Мотор тестер МС-1, все о БК моторах.
Регистрации с логгером есть, но можно и комп с графиками подключить, все покажу
Тест на повторяемость, и нестандартный мотор
Здравствуйте. Меня зовут Юрий Сенькин, я автор электронной и программной части этого стенда. Идея с генератором, спиралями нагрузки и тензодатчиком тоже моя. Хоть я и не моделист, но с интересом наблюдаю за испытаниями Романом разных моторов на этом стенде. Хочу прояснить некоторые моменты. Это любительская конструкция, не претендующая на абсолютную точность. Она делалась из того, что было под рукой, чтобы не слишком задирать бюджет. Для измерения момента использован тензодатчик от бытовых весов, немного подпиленный болгаркой, но все равно довольно грубый. Напряжение с токового шунта усиливается обычным операционником и оцифровывается встроенным АЦП Ардуины, который имеет всего 10 разрядов. При рабочем диапазоне 250А и дискретности отображения 0.1А последняя цифра показаний тока вытягивается только за счет оверсэмплинга (аппарат измеряет 50 раз в секунду и выводит среднее по восьми последовательным измерениям). Но все равно, например, если ток в районе максимального КПД составляет 20А, только погрешность оцифровки превышает 1%. А еще есть помехи, дрейф нуля… Для калибровки тензодатчика я использовал (прошу не смеяться!) килограммовый пакет с рисом, купленный в супермаркете, на котором написано 1кг-5%. Ну не было у меня точной образцовой гири. Это тоже может приводить к завышению численных результатов по КПД. Хотя на ход графиков и положение максимальных точек это не влияет. Выходная мощность мотора на валу в стенде вычисляется по формуле
Pout=(PI*n*M)/30, где n - обороты в минуту, М - момент в Н*м
Потребляемая мощность от источника питания вычисляется как произведение тока на напряжение.
КПД соответственно вычисляется делением выходной мощности на входную и умножением на 100%.
Как известно, при умножении и делении приближенных величин относительные погрешности складываются, поэтому результат вычислений имеет еще бОльшую погрешность, чем исходные данные. Это четко видно на графиках, если графики исходных данных (обороты, момент, ток, температура, напряжение) относительно гладкие, от рассчитанные на основании их мощность, момент, КПД и потери уже имеют некоторую “мохнатость”, то есть содержат в себе шум, погрешность. А максимум во время теста вычисляется абсолютный из всех точек, видимо поэтому вычисленное значение максимального КПД иногда скачет от теста к тесту. Вообще смотреть нужно графики, они дают гораздо более объективную информацию, чем значение в какой-то одной конкретной точке, мохнатость не мешает понять, куда идет график и где у него максимум. Вот для примера все зависимости от момента нагрузки, верхняя горбатая кривая - КПД, яркозеленая -обороты, коричневая внизу - потери, выше нее зеленая -мощность. Роман, если не трудно, сними подряд 2 одинаковых теста, поставь курсор в Powergpaphе (крестики) на точку с максимальным КПД в одном и другом тесте и запиши все значения каналов. Хочу понять, малое изменение какого из входных параметров так сильно влияет на разброс вычисленного максимального КПД. Повысить стабильность результатов можно даже с этим железом, путем доработки прошивки и калибровки по образцовой гире. Не говоря у же о том, что можно поставить более точные датчики и АЦП.
З.Ы. Да, уточню, что верхней строке результатов на дисплей стенда выводится механическая (полезная) мощность на валу, а не тепловые потери. Потери надо смотреть по коричневому графику или можно во время теста вывести на дисплей.
Сегодня добрался до мотора, с сасодельным статором, на 2 полюса, сравнил м мотором Теншок 201сенсорный(для багги 10, 4 полюса), и с хорошим мотором SP 6,5T.
1.мотор 12зубов 2 полюса, 39000 оборотов, на 4.5 витка( подбирал витки под мотор со стандартными 6.5 мотором, получить похожие обороты) мощность 555ватт при 5350кв,
2.мотрр теншок просто проверил, мотор отстой, не заслуживает внимания
3 мотор спид пэшн 6.5 витков дал 37000 и мощность 430 ватт, роторы по намагниченности одинаковы.
Вывод таков, статор на 12 зубов для 2-х полюсного мотора мотора не позволил получить аналогичные кв, примерно 4000 получил на 6.5 витков, когда ч получил 5350 кв, это было уже 4.5 витка на фазу, т.е. сейчас моторы имеют похожие обоооты, но мотор 12зубов мощнее 555 ват против 430 ватт и при этом мощность и момент находятся на бОльших оборотах, и мотор будет значительно мощнее на трассе и рывок будет просто бешеный, надо ставить на модель
Для объективного сравнения моторов по цифре максимальной мощности надо выставлять одинаковый предельный ток теста. И следить, что он достигнут, поскольку возможна ситуация, когда Load 100%, а ток меньше предельного.
ток тот же, следил, чтобы доходил, вот на одном из них, кпд не показывает, на 4-х попытках, мотор слабый, пока не разобрался с причиной…
Нужны графики для случая, когда КПД не может вычислить, чтобы понять. Просто входные графики, без обработки. Скорее всего вся засада в ограниченной разрядности, из-за чего малые токи и моменты измеряются недостаточно точно. Это можно улучшить математически, путем более сложной цифровой фильтрации результатов в контроллере стенда (потребуется перепрошивка). Возможно поможет более тщательная калибровка тензодатчика по точной гире.
Много споров вызывает режим старта модели с места. Первоначально я тоже хотел заложить имитацию такого режима в стенд, типа дать определенную нагрузку, дать полный газ с нуля и записать кривую разгона по оборотам с измерением времени. Но к сожалению выбранная схема стенда с генератором не позволит правдиво сымитировать этот режим. Стенд изначально имеет линейную зависимость момента нагрузки от оборотов (это как бы эквивалент вязкого трения, при нулевой скорости момент сопротивления равен нулю). Реальная модель имеет трение покоя, трение качения, мало зависящее от скорости и составляющую сопротивления, растущую со скоростью. На больших скоростях прибавляется еще и квадратичная сила сопротивления воздуха. Ну и конечно, сила инерции, пропорциональная массе модели и ускорению, как сказал товарищ Ньютон. Все это конечно можно попытаться сэмулировать быстрым управлением мощностью нагрузки стенда на ходу, но начальный участок ниже 15…20% номинальных оборотов все равно останется пустым, стенд не сможет физически дать там адекватную нагрузку. Посему нарисованная им кривая не будет иметь ничего общего с реальным разгоном модели на трассе. А программная часть и требования к быстродействию Ардуины на порядок бы возросли. Поэтому я не стал добавлять этот режим в прошивку. Полную имитацию абсолютно любых режимов на трассе (в том числе тормозных режимов и нагрузок при нулевой скорости) может дать только векторное управление генератором-нагрузкой, а это уже совсем другой уровень сложности проекта, простая Ардуина не справится, нужно как минимум STM32 и отдельный трехфазный мост на Мосфетах для управления генератором. В принципе несложно добавить в этот стенд разгонный тест с фиксированной нагрузкой, по нему сравнивать кривые разгона движков в стандартизированных условиях. Но момент будет линейно расти с оборотами (мощность квадратично). На нулевой скорости момента не будет. Не знаю, нужен ли такой тест.
Сегодня произошла небольшая поломка, перегорела одна из спиралей в матрице. Графики сразу стали ступенчатыми. При первых тестах без вентилятора спирали накалялись докрасна, с вентилятором вроде были не красные, но все равно перегорела одна ветка уже. Будем ставить потолще и подлиннее. Еще предполагался кожух сзади, все-таки надо его сделать, без него много воздуха от вентилятора разлетается по сторонам, не охлаждая спирали.
Осмотр оборванной спирали под лупой показал, что это не перегорание, а излом, видимо заводской дефект проволоки. Заменил на такую же. Гонял мотор на 1.5кВт, ничего не перегорает и даже не светится, хотя жар идет. Выели мозг китайские разъемы в цепи тензодатчика, ни с того ни с сего стали давать погрешность, которая меняется при шевелении кабеля. Промыл разъемы спиртом, помогло. Надолго ли? Надо искать разъемы с золотым покрытием или вообще припаять напрямую. Говорят винтовые клеммники можно, в них винт прокалывает окисел. По просьбе Романа добавил дополнительный отчет в Idle тесте, теперь кроме максимальных оборотов и вычисленного KV выводится еще ток ХХ и напряжение при этом. Собрались все-таки менять тензодатчик на более чувствительный, из-за задранного усиления при долгих тестах заметен дрейф нуля, что влияет на правильность вычисления КПД. Новый датчик будет четырехпроводным, это должно уменьшить требования к качеству разъемов. Заодно и уточним калибровку. Также решил отделить преобразователь питания вентилятора от основной схемы, чтобы снизить токи по земляному проводу. Питание там организованно довольно хитро, стенд работает от любого напряжения в пределах 6…28Вольт. От входного напряжения работает степдаун конвертер на 5 вольт, от которого питается Ардуина и степап преобразователь 5->15Вольт. От него в свою очередь питаются драйверы ключей и вентилятор. Последний и есть главный потребитель тока (окромя регулятора с мотором конечно). Заметное падение на земляном проводе схемы снижает точность работы усилителя токового шунта, желательно развязать это дело. Но в целом работает все, пользоваться удобно достаточно.
Выслал Роману Tenshock x802L 1950kv рабочий, для тестов, посмотрим как себя ведёт мотор до и после перемотки и в сравнении с другими.
Стенд подвергся серьезной модернизации.
Тензодатчик заменен на 5килограммовый с четырехпроводным подключением.
В связи с этим доработана механическая часть и токоподводы.
Усилитель сигнала токового шунта сделан на более термостабильном ОУ с низким дрейфом.
В цепях питания критичных узлов добавлены дроссели для подавления помех.
Для питания вентилятора применена независимая пара преобразователей.
Промежуточные вычисления в программе переведены на 32битные числа.
На отчете после Constant Throttle теста рядом со значением максимально достигнутого момента теперь выводится ток, при котором он достигнут.
Добавлена возможность ручной корректировки нуля измерителя тока нажатием кнопки. Это позволяет скоменсировать возможный долговременный дрейф.
Все это позволило значительно повысить повторяемость результатов и удобство в работе. Хотя есть и минусы. Новый тензодатчик довольно массивный и иногда резонирует при вибрациях, что приводит к волнообразности графиков и снижению точности результатов. Для устранения этого эффекта пришлось более точно подобрать сопротивления спиралей в нагрузочной матрице, чтобы добиться максимальной плавности и монотонности увеличения момента нагрузки. Реальный разброс показаний теперь не превышает 1.5…2%. Думаю, это максимум, что можно выжать из данного железа. Для интереса снял 2 теста подряд одного и того же мотора и наложил графики, чтобы проверить повторяемость. Небольшое расхождение хвостов видимо связано с нагревом:
Основными источниками погрешностей теперь являются токоподводы, трение покоя в подшипнике подвеса, ну и конечно невысокая разрядность встроенного в Ардуино АЦП (особенно сказывается в канале тока, здесь по хорошему надо 16…18 разрядов, чтобы красиво было). Видимо надо иметь два стенда, один для мелких моторов, маленький и точный, как аптекарские весы, другой полноразмерный на большие токи и моменты, как тот, что сделан сейчас 😃. Просто повышение точности электронной части уже мало что даст, большинство погрешностей дает механика. Протестировал несколько моторов, которые дал мне Роман.
- Tenshock Viper VZ-2240/9T бездатчиковый. Не знаю, перемотан или нет. Очень низкое KV, крутил его от 14.8Вольт, пробовал от 18.5, регулятор вырубается часто, хотя моща возрастает.
При 14.8В:
На холостых:
Максимальные обороты 24876RPM
KV=1681
Потери 41W на 24272RPM
Ток холостого хода 3.9А
Под нагрузкой при 100% дросселя:
Снято 1017W при 19557RPM
Максимальный КПД 90.2% при 23095RPM
Максимальный момент 496.8mN*m при 84.1A
Моментная эффективность 5.91mN*m/A
Зависимости основных параметров от момента нагрузки.
Картинки кликабельны, горбатый график - КПД, яркозеленая линия - обороты, более темная - мощность на валу, коричневая - потери:
То же от оборотов:
- TPPower маленький бездатчиковый. Не знаю, перемотан или нет.
При 7.4В:
На холостых:
Максимальные обороты 30801RPM
KV=4219
Потери 15W на 29397RPM
Ток холостого хода 6.4А
Под нагрузкой при 100% дросселя:
Снято 317W при 22363RPM
Максимальный КПД 85.2% при 27663RPM
Максимальный момент 135.8mN*m при 59.8A
Моментная эффективность 2,27mN*m/A
Зависимости основных параметров от момента нагрузки:
То же от оборотов:
- Tekin4030 1900KV датчиковый. Скорее всего заводской.
При 14.8В:
На холостых:
Максимальные обороты 27998RPM
KV=1892
Потери 45W на 27933RPM
Ток холостого хода 4.6А
Под нагрузкой при 100% дросселя:
Снято 1202W при 21747RPM
Максимальный КПД 90.7% при 25136RPM
Максимальный момент 528.4mN*m при 102.2A
Моментная эффективность 5.17mN*m/A
Зависимости основных параметров от момента нагрузки:
То же от оборотов:
- Безымянный средних размеров бездатчиковый. Не знаю, перемотан или нет. Низковольтный, высокое KV. При моменте
более 310mN*m срывался, регулятор переходил в аварийный режим с низкими оборотами. Ограничил ток 130Амперами.
При 7.4В:
На холостых:
Максимальные обороты 30457RPM
KV=4172
Потери 31W на 30457RPM
Ток холостого хода 8.9А
Под нагрузкой при 100% дросселя:
Снято 625W при 19987RPM
Максимальный КПД 82.5% при 26690RPM
Максимальный момент 298.4mN*m при 129.9A
Моментная эффективность 2.30mN*m/A
Зависимости основных параметров от момента нагрузки:
То же от оборотов:
- Tenshock Viper маленький бездатчиковый. Оказался неисправным, ток холостого хода 38А, тестировать
под нагрузкой не стал.
Какие выводы из этого всего?
Большие моторы благодаря низкоомной обмотке большого сечения обеспечивают высокий КПД в гораздо
более широком диапазоне скоростей и нагрузок. Ну и отдача момента с каждого ампера существенно выше благодаря
мощной магнитной системе. Если регулятор способен дать большой ток, с такого мотора можно снять огромную мощность, 2kW и более без особых последствий. Маленькие моторы эффективны в гораздо более узком диапазоне, при перегрузке по моменту обороты резко падают, а КПД становится настолько низким, что мотор очень быстро перегревается и выходит из строя (было у меня такое 1 раз). Кратковременные перегрузки держат гораздо хуже.
P/S Ток холостого хода в стенде несколько больше реального, ибо мотор все-таки нагружен на потери холостого хода генератора. Но мощность потерь показывается правильно, эти потери автоматически вычитаются Ардуиной.
Tenshock Viper VZ-2240/9T бездатчиковый. Не знаю, перемотан или нет. Очень низкое KV, крутил его от 14.8Вольт, пробовал от 18.5, регулятор вырубается часто, хотя моща возрастает.
не все регуляторы любят 6-полюсные моторы, авто регуляторы в паспорте ограничивают 2400кв на 6 полюсов, на 4 банки, как правило, но не гарантия, хотя теншок делает мотор 2600кв, 6 полюсов, но тоже на 4 банки
сегодня работал с обновленной версией стенда, стабильность и повторяемость уже на высоте, можно делать тесты подряд, стенд фиксирует нагрев системы и данные меняются пропорционально нагреву.
новая статья, написана благодаря последним тестам