Bestämning av stilleståndsmoment för BLDC-motor

I takt med att elsparkcyklar fortsätter att forma framtidens urbana mobilitet blir förståelsen för deras BLDC-motorers moment–varvtalskarakteristik avgörande. Med hjälp av realtidsanalysverktyg kan ingenjörer kartlägga verkningsgrad och identifiera motorns begränsningar, vilket är kritiskt för optimering av konstruktion och styrstrategier. En specialanpassad, Dewesoft-baserad testbänk kan utvärdera stilleståndsmoment och uteffekt under varierande belastningsförhållanden.

Elektrisk mobilitet omvandlar snabbt den urbana transportsektorn, där elsparkcyklar blir en central del. För ingenjörer och studenter är det avgörande att förstå den dynamiska prestandan och verkningsgraden hos borstlösa likströmsmotorer (BLDC) som används i dessa fordon.

Tallinns tekniska universitet (TalTech) är ett forskningsinriktat universitet med specialisering inom teknik, ekonomi, offentlig förvaltning och sjöfart. Universitetet har nästan 10 000 inskrivna studenter, varav cirka 11 % kommer från mer än 100 olika länder världen över.

En borstlös likströmsmotor (BLDC) är en elektrisk motor som drivs med likström (DC) men utan de mekaniska borstar och kommutatorer som finns i traditionella borstade motorer. I stället för att använda borstar för att växla strömriktningen i lindningarna används en elektronisk styrenhet.

Rotorn innehåller vanligtvis permanenta magneter, medan statorn är försedd med lindningar. Frånvaron av borstar minskar friktion, slitage och underhållsbehov, vilket gör BLDC-motorer mer effektiva, hållbarare och tystare.

BLDC-motorer är populära i moderna system tack vare sin höga verkningsgrad, precisa styrning och kompakta konstruktion.

BLDC motors are popular in modern devices due to their high efficiency, precise control, and compact design. 

BLDC-motorer används inom ett brett spektrum av applikationer, bland annat:

• Elfordon

• Elsparkcyklar

• Drönare

• Konsumentelektronik (t.ex. datorfläktar)

• Industriell automation

• VVS-system

• och mycket mer

För denna applikation användes en specialbyggd testbänk. Uppställningen demonstrerar hur Dewesoft-verktyg kan användas för att karakterisera motor–varvtals- och moment–varvtalsbeteende. Systemet kan även observera realtidsvågformer från styrenheten och skapa verkningsgradsdiagram för elektriska motorer under belastning.

Tillverkare använder i stor utsträckning BLDC-motorer i personliga elfordon tack vare deras höga verkningsgrad, låga underhållsbehov och kompakta konstruktion. För att optimera deras prestanda under verkliga driftförhållanden – såsom branta lutningar eller höga belastningar – är det dock nödvändigt att förstå deras moment–varvtalskarakteristik och verkningsgrad vid olika driftsförhållanden.

Testbänken integrerar en borstlös likströmsmotor (BLDC) med en pulverbroms, en momentsensor och en enhetlig styrmodul. Alla komponenter är direkt kopplade till Dewesoft-systemet, vilket möjliggör flexibel och detaljerad mätning och analys.

Syfte

Det primära syftet med denna applikation är att utvärdera de dynamiska och stationära prestandakarakteristikerna hos borstade likströmsmotorer som används i elsparkcyklar. Denna utvärdering omfattar bestämning av stilleståndsmoment vid olika fasta varvtal, skapande av effektkartor samt analys av elektriska vågformer under varierande belastningsförhållanden.

Mätningarna ger insikt i hur motorn beter sig vid gradvis ökande moment, vilket hjälper till att identifiera motorns prestandabegränsningar, såsom det maximala (hållbara) momentet vid ett givet varvtal.

Med hjälp av Dewesofts Power Analysis-modul möjliggör systemet realtidsövervakning och utvärdering av styrenhetens spänningar, fasströmmar och effektparametrar. Denna modul ger en omfattande förståelse av motorns beteende under varierande moment- och varvtalsprofiler.

Mätuppställning

Jag använde ett Dewesoft SIRIUS isolerat (SIRIUSi) datainsamlingssystem. Det har fyra högspännings- (HV) och fyra lågspännings- (LV) signalkanaler, vilket gör det väl lämpat för denna applikation.

Högspänningskanalerna användes för att mäta likspänningsmatningen samt de tre motorfasernas spänningar.

Lågspänningskanalerna anslöts till strömklämmor för mätning av inmatnings- och fasströmmar.

Ett DYN-200 momentsensorpaket, med analog momentutgång och en 6 V fyrkantsvågssignal för hastighetsmätning, användes för att mäta moment och varvtal. Denna enhet kopplades till en DEWE-43A DAQ-enhet. En synkkabel användes för att synkronisera DAQ-enheterna och säkerställa fullständig tidsmässig justering mellan elektriska och mekaniska signaler.

Provtagningen utfördes med en bandbredd på 1 MHz för att kunna fånga högfrekventa switchkarakteristiker i motorstyrsignalerna. Alla komponenter, inklusive sensorer och styrelektronik, matades separat som en del av en modulär testbänkskonfiguration, vilket säkerställde elektrisk isolering och systemflexibilitet.

Det kompletta mätsystemet inkluderade följande enheter och programvaror:

Data acquisition system

• SIRIUSi-4xHV-4xLV – modulär förstärkare med 4× HV (högspännings-) och 4× LV (lågspännings-) analoga ingångar.

• DEWE-43A – 8-kanalig USB-datainsamlingsenhet (DAQ) – för extra analoga ingångskanaler och digitala signaler.

• Synkkabel – för exakt tids­synkronisering mellan systemen.

Sensorer och givare

• CP30 strömklämma (100 mV/A) – för mätning av matningsström

• 3× PR200 strömklämmor (10 mV/A) – för mätning av motorfasströmmar

• DYN-200 momentsensor (0–5 V analog utgång, 30 Nm mätområde)

• DYN-200 hastighetsutgång (fyrkantsvåg, 6 V amplitud)

Motor och last

• BLDC-sparkcykelmotor – 1 kW, 48 V märkspänning

• Motorstyrenhet – ASI BAC555

• Lastmaskin / pulverbroms – 25 Nm magnetisk partikelbroms för justerbar mekanisk belastning

DAQ- och analysprogramvara

• DewesoftX Professional – för synkroniserad datainsamling, visualisering och analys.

• DewesoftX Power Analyzer Module – mjukvarupaket för omfattande effektanalys med över 100 parametrar baserade på spänning och ström, avsett för analys av motorns effektförbrukning.

Metodik

Testförfarandet innebär att motorn körs vid ett konstant varvtal (RPM) samtidigt som momentet gradvis ökas med hjälp av pulverbromsen tills motorn stannar. Denna procedur gör det möjligt att identifiera toppmomentet vid varje varvtal. Data registrerades med följande Dewesoft-konfigurationer:

• Oscilloskop (Scope): Användes för att visualisera motorstyrspänningar och fasströmmar. Oscilloskopvyerna triggades automatiskt för att fånga tydliga vågformsbilder. Sinusformade modulationsmönster i spänningssignalerna kunde observeras.

• Filtrering: Ett lågpassfilter tillämpades på fasströmmarna för att minska brus. Även om detta introducerade en mindre signalfördröjning, vägde noggrannheten i amplituden tyngre.

• Vinkelgivarmatematik (Angle Sensor Math): Frekvenssignalen, härledd från modulen för vinkelgivarmatematik, användes för att mäta motorns rotationshastighet.

• Vektorskop (Vector Scope): Användes för analys av fasförhållanden mellan spänning och ström, vilket gav djupare insikt i det momentana effektflödet vid ökande belastning.

• Digitala mätare (Digital Meters): Visade medelvärden för moment, varvtal (RPM), matningsspänning och matningsström.

• Inspelare (Recorders): Kontinuerlig registrering av motormoment och varvtal för att identifiera centrala driftområden.

Inledande analys

Jag genomförde mätningar vid rotationshastigheter från 50 till 600 varv per minut (RPM), med steg om 50 RPM. Dewesoft-analyseringsgränssnittet möjliggör enkel utforskning av all inspelad data med synkroniserad visning av momentana värden över flera kanaler.

Denna synkroniserade vy är särskilt effektiv för att identifiera transienta händelser eller subtila interaktioner mellan de mekaniska och elektriska domänerna. Under analysfasen tillämpades ytterligare filtrering på momentkanalen för att minska brus och förbättra signalens tydlighet.

Effektmodulen i programvaran ger en tydlig översikt över fasvinklarna och effekttriangeln.

Fas­spänningar och strömmar användes för att bedöma om motorn utsattes för obalanserad belastning eller onormala driftförhållanden. Den relativt låga effektfaktorn indikerar att en betydande del av effekten är reaktiv, vilket bekräftar att motorn var lätt belastad vid detta specifika tillfälle.

Detaljerad analys

Eftersom den detaljerade analysen i denna applikationsbeskrivning endast krävde moment- och varvtalsdata, exporterades dessa kanaler som MATLAB-filer med en relativ tidsskala.

Det första steget i analysen bestod i att generera moment–varvtalsprofiler för motorn. Dessa diagram illustrerar motorens stabila driftområden samt det maximala uppnåeliga utgångsmomentet vid varje inställt varvtal. Det är också tydligt att motorstyrenheten inför en effektbegränsning, vilket gör att motorn stannar tidigare vid högre varvtal.

Det andra diagrammet visar motorns effekt som en funktion av moment och varvtal. Denna visualisering hjälper till att identifiera punkten för maximal mekanisk uteffekt, vilken återigen tydligt begränsas av styrenhetens kapacitet.

Slutsats

Resultaten bekräftade att Dewesoft tillhandahåller en robust och högupplöst plattform för att fånga både transienta och stationära beteenden hos elektriska motorer.

Viktiga funktioner såsom realtidstriggning av vågformer, intuitiv vektorskopanalys och flexibel filtrering visade sig vara avgörande för att visualisera och tolka motorns egenskaper.

Vissa utmaningar, såsom brus i strömmätningarna, kunde minimeras genom digital filtrering och medelvärdestekniker.