones, o nosso Flight Stand 15 para drones médios, o nosso Flight Stand 50 para drones grandes e o nosso Flight Stand 150 para drones extra grandes e eVTOL.
Como sempre, os nossos poderosos softwares são fornecidos gratuitamente.
Estamos sempre à procura de formas de melhorar e satisfazer as necessidades dos nossos clientes. Há algum teste que nos tenha escapado? Informe-nos nos comentários.