Випробування рушійних систем на 10, 100 і 1 000 Гц

Авторка — Лорен Нейґел

Наші стенди тяги Flight Stand дають змогу експортувати дані з будь-якою частотою від 1 до 1 000 Гц. Ця потужна функція відкриває багато можливостей випробування й аналізу.

Але як виглядають дані з частотою дискретизації 1 000 Гц? І в чому реальна різниця між 10, 100 і 1 000 Гц?

У цій статті покажемо різні рівні деталізації та аналізу, доступні за кожної з цих частот.

Зміст:

1. Чи потрібна висока частота дискретизації
2. Частота дискретизації для різних завдань
3. Порівняння даних за 10, 100 і 1 000 Гц
1. Коливання крутного моменту та струму
2. Вібрація
3. Час реакції двигуна й ESC

Чи потрібна висока частота дискретизації?

Динамічні випробування — це випробування, у яких вимірювані значення змінюються відносно швидко. Приклади: розгін, вимірювання вібрації та пульсацій крутного моменту. Математично це випробування, де значення залежать від часу й середнього показника недостатньо.

Для точного відтворення динамічного сигналу мінімальна частота дискретизації має бути щонайменше вдвічі вищою за його частоту. Це пов’язано з критерієм Найквіста та необхідністю уникати накладання спектрів.

Статичні випробування — це випробування, у яких вимірювані значення змінюються повільно. Вимоги нижчі: синхронізація менш критична, можна використовувати фільтри з більшими сталими часу та нижчу частоту дискретизації.

Випробування в реальному часі — це випробування, у яких часові мітки виміряних значень точно відповідають моментам виконання аналогових вимірювань на платі.

Фільтрація, особливо низькочастотна, — це спосіб усунення високочастотних складових сигналу. Під час вимірювання тяги фільтр низьких частот може прибрати вібрацію, шум струму від швидкого перемикання транзисторів або пульсації крутного моменту. Самої високої частоти дискретизації недостатньо: частоту зрізу фільтра потрібно обирати так, щоб він не усував важливі складові вимірюваного сигналу.

Докладніше про швидкісні випробування читайте в статті «Динамічні випробування під час вимірювання даних».

Частота дискретизації для різних завдань

Обсяг інформації, яку можна отримати, залежить від частоти дискретизації під час збирання даних.

Ось приклади аналізу за різних частот:

1. 10 Гц
1. Статичні вимірювання в усталеному режимі
2. Спостереження загальної зміни тяги, крутного моменту, обертів, напруги та струму
2. 100 Гц
1. Визначення реакції великих двигунів на зміну вхідного сигналу
2. Візуалізація тенденцій і коливань
3. 1 000 Гц
1. Пульсації крутного моменту
2. Аналіз струму
3. Аналіз вібрації
4. Аналіз часу реакції

Порівняння даних за 10, 100 і 1 000 Гц

Щоб показати різницю деталізації, ми провели просте випробування розгону (від 0 до 1 436 мкс) із частотою 1 000 Гц, а потім передискретизували й експортували дані на 10, 100 і 1 000 Гц у програмі Flight Stand.

На графіках нижче показано поведінку вимірюваних змінних за трьох рівнів деталізації. Примітка: значення ШІМ та обертів масштабовано, щоб умістити їх на осях і водночас показати зміну обох параметрів.

За вищої частоти дискретизації видно значно докладнішу картину зміни й коливань кожної величини. 

Розгляньмо дані з кількох боків, щоб показати різні можливості аналізу.

Коливання крутного моменту та струму

Спочатку розгляньмо коливання крутного моменту й струму, адже ці величини безпосередньо пов’язані.

За 10 Гц видно основні коливання обох величин: два значні піки струму й один крутного моменту. Крутний момент досягає максимуму близько 3,9 с — приблизно 4 Н·м. Струм також має пік близько 3,9 с, трохи нижче 6 А, а потім близько 4,4 с перевищує 10 А. За такої деталізації зв’язок між моментом і струмом можливий, але не очевидний. 

За 100 Гц видно подібну форму й частоту коливань струму та моменту. Крутний момент досягає приблизно 5,5 Н·м за 3,68 с і починає нагадувати короткий викид. Струм має максимум трохи понад 10 А за 4,46 с.

За 1 000 Гц уже добре видно спільну динаміку величин. Крутний момент досягає трохи понад 6 Н·м за 3,670 с, і тепер очевидно, що це короткий викид. Струм досягає приблизно 10,7 А за 4,410 с. Можна визначити, які піки моменту пов’язані з піками струму, а які — ні.

Аналіз виявив кілька піків моменту, зокрема початковий викид під час початку розгону двигуна. Він виникає через додаткове зусилля, потрібне для початку обертання зі стану спокою. Цей викид дуже короткий і помітний лише за високої частоти дискретизації.

Справжній максимальний момент (>6 Н·м) був значно вищим за виміряний на 10 Гц (~4 Н·м); у вихідному порівнянні різницю оцінено у 40%. Розробникам важливо це знати, оскільки навантаження на рушійну систему може значно перевищувати очікуване.

Інші піки моменту, не пов’язані з піками струму, можуть свідчити про неспіввісність або неефективність рушійної системи й потребувати додаткового дослідження.

Такий аналіз може бути критично важливим для виявлення слабких місць конструкції.

Читайте також: Як вимірювати крутний момент і навіщо це робити

Вібрація

Вібрація — важливий параметр випробування рушійних систем, адже вона впливає на безпеку конструкції та довговічність компонентів.

Один зі способів кількісно оцінити вібрацію, виміряну як коливання прискорення, — аналіз перетворенням Фур’є (FT). За критерієм Найквіста частота дискретизації має щонайменше вдвічі перевищувати досліджувану частоту. Тому важливо починати з даних, виміряних із високою частотою.

Наприклад, дискретизація 50 Гц дає змогу досліджувати події з частотою нижче 25 Гц. Аналогічно за 1 000 Гц можна вимірювати події з частотами нижче 500 Гц.

На графіку нижче наведено результати дискретного перетворення Фур’є (DFT) для двох рушійних систем — конфігурації 1 і 2. Для обох провели 30-секундне випробування зі сталою тягою, підтримуючи приблизно 3 180 об/хв, що відповідає 53 Гц. Верхній графік показує тягу, нижній — крутний момент.

У результатах видно таке:

1. Амплітуди піків показують, що варіація спектра тяги в конфігурації 2 у 4,5 раза вища, ніж у конфігурації 1, а варіація спектра крутного моменту — у 3,7 раза.
2. В обох конфігураціях помітна вібрація на першій, другій, третій і четвертій гармоніках (53, 106, 159 і 213 Гц).
3. Пік 106 Гц відповідає проходженню пропелера повз конструкцію стенда.

Є також інші піки вібрації, джерело яких визначити складніше. 

Вони можуть мати кілька причин, які можна перевірити подальшим аналізом:

1. Турбулентність вхідного повітря
2. Частота змінного струму на вході джерела живлення
3. Деформація пропелера
4. Неналежне балансування ротора
5. Неспіввісність монтажних гвинтів двигуна
6. Нестабільний вихід ESC
7. Взаємодія конструкції з потоком через зміни тиску

Читайте також: Зменшення вібрації під час випробування рушійних систем

Динамічна реакція двигуна й ESC

Частота обертання двигуна та робота ESC не є ідеально сталими. Коливання видно за вищих частот дискретизації. На 1 000 Гц можна дослідити час реакції та динамічний відгук.

Завдяки точній часовій прив’язці керування стенд дає змогу визначати час реакції й динамічний відгук двигуна.

Приклад — від’ємний крутний момент, який стає видимим зі збільшенням частоти дискретизації. На наведених кривих розгону за 50 Гц близько 3,64 с видно від’ємний пік приблизно 1,6 Н·м. За 1 000 Гц з’ясовується, що піків два, а більший сягає приблизно 2,2 Н·м за модулем.

Такий аналіз корисний і для ESC, транзистори яких швидко споживають значний струм. Можна змінювати довжину проводів або конденсатори, щоб вплинути на час реакції та зменшити викиди струму. Дані 1 000 Гц показують різницю, спричинену цими змінами.

Крім того, більшість ESC працює на частоті вище 50 Гц, тому для спостереження змін струму та наступних змін обертів і тяги потрібна вища частота дискретизації.

Підсумок

Дані, зібрані на 1 000 Гц, відкривають багато можливостей докладного аналізу двигунів, пропелерів, ESC і системи загалом. 

Ми розглянули, як такі дані допомагають досліджувати коливання моменту й струму, вібрацію та час реакції. Ця інформація дає точніше розуміння характеристик системи й допомагає вдосконалити конструкцію.

Докладніше про поліпшення характеристик дронів — у нашій електронній книзі про створення й оптимізацію дронів.

Щоб розпочати випробування двигунів, пропелерів і ESC на 1 000 Гц, ознайомтеся з нашими стендами тяги:

• Flight Stand 15 (15 кгс / 8 Н·м)
• Flight Stand 50 (50 кгс / 30 Н·м)
• Flight Stand 150 (150 кгс / 150 Н·м)
• Flight Stand 500 (тяга 500 кгс / 1 500 Н·м)