BLDCモーターが高速で動作を変更するのはなぜですか？

バックグラウンド

小さなサブ50グラムのホビーBLDCモーター、KDE 2304XF-2350のトルク対速度のパフォーマンスを記録しました。

私は、ESC（電子整流子）へのさまざまな固定電圧と、ESCのさまざまなスロットル設定でモーターに電力を供給しています。ESCのスロットルは基本的に固定電圧を下げます。三相電力計を使用して、モーターに入る「準多相」AC電力を測定します。準多相というのは、どの時点でも2つのモーター巻線に電流の単相しか流れないためです。

私は渦電流ブレーキを使用してモーターに負荷をかけます。アルミニウムディスクがローターに接続され、モーター/ディスクが2つの電磁石の上に吊り下げられています。電磁石への電力を増やすと、回転ディスクに大きな渦電流が誘導され、大きなトルクが発生します。インライントルクセルとホールセンサーを使用して、さまざまな負荷電流で定常状態のトルクと速度を測定します。

これが8V、50-100％スロットルでの私のデータです。それぞれの点線の実験セットには、単純なDCモーターモデルとKDEの仕様に基づく対応する確実な予測があります。

V = d V_{D C}

$V = dV_{DC}$

V = 私 R + E

$V = IR + E$

V = \frac{T}{k_{t}} R + k_{t} ω

$V = \frac{T}{k_t}R + k_t\omega$

T = \frac{V k_{t} - {k_{t}}^{2} ω}{R}

$T = \frac{Vk_t - {k_t}^{2}\omega}{R}$

どこ

$d$ はスロットル設定のデューティ比です
$V_{DC}$ はESCに入る固定電圧です
$R$ （182mΩ）は、モーターの巻線から巻線への抵抗です（KDEは巻線ごとに91mΩを提供します）。これは、モーター端子に瞬間的に印加される電圧から見た全抵抗であるためです。
$k_t$ （ Nm / A）はオンラインで提供されます

問題

実験データが高速で、特に低スロットルでモデルから逸脱する理由がわかりません。

私は当初、これはある種の「偶発的な」弱体化でした。発散は勾配の変化から生じ、DCモーター曲線の勾配はと関数のみです。高速/低電流では、は変化しませんが（低電流=低温）、インダクタンスの増加によりが変化する可能性があります。 $k_t$ $R$ $R$ $k_t$

実験的な傾きは、が減少して速度がしたかのように負にならないが、モーターはが同じままであった場合よりも高いトルクを維持している。 $k_t$ $k_t$

たとえば、70％のスロットルと10 kRPMで、私のモデルは約20 mN-mのトルクを予測しますが、「弱め界磁」モーターは25 mN-mのトルクを生成します。何が？

これはBLDCの弱体化ですか？もしそうなら、なぜトルクは損なわれないのですか？
これが弱め界磁でない場合、トルク速度曲線の勾配が速度とともに変化する原因は他にありますか？

補遺

この高速発散についても私を混乱させるのは、実験的なモーター効率が FWで向上することです。

PMSMのFWを理解しているように、固定子電流（Id？）の一部は、トルク（Iq）を生成するのではなく、電機子フィールドを「戦う」ために費やされるため、実際にはいくつかの効率が失われます。

ただし、モーターは同じトルクで（モデルと比較して）より多くの速度を生成するため、モーターの実験効率はモデルほど急激には低下しません。

Neil_UKが述べたように、ESCはアーマチュアの位相角で何らかのトリックをしている可能性があります。アーマチュアの位相角を測定するにはどうすればよいですか？

私はすでに電力計を介してモーター端子の合計位相角（Φ= acos（3P / ∑S）を3相すべてで測定しています）を測定していますが、この位相角には、速度増加インダクタンスによる電流遅延とノイズの多いスイッチングによる高調波歪みが含まれています。

仮説

FWの間に「一定の」電力を引き込むPMSM（非効率を無視）とは異なり、BLDCモーターはFW でより多くの電力を引き込み続けるため、トルクは偶発的なFW領域で影響を受けません。今からデータをチェックします！

motor brushless-dc-motor

— techSultan
ソース

「スロットル」とはどういう意味ですか。「モーターの速度を制御する」という意味ではありませんが、電気的にはESCにとって何を意味し、それがモデルにどのように反映されるのでしょうか。私が見ているのは、「回転数が上がると、トルクが下がると期待していますが、スロットル設定を低くすると、期待したほどには落ちません」と私は思います。異なるバッテリー電圧でブラシ付きモーターを動かしていたとしたら、それは私を非常に驚かせます。ただし、ブラシレスでは、タイミングの変化に応じてESCが「何か賢いこと」を行う機会がいくつかあります。それはそれをしていますか？「スロットル」が何をするように言っているかをどうやって知るのですか？

— Neil_UK 2018

どのようにしてモデルを導き出しましたか？それにどのような仮定が組み込まれていますか？最も明白な説明は、スピードコントローラーがモデルに組み込まれた仮定に従っていないことです。スピードコントローラーは、さまざまなスロットル設定に応じて実際に何をしますか？おそらく、あなたが考えていることではありません。

— mkeith 2018

基本的に、何が起こっているかは、軽負荷状態でモーターが予想よりも速く回転していることです。コントローラは、モーターがロードされておらず、位相進みなどを使用して、これらの条件下で弱め界磁を実装していることを認識できると思います。モーターの負荷が大きい場合（トルクが高い場合）、実験データはモデルと収束します。

— mkeith 2018

ESCは非正弦波ドライブであることをお勧めします。そのため、使用されているアルゴリズムはすべて、正弦波ドライブを使用するモデルとは異なります。中域のトルクは大幅に向上しているようです

— ジャッククリーシー

@DmitryGrigoryev私は定格700 mN-m（100 oz-in）のトルクセルを使用しています。同じ現象が、陸軍が市販の動力計を使用してテストしたさらに小さなBLDCでも発生しました（レポート）。私は既知の分銅を既知の距離で吊るして校正しました。理論と実験の勾配は低速で一致しているため、測定誤差はないと思います。

— techSultan 2018

発生している問題は、使用しているコントロールの形式に関連しています。ほとんどすべての趣味/クワッドコプター指向のBLDCコントローラー（一般に「ESC」と呼ばれます）は、センサーレスの台形制御を使用します。この制御形式は、質問で参照する制御形式とは根本的に異なります。これは、フィールド指向制御またはFOCと呼ばれます。

これらの制御手法の違いを詳細に説明するには、過度に長い回答が必要になるため、自分で調査することをお勧めします。ただし、現在存在するテストでは、モーターの速度/トルク特性をドライバーの速度/トルク特性から適切に分離していません。高解像度エンコーダーの欠如は、低速でのモーター性能にも影響します。低速で良好なパフォーマンスが必要な場合は、問題の制御手法に関係なく、何らかの形のエンコーダが必要です。

これらのモーターを全速度範囲で適切に特性評価したい場合は、センサー付き FOCドライバーが現実的に必要になります。

— オカナート
ソース

センサー付きFOCとセンサーレス6ステップ整流の違いを理解しました。FWが台形転流メカニズムで「偶然に」起こっていると私は推測していました。制御アルゴリズムの

— 内部

簡単な説明は、50％のスロットル設定が50％のステップダウンボレージを意味するのではないかと思います。負荷が小さい場合、PWMパルス間で電流が0に戻り、出力電圧が50より高くなるためです％。電流が不連続な降圧コンバータの電圧を調べます。

— Jesse_a_b
ソース

電圧出力が不連続電流モード（DCM）でどのように増加するかは理解していますが、それがトルク速度曲線の勾配にどのように影響するかはわかりません。電圧は理論的には曲線のy切片にのみ影響します。

— techSultan