作者：Lauren Nagel
我们的 Flight Stand 动力测试台可让您以 1 至 1,000 Hz 的任意分辨率导出数据。这一强大功能为测试和分析提供了诸多可能性。
那么，1,000 Hz 采样的数据是什么样的？10 Hz、100 Hz 和 1,000 Hz 之间究竟有什么区别呢？
本文将展示在不同分辨率下测量的数据所能实现的各种精度和分析水平。
目录：
- 您需要高采样率吗
- 不同应用场景下的采样率
- 10、100 和 1,000 Hz 的数据对比
- 扭矩和电流波动
- 振动
- 电机和电调的响应时间
您需要高采样率吗？
动态测试是指测量值变化相对较快的测试。加速度测试、振动测量和扭矩纹波测量都是动态测试的例子。从数学上讲，这类测试中测量值随时间变化，因此仅使用平均值是不够的。
为了获得这些结果，动态测试所需的最低采样率必须是所测信号频率的两倍。这被称为奈奎斯特频率，是避免混叠并确保准确呈现所测信号所需的最低采样率。
静态测试是指测量值变化较慢的测试。进行静态测试时，要求较少：测量同步的要求不高，可以使用时间常数更高的滤波器，采样率也可以较低。
实时测试是指测量值所关联的时间戳与电路板上进行模拟测量的时间戳完全一致的测试。
滤波，尤其是低通滤波，是一种从信号中去除高频数据的方法。在推力测量测试中，低通滤波器可以去除振动、由晶体管快速开关引起的电流噪声或扭矩纹波。仅靠高采样率不足以进行动态测试。应用于数据上的低通滤波器的截止频率应至少为采样率的两倍，以免滤波器去除重要数据。
如需了解更多关于高速测试的信息，请查看我们的文章 数据测量中的动态测试。
不同应用场景下的采样率
您能够获取的信息量取决于数据采集的采样率。
以下是您在不同采样率下可以分析的一些示例：
- 10 Hz
- 稳态、静态测量
- 观察推力、扭矩、转速、电压和电流的总体变化趋势
- 100 Hz
- 分析大电机对输入变化的反应特征
- 直观展示趋势和波动
- 1,000 Hz
- 扭矩纹波
- 电流分析
- 振动分析
- 响应时间分析
10、100 和 1,000 Hz 的数据对比
为了展示不同分辨率下数据的差异，我们在 1,000 Hz 下进行了一次简单的加速度测试（0 至 1436 µs），然后使用 Flight Stand 软件以 10、100 和 1,000 Hz 的采样率对数据进行重采样并导出。
我们在下方的图表中绘制了测量变量，展示了它们在三种不同分辨率下的表现。注意：PWM 和转速值已调整至适应下方坐标轴，同时展示了这两个参数的变化趋势。
随着采样率的提高，我们可以看到每个变量变化和波动的细节更加丰富。
我们可以从多个角度查看数据，以展示每个分辨率下所能实现的分析水平。
扭矩和电流波动
首先，我们将查看这些数据中的扭矩和电流波动，因为扭矩与电流直接相关。
首先，在 10 Hz 下，我们可以看到这两个变量的主要波动。电流似乎有两个主要峰值，扭矩有一个主要峰值。扭矩在约 3.9 秒时达到峰值，约为 4 Nm。电流也在 3.9 秒时达到峰值，略低于 6 A，然后在约 4.4 秒时再次达到峰值，刚好超过 10 A。在此分辨率下，数据表明扭矩和电流之间可能存在某种关系，但并不明显。
在 100 Hz 下，可以看到扭矩和电流具有相似的波形，并以相似的频率波动。扭矩在 3.68 秒时达到约 5.5 Nm 的峰值，并开始呈现扭矩峰值的特征。电流在 4.46 秒时达到略高于 10 A 的峰值。
在 1,000 Hz 下，我们真正开始可以看到扭矩和推力的协同变化。扭矩在 3.670 秒时达到略高于 6 Nm 的峰值，现在可以明显看出这是一个扭矩峰值。电流在 4.410 秒时达到约 10.7 A 的峰值。在此分辨率下，我们可以判断哪些扭矩峰值与电流峰值相关，哪些不相关。
通过分析，我们发现了几个扭矩峰值，包括测试开始电机开始加速时的扭矩峰值。扭矩峰值出现的原因是电机从静止状态开始旋转需要额外用力。扭矩峰值非常短暂，仅在采样率较高时可见。
实际最大扭矩（>6 Nm）远高于 10 Hz 测试中测得的数值（~4 Nm），相差 40%。这一点对设计人员来说很重要，因为推进系统的负荷可能远高于预期。
其他与电流峰值无关的扭矩峰值可能表明推进系统存在对齐不良或效率低下，可能需要进一步调查。
这类分析对于发现设计中的薄弱环节至关重要。
延伸阅读： 如何测量扭矩以及为什么要测量
振动
在测试推进系统时，振动是一个重要变量，因为它会影响车辆结构的安全性及其组件的使用寿命。
量化振动（以加速度波动来测量）的一种方法是使用傅里叶变换（FT）分析。这种技术的一个局限性是，根据奈奎斯特极限，最低采样率必须是所测频率的 2 倍，才能准确测量。因此，从高频测量的数据开始很重要。
例如，50 Hz 的数据测量将允许您测量发生在 25 Hz 及以下频率的事件。同样，对于 1,000 Hz，您只能测量发生在低于 500 Hz 频率的事件。
下图显示了对来自两种不同推进系统（称为配置 1 和配置 2）的数据进行的 DFT 分析结果。两个系统都进行了 30 秒的恒定推力测试，保持约 3180 RPM，相当于 53 Hz。上方图表显示推力的结果，下方图表显示扭矩的结果。
以下是我们从这些结果中看到的：
- 如峰值幅度所示，配置 2 的推力频谱波动是配置 1 的 4.5 倍，扭矩频谱波动是 3.7 倍。
- 在所有配置中，1 次、2 次、3 次和 4 次谐波（53、106、159 和 213 Hz）处均可见振动。
- 106 Hz 的峰值显示了螺旋桨与动力测试台结构发生交叠的位置。
还有其他几个振动峰值，其来源较难确定。
它们可能归因于其他几个来源，可通过进一步分析予以确认：
- 入射空气的湍流
- 电源的交流输入频率
- 螺旋桨变形
- 转子未正确平衡
- 电机安装螺丝对齐不良
- 电调输出不一致
- 结构与流体的相互作用（由于压力变化）
延伸阅读： 减少推进系统测试中的振动
电机和电调的动态响应
电机和电调的速度并非完全恒定，这些波动在较高采样率测量的数据中清晰可见。在 1,000 Hz 下，我们可以查看它们的响应时间和动态响应。
得益于控制的精确计时，动力测试台可以表征电机的响应时间和动态响应。
一个例子是负扭矩，随着采样率的提高，它变得清晰可见。在下方的加速度曲线中，在 50 Hz 下，我们可以看到在约 3.64 秒处出现一个约 1.6 Nm 的负扭矩峰值。在 1,000 Hz 下，我们可以看到它实际上是 2 个峰值，其中较大的一个在约 2.2 Nm 处达到峰值。
这类分析对于表征电调也很有用，电调使用晶体管快速抽取大量电流。您可能会决定改变电线长度或所使用的电容，以改变响应时间并尽量减少电流峰值。1,000 Hz 下测量的数据可以向您展示这些变化所造成的响应时间差异。
此外，大多数电调使用的频率高于 50 Hz，因此需要更高的采样率来观察所提供电流的变化以及随后转速和推力等参数的变化。
总结
总之，在 1,000 Hz 下采集的数据为深入分析您的电机、螺旋桨、电调和整个系统提供了诸多可能性。
本文中，我们探讨了在 1,000 Hz 下采集的数据如何帮助研究扭矩和电流波动、系统振动以及响应时间。这些信息可以帮助您更好地、更精确地了解系统的性能，从而改进您的设计。
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如果您想开始以 1,000 Hz 测试您的电机、螺旋桨和电调，请查看我们的推进动力测试台：
- Flight Stand 15（15 kgf / 8 Nm）
- Flight Stand 50（50 kgf / 30 Nm）
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- Flight Stand 500（500 kgf 推力 / 1500 Nm）