Совместимость PiThrust Motor FOC: Проверено на практике для всех 7 моделей

Реальная проблема послужила толчком к проведению этого теста

Полгода назад, например, клиент из Германии поставил моторы 4315-600KV в паре с фирменным FOC ESC. Двигатели постоянно теряли синхронизацию во время медленного зависания.

Естественно, производитель ESC обвинил во всем моторы. Мы попросили его отправить один обратно для тестирования.

Двигатель был в порядке - настройки ESC по умолчанию были неверными

Однако на нашем стенде двигатель был проверен: идеальный баланс обмоток, чистые подшипники, стабильная индуктивность по всем трем фазам. На самом деле, реальная проблема заключалась в том, что параметры FOC ESC по умолчанию были настроены на гоночные моторы 2300KV, а не на промышленные 600KV.

Такое несоответствие случается чаще, чем следовало бы

С одной стороны, производители моторов утверждают, что их моторы работают с FOC. С другой стороны, производители ESC утверждают, что их контроллеры работают с любым BLDC-двигателем. Тем не менее, ни одна из сторон не предоставляет данных для проверки. В общем, именно из-за этого пробела мы и провели эту серию тестов.

Почему совместимость FOC - это не просто маркетинговый ход

FOC сложнее для двигателя, чем шестиступенчатый

В частности, мотор, который отлично работает на базовом трапециевидном ESC, может сбить с толку контроллер FOC. Симптомы незаметны: моторы работают жарче, теряют синхронизацию на низких оборотах, а прирост эффективности так и не достигается.

В действительности двигатели не дымят. Напротив, они просто не справляются со своими обязанностями, которые трудно диагностировать без контролируемого тестирования.

На практике реальную производительность FOC определяют три вещи

А именно: баланс обмотки, магнитный материал и точность подшипников. К каждому из них мы еще вернемся. Но сначала - цифры.

Что мы изучали перед этим тестом

В нашем предыдущем глубоком исследовании Как искусственный интеллект меняет управление двигателями БПЛА, Мы рассмотрели теорию FOC в сравнении с шестиступенчатой коммутацией и показали прирост эффективности 12-22% при использовании 5315-420KV.

Однако в этой статье мы идем дальше: мы приводим данные о совместимости всех двигателей в нашей линейке, начиная с того, о котором покупатели спрашивают чаще всего.

Установка для тестирования - никаких лабораторных трюков

Почему мы использовали универсальную прошивку

Мы проводили испытания на калиброванном стенде тяги с ЭСК FOC стороннего производителя с прошивкой с открытым исходным кодом, не настроенной производителем. Если двигатель работает с общими параметрами FOC, он будет работать с чем угодно.

Если он боролся, это говорило о том, что дело в двигателе, а не в ESC.

Четыре измерения в диапазоне дроссельной заслонки

• Плавность раскрутки: От 5% до 100% дроссель с шагом 5%
• Пульсация тока: амплитуда в устойчивом состоянии
• Температура намотки: через 10 минут при дросселе 70%
• Поведение при потере синхронизации: при резком изменении положения дроссельной заслонки

Во всех испытаниях использовались трехлопастные пропеллеры 15×7,3×3 при контролируемой температуре окружающей среды 25°C.

4315-600KV: что говорят данные о полном дросселе

Почему 4315 является нашим эталонным двигателем

Это наш самый популярный двигатель для инспекционных и охранных БПЛА - приложений, где стабильное зависание и плавное видео имеют большее значение, чем просто тяга. Действительно, если FOC и имеет значение, то только здесь.

Производительность 8S от 10% до 100% дроссельной заслонки

На дросселе 10% 4315 потреблял всего 0,39 А при напряжении 32 В - едва 12,6 Вт - и создавал 104 г тяги. На этом низком пределе эффективность составила 8,28 Г/Вт.

На дросселе 50% он выдавал 3 215g при 709W. На полном дросселе он достиг пика в 7,297 г при 2,767 Вт, 93A.

Критический вывод: Отсутствие потери синхронизации на любой ступени дросселя от 10% до 100%. Пульсации тока оставались ниже 3% во всем диапазоне. Это двигатель делает именно то, что просит контроллер.

Сравнение 6S - что меняется при более низком напряжении

При 6S с тем же 15-дюймовым трехлопастным блоком 4315 достигает 6 422 г при мощности 1 902 Вт. Интересно, что эффективность на низком уровне оказалась выше - 9,77 Г/Вт против 8,28 на 8S.

Но крутящий момент падал быстрее на верхнем конце. Поэтому, если вы запускаете FOC на 6S, планируйте полезную нагрузку в районе 50-70% дросселя, где эффективность держится выше 5 Г/Вт.

Все 7 моторов: Совместимость с FOC в общих чертах

Один и тот же протокол, каждый двигатель

Мы проверили каждый двигатель в линейке по одному и тому же протоколу. Вот краткое содержание.

О чем говорят рейтинги

В итоге пять из семи моторов получили пять звезд. Однако 5215 показал незначительные заикания ниже дросселя 15% на общей прошивке - это не критично, но заслуживает внимания.

Если вы используете моторы 5215 с FOC на сельскохозяйственном дроне, убедитесь, что прошивка вашего ESC настроена на моторы с низким KV и большим количеством полюсов. Иначе стандартные настройки не справятся с нижней границей диапазона дросселей.

Что делает двигатель готовым к FOC: 3 вещи, которые действительно имеют значение

Данные показывают, какие двигатели работают - но почему?

После сотен часов работы в стенде мы определили три фактора, которые отличают готовый к FOC двигатель от того, который просто крутится.

Баланс намотки: Тихий убийца производительности FOC

FOC контролирует ток независимо на каждой фазе. Если сопротивление одной из фаз немного выше, контроллер компенсирует его, и эта фаза работает более горячо.

В шестиступенчатом режиме вы никогда не заметите несоответствия сопротивления 5%. Однако на ВОЛС это несоответствие проявляется в виде нагрева, шума и, в конечном счете, разрушения изоляции.

В каждом двигателе PiThrust используются статоры ручной намотки со сбалансированными трехфазными обмотками и медным проводом с температурой 220°C. Кроме того, мы проверяем сопротивление фаз на каждом двигателе. Дельта между фазами должна быть меньше 2%, иначе он не поставляется.

Магнитный материал: N52H против всего остального

Магниты теряют силу при нагревании. N52H сохраняет плотность магнитного потока до 120°C - намного выше, чем у большинства двигателей дронов при нормальной работе.

В отличие от них, более дешевые магниты N35 или ферритовые магниты начинают тускнеть уже при 80°C. Когда поток ослабевает, контроллер FOC видит другой двигатель, чем тот, на который он был откалиброван. Эффективность падает, пульсации тока увеличиваются, и двигатель работает горячее в цепи обратной связи.

Мы видели, как двигатели N35 теряли 8-12% своей эффективной тяги после 200 часов сельскохозяйственного опрыскивания. В то же время, N52H сохраняет 3% в течение того же периода времени.

Точность подшипников: Влияние на бездатчиковую оценку

FOC использует обратную ЭДС двигателя для оценки положения ротора - датчики Холла не нужны. Качество сигнала обратной ЭДС зависит от того, насколько плавно вращается ротор.

Подшипник с 5-микронным биением дает более чистый сигнал, чем подшипник с 15-микронным биением. Эта разница напрямую влияет на то, насколько хорошо контроллер отслеживает угол поворота ротора на низких оборотах.

Японские подшипники NSK - стандартные для каждого двигателя PiThrust - имеют более жесткие производственные допуски, чем типовые альтернативы. Цепная реакция: качество подшипников → качество сигнала → качество управления → эффективность.

Заметки из реальных конверсий FOC

Пример 1: LiDAR-съемка в Австралии

Геодезическая компания использует двигатели 4312-380KV на 12S октокоптере с LiDAR. Полгода назад они перешли с трапециевидных ESC на FOC.

В результате в журналах полетов теперь отображается 14% меньше энергии на квадратный километр, нанесенный на карту. Поправки, связанные с вибрацией кардана, снизились почти наполовину. Следовательно, плотность облака точек LiDAR улучшилась, поскольку платформа просто стала более устойчивой в воздухе.

Пример 2: Опрыскивание сельскохозяйственных культур в Бразилии

Оператор управляет двигателями 5315-420KV на парке из восьми дронов-распылителей - 20-литровые баки, 12S, 30-минутные миссии. Они перешли на FOC в январе.

После замены моторов частота их замены снизилась с примерно одного в месяц на один дрон до одного раз в четыре месяца. Другими словами, моторы остались прежними, но изменились ESC - и уже одно это с лихвой окупило обновление.

Пример 3: Предостережение 5215

У нас был клиент, который соединил моторы 5215-420KV с ESC, чья прошивка FOC не была настроена выше 300KV. Контроллер искал нужный угол тока на протяжении всего полета. Моторы работали на 12°C жарче, чем должны были.

После перехода на ESC с правильно настроенными параметрами двигателя температура снизилась, а синхронизация стабилизировалась. Урок: Совместимость с FOC - это свойство системы, а не двигателя.

Какой двигатель с каким ESC: Краткое руководство

Что спросить у поставщика ЭСК

Это не список конкретных марок ЭСК. Речь идет о том, что нужно проверить перед тем, как выбрать силовой агрегат.

Часто задаваемые вопросы

Могу ли я использовать любой FOC ESC с моторами PiThrust?

Большинство современных ЭСК FOC будут работать, но проверьте две вещи. Во-первых, определение параметров двигателя в ESC должно поддерживать ваш конкретный КВ и количество полюсов. Во-вторых, прошивка должна поддерживать бездатчиковый запуск на низких оборотах, если вы используете инспекционные или картографические приложения.

По данным наших тестов, пять из семи моделей работают с типовой прошивкой FOC без проблем. Однако модели 5215 и 4320 выигрывают от настройки каждого мотора.

Почему в вашем тесте 5215 заикался на низких оборотах?

5215 имеет большее количество полюсов и меньшую индуктивность, чем семейство 4312/4320. Из-за этого стандартные прошивки FOC по умолчанию не оптимизированы для этой комбинации.

Это проблема прошивки, а не дефект двигателя. При правильной настройке параметров - в частности, более высоком коэффициенте усиления наблюдателя на низкой скорости - заикание исчезает.

На какое повышение эффективности я могу рассчитывать?

На 5315-420KV мы измерили 12-22% в диапазоне дросселей 40-70%, в котором работает большинство промышленных беспилотников. Аналогично, 4315-600KV показали сопоставимый прирост при частичном дросселировании.

Если кто-то обещает 30% или больше, спросите об условиях тестирования. Реальные результаты реальны, но они не волшебные.

Нужно ли мне заменить двигатели, чтобы перейти на FOC?

Почти наверняка нет. Если ваши моторы PiThrust работают с трапециевидными ESC, они будут работать и на FOC - более того, потенциально гораздо лучше.

Обновление - это только ESC, или иногда просто обновление прошивки. Аппаратная часть двигателя не меняется. Меняется то, насколько точно контроллер управляет им.

Какой двигатель PiThrust обеспечивает наилучшую эффективность FOC?

На дросселе 10% на 8S 4315-600KV показал 8,28 Г/Вт - самый высокий показатель в нашем тесте на этом дросселе.

Во всем диапазоне 5008-300KV работает наиболее прохладно при устойчивой температуре 62°C и показывает самые низкие пульсации. В конечном счете, разные двигатели оптимизированы для разных задач. Поэтому выбирайте в зависимости от ваших задач.

Следующие шаги, когда вам нужна помощь

Когда вопросы совместимости становятся техническими

Для получения информации о модификации обмоток двигателя, рекомендаций по использованию ESC или рекомендаций по настройке FOC, свяжитесь с нами и сообщите детали вашего проекта.

Что отправить для получения рекомендации

Пришлите модель мотора, марку ESC и версию прошивки, размер пропеллера, напряжение аккумулятора и конкретный диапазон дросселя, в котором у вас наблюдаются проблемы.