2018 tÜbİtak uluslararasi İnsansiz hava araÇlari...
TRANSCRIPT
İTKİ SİSTEMLERİ
Dr. Öğr. Üyesi Rıfat BENVENİSTE
Prof. Dr. Mehmet Timur AYDEMİR
Nisan 2018
2018 TÜBİTAK
ULUSLARARASI İNSANSIZ HAVA
ARAÇLARI YARIŞMASI
İçindekiler
İçerik
Giriş
İtki Sistem Bileşenleri
Pervane
İtki Hesaplanması
Elektrik Motorları
Fırçasız DC Motorlar
ESC
LiPo Batarya Seçimi
Faydalı Hesap Siteleri
Sorular 2
Giriş
• Hava araçlarında aracın havada kalması içingerekli taşıyıcılık sabit kanatlı araçlardakanatlarda döner kantlarda ise pervanelerdesağlanmaktadır.
• Her iki yapıda da taşıyıcılığın sağlanabilmesiiçin bir itki kuvvetine ihtiyaç duyulmaktadır.
• Hava taşıtlarında itki için çeşitli motor yapılarıyer alsa da yarışmada elektrikli itkisistemlerinin kullanılması gerekliliğindeneğitimin geri kalanında İHA larda yaygınkullanılan elektrikli itki sistemleri anlatılacaktır. 3
İtki Sistemi Bileşenleri
Pervane
Motor
Elektronik Hız Kontrol Ünitesi
(ESC)
4
Pervane
Pervane de bir kanattır:Pervanede aynı bir kanatta olduğu gibi üst yüzeyde havanın alt yüzeyden daha hızlı hareket etmesi sebebiyle alt yüzeyde oluşan basınç kaldırma kuvvetini oluşturur.
5
Pervane
Temel Pervane Yapısı
6
Pervane
Pitch (Yunuslama) Değeri:
Pervanenin bir turunda kat ettiği yol (inch)
7
İtki Hesabı
Dinamik İtki Hesabı:
Gabriel Staples, 2013
𝐹 = 1,225𝜋 0,0254. 𝑑 2
4.
𝑅𝑃𝑀. 0,0254. 𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ.1
60
2
−
𝑅𝑃𝑀. 0,0254. 𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ.1
60. 𝑉0
.𝑑
3,29546. 𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ
1,5
𝐹 = 4,392399 × 108. 𝑅𝑃𝑀.𝑑3,5
𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ. 4,23333 × 10−4. 𝑅𝑃𝑀. 𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ − 𝑉0
𝐹: İ𝑡𝑘𝑖 𝑁 ,𝑑: 𝑃𝑒𝑟𝑣𝑎𝑛𝑒 ç𝑎𝑝𝚤 𝑖𝑛𝑐ℎ ,𝑅𝑃𝑀: 𝑝𝑒𝑟𝑣𝑎𝑛𝑒 𝑡𝑢𝑟𝑢 𝑑𝑎𝑘,p𝑖𝑡𝑐ℎ: 𝑝𝑒𝑟𝑣𝑎𝑛𝑒 𝑏𝑖𝑟 𝑡𝑢𝑟𝑑𝑎 𝑘𝑎𝑡 𝑒𝑑𝑖𝑙𝑒𝑛 𝑦𝑜𝑙 𝑖𝑛𝑐ℎ ,𝑉0: 𝑖𝑙𝑒𝑟𝑖 𝑦ö𝑛𝑙ü 𝑝𝑒𝑟𝑣𝑎𝑛𝑒 ℎ𝚤𝑧𝚤(𝑚/𝑠)
Bu denklem RC araçlardaki farklı motor pervane türlerinde denenerek belirli katsayılarda düzeltme yapılmıştır. Pervane verimi ve hava yoğunluğu gibi değerlerde yapılan kabuller ile yaklaşık bir değer sunmaktadır.
8
İtki Hesabı
• Verilen denklem kendi pervane üretiminizde eldeedilecek itki gücünün hesaplanmasında yardımcıolacaktır. Yapısal özellikler ve kullanım ortamınabağlı olarak teorik hesap ile pratik arasında±%10 sapma gösterebilir.
• Hazır üretim pervane ve motor kullanımlarındabunların nasıl seçildiği ve İtki ile olan ilişkileriilerleyen yansılarda anlatılmaktadır.
9
Pervane Seçimi
Örnek Parametreler
Pervane seçimi toplam kalkış ağırlığı ve motor özellikleri birlikte değerlendirilerek yapılmalıdır.
10
Doğru Akım Elektrik Motoru
DC Motor Nedir? Nasıl Çalışır?
• Doğru akım motoru elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makinedir.
• Motorun içinde yer alan sargılara elektrik akımı uygulandığında, yine motorun içerisinde bulunan sabit mıknatıslara zıt yönde oluşan manyetik kuvvetin etkisi ile hareket etme prensibine dayanır.
• Bu akımın yönünün, sürekli olarak sabit mıknatısa ters manyetik alan oluşturacak şekilde değiştirilmesi gereklidir.
• Bu değişim, fırçalı motorlarda motorun sarımlarına temas eden fırçalar ile, fırçasız motorlarda ise elektronik hız kontrol devresi tarafından yapılır.
11
Fırçalı Doğru Akım Elektrik Motoru
Avantajları:• Basit sürücü devresi • Kullanım kolaylığı • Uygun fiyat
Dezavantajları: • Bakım gereksinimi• Düşük verim• Yüksek EMC
12
Fırçasız Doğru Akım Motoru (BLDC)
BLDC motorların avantajları:
• Hız kontrol sabit tork ile yapılabilir,• Verimleri yüksektir,• Fırçasız yapıları sebebi ile sürtünme
yoktur, ark yapmaz, karbon tozu üretmez,
• Boyutları diğer motorlara göre daha küçük, momenti ise daha yüksektir,
• Yüksek devrilerde problemsiz çalışır,• Sessiz çalışırlar,• Çok az ısınırlar,• Çok daha uzun ömürlüdürler,• Bakıma ihtiyaç duymazlar.
BLDC motorların dezavantajları:
• Karmaşık bir kontrol devresi vardır,• Konum sensörlerine ihtiyaç duyarlar,• Maliyetleri yüksektir.
13
Fırçasız Doğru Akım Motoru (BLDC)
Çalışma Prensibi
14
Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri
• İtki Ağırlık Oranı (Thrust To Weight Ratio)
İdeal olarak İHA havada (Hover durumu) yaklaşıkyarı gazda kalabilmelidir. Diğer bir deyişle %50 İtkioranı ile İHA’yı havaya kaldırabilmeniz gerekir.Böylelikle kontrol ve rüzgarda stabil kalabilmek içinyeterli itki kuvveti olacaktır.
Örnek: 4Kg ağırlığında 4 motorlu bir döner kanatlıİHA toplamda 8Kg ağırlık kaldırabilecek itkikuvvetine sahip olmalıdır. Bu durumda her motorda2Kg itki kuvveti oluşturacak şekilde motor vepervane seçimi yapılmalıdır.
15
Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri
Örnek Motor Verileri
Pervane Ölçüleri Akım İtki Güç Verim DevirGerilim
• Verim arttıkça uçma süresi artar. • İHA görev amacına göre İtki ve verim arasında tercih yapılmalıdır. • Düşük gerilimlerde verim artar ancak itki azalır. • Gerilim yükseldiğinde pil ağırlığı da artacaktır. • Bu da toplam kalkış ağırlığının artmasına neden olacaktır.
16
• Motor Ölçüleri
Radyo Kontrollü araçlarda kullanılan fırçasız DC motorlar «AABB» yapısında bir kodla tanımlanmaktadır.
AA :stator kalınlığını mm cinsinden
BB :stator yüksekliğini mm cinsinden
Stator yüksekliği arttıkça yüksek devirde güç artar.
Stator genişledikçe düşük devirde tork artar.
Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri
17
Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri
KV Değeri:
Hız sabitidir: RPM/Volt
Örnek: 2300KV bir motor için,3S bir pil kullanılmışsa :12,6V Maximum değerde
2300 × 12,6 = 28980 Devir/Dakika
Burada hesaplanan devir yüksüz (pervane yokken) elde edilecek olan devir sayısıdır. Pervane takıldığında bu devir düşecektir.
Yüksek KV’ li motorlar pervaneyi hızlı döndürecektir. Düşük KV’ li motorlar yüksek torküretir.Düşük KV’li motorlara büyük pervaneler, Yüksek KV’li motorlara küçük pervaneler tercih edilmelidir.
18
Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri
Gerilim ve Akım Değerleri:
İtki ile motora uygulanan gerilim doğrudan orantılıdır. Kalkışağırlığı arttıkça itki için gereken güç aratacaktır.
Seçilen pile bağlı olarak burada uygulayabileceğiniz gerilimsınırlıdır.O nedenle motorun çekeceği akım önem kazanmaktadır.Bunun sonucunda kullanılacak Elektronik Hız Kontrol devresinin(ESC) seçiminde akım değerleri önem kazanacaktır.
𝑃 = 𝐼. 𝑉
19
Elektronik Hız Kontrol Sistemi ESC
Düşük gerilimli PWM servo kontrol sinyali ESC tarafından yüksek gerilim ve akımda fırçasız motoru sürecek anahtarlamalı işaretlere dönüştürülür.
20
ESC Bağlantısı
• ESC Yüksek gerilimli bataryaya direkt bağlanmalıdır.
• Her motor için 1 ESC kullanılması gerekecektir.• Motor bağlantı uçlarının sırası motorun dönme
yönünü değiştirir.• Motor beklenenden farklı yöne hareket
ediyorsa önce bu bağlantılar kontrol edilmelidir.
• ESC kontrol sinyali servo kontrol sinyali ile aynıdır.
• Motor kontrolü için İHA kontrol bilgisayarından buna yönelik uygun sinyal üretilmelidir.
21
ESC Kontrol Sinyali
ESC kontrol sinyali için standart servomotorlara uygulanan PWM sinyali uygulanmalıdır.
1 mili saniye ile 2 mili saniye arasında darbe genişliği değiştirilerek ESC hız değeri ayarlanabilmektedir.
Uygulanan sinyalin frekansı 50Hz dir.
22
ESC Akım Değerleri ve Programlanması
Fırçasız motorlar ilk hareket aldıklarındaçalışma akımlarının 3 veya 4katı akımçekmektedir.Bu nedenle ESC seçiminde motorun çekeceğistandart akım yanı sıra motor pik akımıdüşünülerek ona uygun akım değerlerinisağlayacak ESC seçilmelidir. Aksi takdirde ilkhareket anında ESC transistörleri bu akımıkaldıramayarak yanacaktır.
ESC nin yüksek akımlarda çalışacağı düşünülerek ona uygun bir soğutucusuüzerinde olmalıdır. Bu soğutucunun da verimli soğutma yapabilmesi içinaraç üzerinde hava akımının yüksek olduğu yerlere yerleştirilmesigerekmektedir.
23
ESC Akım Değerleri ve Programlanması
ESC kumanda üzerinden verilen belli komut hareketleri ileprogramlama statüsüne geçirilebilir. Bazı ESC’ler teknik özelliklerinegöre USB bağlantısı ile direkt bilgisayar üzerindenprogramlanabilmektedir.
ESC programlanabilir yapıdadır. Bu özelliksayesinde ESC’nin gaz açıldığında düşüktork ile başlama (Yumuşak Başlatma),voltaj düştüğünde veya ESC fazlaısındığında motora giden akımı kesme,dinamik motor freni gibi özellikleriistediğiniz ayarlar ile yenidenprogramlanabilir.
24
LiPo Batarya
• İtki sisteminin talep ettiği enerjiyi sağlamak için itki sisteminin bileşenlerini destekleyecek şekilde batarya seçimi yapılmaktadır.
• Diğer derslerde piller ve alternatif enerji kaynakları daha detaylı anlatılacaktır.
• Burada bahsi geçen itki sistemleri bileşenleri için yaygın şekilde kullanılan Lityum Polimer LiPo bataryaları seçerken hangi kriterlere dikkat edilmesi gerektiğine kısaca değineceğiz.
25
LiPo Batarya
S Değeri (Seri Bağlı Hücre Sayısı):• Bir LiPo batarya hücresi 3.7V nominal değerli gerilime sahiptir. • Tam dolu bir hücre 4.2V değerine sahiptir. • Hiçbir hücre 3V altında gerilim değerine düşmemelidir. • Yaygın olarak 3S 11,1V veya 6S 22,2 nominal değerli piller İHA’larda
kullanılmaktadır. • ESC ve Motor gerilimlerinize bağlı olarak uygun S değerli bataryayı
seçebilirsiniz.
26
mAh Değeri (Batarya Akım/Saat Kapasitesi)• Bataryanın 1 saatte kaç miliamper akım sağlayabildiği bilgisini verir. • Bu değer bataryanızın direkt kapasitesini yansıtır. • Uçuş süreniz bu değere bağlı olarak sınırlanmaktadır.
Örnek:İHA’nız ortalama 20A akım çekiyorsa 5000mAh bir batarya (5 x 60)/20 = 15 dakika size enerji sağlayacaktır.
Hiçbir LiPo batarya %100 deşarj edilmemelidir. Bu nedenle hesaplanan süreden 2-3 dakika daha eksik sürede uçuş yapabileceğinizi düşünmelisiniz.
LiPo Batarya
27
Pilden anlık çekilebilecek akım (A)= C değeri x Pil akasitesi (A)Örnek:25C X 5A= 125A
• Örnekteki batarya ile anlık 125A akım sağlanabilmektedir. • Bunun üstünde akıma ihtiyaç duyan bir ESC kullanıyorsanız batarya bu
akımı veremeyecek, aşırı ısınma ve yanma riski oluşturacaktır.• Motorun pik akımı da düşünülerek ESC’nin %10 üstünde bir C değeri
seçilmelidir. • Piller genelde 1C veya 2C değerde akımlarla şarj edilmelidir. 5C üzerinde bir
akımla şarj etmek pilin patlamasına neden olacaktır.
C katsayısı (Deşarj Oranı)• Bataryanın ne kadar hızlı deşarj olabildiğini
gösteren katsayıdır.• Bataryanın kapasitesiyle birlikte
değerlendirildiğinde bir anlam ifade eder.• Bu katsayı doğru seçilmezse ESC ve
motorunuzun anlık olarak talep ettiği akımıbataryanız sağlayamaz ve aracınız istediğinizperformans değerine çıkamayacaktır.
LiPo Batarya
28
Son
30