作者：Dominic Robillard 和 Lauren Nagel
推力台是测试无刷电机和螺旋桨的绝佳工具。
它可以在许多方面为您节省时间，其中之一就是自动化测试。
自动化测试意味着点击“开始”，然后观察测试在数据传入时独立运行。
本文介绍了使用我们的推力台测试无刷电机的 7 种方法，以及如何实现这些测试的自动化。
7 大无刷电机测试：
- 阶跃测试
- 扫频/斜坡测试
- 耐久测试
- 闭环控制/恒定推力测试
- 90% 稳定时间测试
- 飞行回放测试
- 正弦测试和啁啾信号测试
测试设置
本文涉及我们两款与推力台搭配使用的软件：
- RCbenchmark 软件 - 采样率最高可达 50 Hz，兼容 Series 1585 和 Series 1780
- Flight Stand 软件 - 采样率最高可达 1,000 Hz，兼容 Flight Stand 15/ 50/ 150
本文视频中展示的数据是使用 Series 1585 测试台 采集的。
图 1：在风洞中测试的推进系统
1. 阶跃测试
什么是阶跃测试？
阶跃测试让推进系统按照规则或不规则的模式经历一系列信号阶跃。例如，您可以将油门设置为从 25% 开始，然后以 5% 为间隔增加到 50%（25%、30%、35%、40%、45%、50%）。
在每一个“阶跃”处都有一个定义的稳定时间，系统会保持油门稳定，让系统稳定后再采集数据。
为什么要进行阶跃测试？
进行阶跃测试有很多原因，因为它属于比较简单的测试之一。
首先，阶跃测试很容易重复，可以按照完全相同的方式运行任意次数。这使得比较推进系统的不同配置变得很容易，因为每次的数据采集点都是相同的。
它也有助于查看系统在不同工作点的性能。55% 油门与 60% 油门下的效率如何比较？80% 与 85% 油门下的功耗是多少？
阶跃测试可以帮助您通过简单的流程回答这些问题。
延伸阅读：为什么您应该测试电机和螺旋桨
如何进行阶跃测试
设计阶跃测试需要您确定想要了解哪些工作点。您是想查看整个信号输入范围，还是专注于特定的飞行阶段？
确定之后，您可以将这些点输入测试脚本中，例如 RCbenchmark 软件提供的脚本（图 2）。设置最小值、最大值、阶跃数量以及阶跃间的稳定时间。
您可以手动输入阶跃，也可以从电子表格中导入。
图 2：阶跃测试的自动化测试脚本
2. 扫频/斜坡测试
什么是扫频/斜坡测试？
在扫频测试（也称为斜坡测试）期间，当推进系统从一个油门值平滑过渡到另一个油门值时，数据会持续记录。
与阶跃测试不同，过程中没有停顿，只是在各点之间过渡期间持续采集数据。
例如，您可以将起始值设置为 40% 油门，最大值设置为 80% 油门，并在增加过程中持续采集数据。
为什么要进行扫频/斜坡测试？
扫频/斜坡测试允许您测试两个值之间的完整 ESC 工作点范围。它相当于具有无限阶跃的阶跃测试，因此其中一个优势就是您无需手动输入阶跃。
除了其他目标外，这对于油门曲线分析和观察信号混叠效应也很有用。
需要考虑的一点是，测试的数据点数量不是固定的。虽然仍然很有可能比较不同实验，但不同测试的数据将不会像阶跃测试等其他测试那样精确对齐。
此外，生成的数据文件可能会变得非常大，从而使分析变得更加困难。
如何进行扫频/斜坡测试
RCbenchmark 软件中有一个预先编写的扫频测试脚本，允许用户输入自己的自定义值。用户输入最小起始值、最大峰值以及两个值之间所需的过渡时间，这决定了扫频的速度。
需要记住的一点是，扫频必须足够缓慢地进行，以尽量减小螺旋桨的加速度扭矩，以免影响读数。如果斜坡足够缓慢，这种影响将微乎其微。
3. 耐久测试
什么是耐久测试？
耐久测试类别包括任何长时间运行的测试，其最终目标是测试推进系统或其内部组件的极限。
一些例子：
- 热耐久测试 - 在温暖环境中测试电机数小时的性能。
- 轴承耐久测试 - 确定轴承在出现磨损前可以承受多少小时的使用。
- 结冰耐久测试 - 在寒冷潮湿的环境中测试螺旋桨随时间变化的性能。
延伸阅读： UAV 组件的静态与动态测试
为什么要进行耐久测试？
耐久测试在设计过程的许多阶段都很有用。它可以帮助您选择最佳组件并创建准确的技术文件。
耐久测试也是安全性和可靠性的重要因素。它可以通过展示组件的使用寿命和飞机的安全运行限制，帮助无人机获得认证。
耐久测试也有助于制定无人机维护计划，因为它能告诉您组件何时需要检修。
如何进行耐久测试
任何油门模式都可以用于耐久测试，例如阶跃、扫频、正弦、飞行回放等。测试参数很大程度上取决于您作为设计者的目标。
一些例子：
- 热耐久测试 - 在温暖的环境中以恒定油门长时间运行推进系统。观察电机性能随时间的变化。
- 轴承耐久测试 - 在 STP 条件下让推进系统运行重复的阶跃序列。观察轴承在出现磨损迹象前能承受多少小时的运行。
- 结冰耐久测试 - 在寒冷潮湿的环境中让推进系统运行平滑的重复信号。观察随着冰层堆积，螺旋桨性能的变化。
RCbenchmark 软件可以使用预先编写的“自定义阶跃序列”脚本（图 3）帮助您设计耐久测试。用户通过定义阶跃数量、每个阶跃的油门值以及每个阶跃的持续时间来创建测试序列。
序列可以按需重复任意次数。测试序列中的每个阶跃中间都会记录一个数据样本。
图 3：可编辑的耐久测试脚本
4. 闭环控制/恒定推力测试
什么是闭环控制/恒定推力测试？
在闭环控制测试（也称为恒定推力测试）期间，系统会不断读取传感器数据，并调整油门以达到用户定义的恒定推力/功率/转速。
闭环控制的一个例子是 PID 控制器，它会感知目标值与测量值之间的误差，然后根据比例控制，并结合积分和微分调整进行修正。
为什么要进行闭环控制测试？
闭环控制测试被配置为让您想要的变量保持恒定，即使系统的其他部分发生变化。
例如，当 LiPo 电池电量耗尽、电压下降时，油门将被调整以维持预先编程的推力/功率/转速。
这在许多情况下都很有用，例如当您设计飞行、测试电池或测试系统耐久性时。
如何进行闭环控制测试
使用 RCbenchmark 软件运行闭环控制测试需要一个自定义脚本，您可以在软件中使用标准 JavaScript 创建该脚本。
脚本必须根据您的具体目标进行修改。主要挑战是确保系统不会补偿得太快或太多，否则系统会在您的目标值周围振荡，因此需要进行一些调整。
5. 90% 稳定时间测试
什么是 90% 稳定时间测试？
90% 稳定时间测试测量的是推进系统在阶跃输入后达到最终转速值的 90% 所需的时间。例如，这是一种测量无人机反应时间的方法。
这是一种动态测试，应该使用高采样率进行，以确保读数准确。
为什么要进行 90% 稳定时间测试？
90% 稳定时间测试允许设计者和控制工程师量化推进系统整体的反应时间——即 ESC、电机和螺旋桨共同的反应时间。这对于研究无人机的性能和韧性很有用，例如它从突发风阵等干扰中恢复的速度。
如何进行 90% 稳定时间测试？
此测试很容易运行，因为它已预先编程在 RCbenchmark 软件中。脚本向您的推进系统提供阶跃输入信号，使其从 0 到 100% 油门。它同时记录达到最终转速 90% 所需的反应时间。
加速度也会被记录，以提供阶跃输入后紧接着的加速度斜率估算。此数据作为额外一列包含在输出的 .CSV 文件中。 
图 4：90% 稳定时间测试脚本
6. 飞行回放测试
什么是飞行回放测试？
飞行回放测试是一种在实验室中重现过去飞行的方法。您可以使用存储在机载飞行计算机中的先前飞行的油门数据来执行此测试。
为什么要进行飞行回放测试？
这种测试很有用，因为它允许您查看推进系统在飞行不同阶段的性能。您可以确定哪些阶段消耗最多功率，哪些阶段效率最高。
这种测试方法是重现飞行操作最准确的方法之一，尤其是与风洞测试相结合时。它对于估算电池寿命尤其有用。获得此信息可能会导致您无人机设计、飞行程序或两者的改变。
延伸阅读：如何计算和测量螺旋桨推力
如何进行飞行回放测试？
第一步是将飞行的油门数据导出到您的计算机。然后您可以将文件作为 .CSV 文件导入 Flight Stand 软件，以创建自定义测试脚本。如果您使用 RCbenchmark 软件，则需要编写一个自定义脚本。
一旦您将推进系统连接到推力台，软件就会通过您的系统回放油门点。您将能够实时查看推力、扭矩、转速、功率等的变化。
7. 正弦测试和啁啾信号测试
什么是正弦和啁啾信号测试？
在正弦测试期间，推进系统由平滑的正弦波信号控制，迫使电机不断改变速度。系统会经历整个油门点频谱，同时持续记录数据。
在啁啾信号测试期间，平滑的正弦波信号被发送到推进系统，但现在频率随时间逐渐变化（图 5）。信号频率可能会增加或减少，但信号的振幅保持不变。
图 5：啁啾信号的结构（来源：Wikiwand）
为什么要进行正弦测试或啁啾信号测试？
正弦测试允许您查看系统在整个工作点频谱下的性能。持续记录类似于扫频测试，而这种模式对于耐久测试很有用。
啁啾测试允许用户测试 ESC 的完整速度变化范围。这可以告诉您 ESC 对油门变化的响应速度和程度。
它允许您观察系统在承受更高频率的指令时是否稳定，并且通常是工程师用来验证控制系统在所有频率下都保持稳定的测试之一。
如何运行正弦波测试或扫频信号测试？
对于正弦波测试，我们提供了一个预先编写的脚本，用于在 ESC 输出中生成正弦函数：https://cdn-docs.rcbenchmark.com/scripts/sinewave.js。此脚本可与 RCbenchmark 软件配合使用。
进行扫频信号测试需要您编写自定义脚本，上述正弦波脚本可作为良好的起点。
请注意，更新率受 ESC 协议和 USB 通信速率的限制。因此，我们不建议使用 RCbenchmark 软件将正弦波频率设置为高于 10 Hz。
总结
本文讨论的自动无刷电机测试在优化推进系统方面发挥着重要作用。相关数据可以帮助您找出系统中实际需要改进的地方。
如果您想在自己的实验室中进行这些测试，请尝试我们的 Series 1585，适用于小型无人机；我们的 Flight Stand 15，适用于中型无人机；适用于大型无人机的 Flight Stand 50；以及适用于特大型无人机和 eVTOL 的 Flight Stand 150。
一如既往，我们功能强大的软件均免费提供。
我们始终在寻找改进方法，以满足客户的需求。有什么我们遗漏的测试吗？请在评论中告知我们。