2019 TÜBİTAK ULUSLARARASI İNSANSIZ HAVA ARACI YARIŞMASI İtki Sistemleri Döner Kanat Dr. Öğr. Üyesi Rıfat BENVENİSTE Danışma ve Değerlendirme Kurulu Üyesi Mart 2019 / Gebze, TÜSSİDE İçindekiler Giriş İtki Sistem Bileşenleri Pervane Elektrik Motorları Fırçasız DC Motorlar ESC LiPo Batarya Seçimi Örnek İtki Hesabı Faydalı Hesap Siteleri Sorular 2/32 Giriş • Hava araçlarında aracın havada kalması için gerekli taşıyıcılık sabit kanatlı araçlarda kanatlarda, döner kantlarda ise pervanelerde sağlanmaktadır. • Her iki yapıda da taşıyıcılığın sağlanabilmesi için bir itki kuvvetine ihtiyaç duyulmaktadır. • Hava taşıtlarında itki için çeşitli motor yapıları yer alsa da yarışmada elektrikli itki sistemlerinin kullanılması gerekliliğinden eğitimin geri kalanında İHA larda yaygın kullanılan elektrikli itki sistemleri anlatılacaktır. 3/32 İtki Sistemi Bileşenleri Pervane Motor Elektronik Hız Kontrol Ünitesi (ESC) 4/32 Döner Kanatlı Bir Hava Aracına Etkiyen Kuvvetler Fnet=F1+F2+F3+F4 F1 F2 F3 F4 Fnet=W Dengede Kalma (HOVER) Fnet>W Yükselme Fnet<W Alçalma F4+F3>F1+F2 İleri yunuslama (Pitch) F1+F2>F4+F3 Geri yunuslama (Pitch) F1+F4>F2+F3 Sağa Yuvarlanma (Roll) F2+F3>F1+F4 Sola Yuvarlanma (Roll) F1+F3>F2+F4 Sağa Yalpa (Yaw) F2+F4>F1+F3 Sola Yalpa (Yaw) W=Mg 5 /32 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. 6/32 Pervane Temel Pervane Yapısı 7/32 Pervane Pitch (Yunuslama) Değeri: Pervanenin bir turunda kat ettiği yol (inch) 8/32 Pervaneden Elde Edilecek İtki 𝜌𝑟 4 2 𝑇 = 𝑐𝑇 2 𝜔 𝜋 • 𝑐𝑇 : Pervane itki sabiti • 𝜌: Havanın yoğunluğu (Deniz seviyesinde 1,225 𝐾𝑔/𝑚3 ) • 𝑟: Pervane yarıçapı (m) • 𝜔: pervane açısal hızı (rad/s) 9/32 Pervane Seçimi Pervane seçimi toplam kalkış ağırlığı ve motor özellikleri birlikte değerlendirilerek yapılmalıdır. Örnek Parametreler 10/32 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. 11/32 Fırçalı Doğru Akım Elektrik Motoru Avantajları: • Basit sürücü devresi • Kullanım kolaylığı • Uygun fiyat Dezavantajları: • Bakım gereksinimi • Düşük verim • Yüksek EMC 12/32 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. 13/32 Fırçasız Doğru Akım Motoru (BLDC) Çalışma Prensibi 14/32 Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri • İtki Ağırlık Oranı (Thrust To Weight Ratio) İdeal olarak İHA havada (Hover durumu) yaklaşık yarı gazda kalabilmelidir. Diğer bir deyişle %50 İtki oranı ile İHA’yı havaya kaldırabilmeniz gerekir. Böylelikle kontrol ve rüzgarda stabil kalabilmek için yeterli itki kuvveti olacaktır. Örnek: 4Kg ağırlığında 4 motorlu bir döner kanatlı İHA toplamda 8Kg ağırlık kaldırabilecek itki kuvvetine sahip olmalıdır. Bu durumda her motorda 2Kg itki kuvveti oluşturacak şekilde motor ve pervane seçimi yapılmalıdır. 15/32 Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri Örnek Motor Verileri Gerilim • • • • • Pervane Ölçüleri Akım İtki Güç Verim Devir 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. 16/32 Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri • 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. 17/32 Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri KV Değeri: Hız sabitidir: RPM/Volt Örnek: 900KV bir motor için, 3S bir pil kullanılmışsa :12.6V Maximum değerde 900 × 12,6 = 11340 Devir/Dakika 2𝜋𝑥𝐾𝑣 𝜔𝑣 = 60 𝜔 = 𝜔𝑣 𝑥𝑉 rad/s 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 tork üretir. Düşük KV’li motorlara büyük pervaneler, Yüksek KV’li motorlara küçük pervaneler tercih edilmelidir. 18/32 Fırçasız Doğru Akım Motor Parametreleri Gerilim ve Akım Değerleri: 𝑃 = 𝐼. 𝑉 İtki ile motora uygulanan gerilim doğrudan orantılıdır. Kalkış ağırlığı arttıkça itki için gereken güç aratacaktır. Seçilen pile bağlı olarak burada uygulayabileceğiniz gerilim sınırlıdır. O nedenle motorun çekeceği akım önem kazanmaktadır. Bunun sonucunda kullanılacak Elektronik Hız Kontrol devresinin (ESC) seçiminde akım değerleri önem kazanacaktır. 19/32 Elektronik Hız Kontrol Sistemi ESC Düşük gerilimli PWM servo kontrol sinyali ESC tarafından yüksek gerilim ve akımda fırçasız motoru sürecek anahtarlamalı işaretlere dönüştürülür. 20/32 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. 21/32 ESC Kontrol Sinyali ESC kontrol sinyali için standart servo motorlara uygulanan PWM sinyali uygulanmalıdır. 1 mili saniye ile 2 mili saniye arasında darbe genişliği değiştirilerek ESC hız değeri ayarlanabilmektedir. Uygulanan sinyalin frekansı 50Hz dir. 22/32 ESC Akım Değerleri ve Programlanması Fırçasız motorlar ilk hareket aldıklarında çalışma akımlarının 3 veya 4katı akım çekmektedir. Bu nedenle ESC seçiminde motorun çekeceği standart akım yanı sıra motor pik akımı düşünülerek ona uygun akım değerlerini sağlayacak ESC seçilmelidir. Aksi takdirde ilk hareket anında ESC transistörleri bu akımı kaldıramayarak yanacaktır. ESC nin yüksek akımlarda çalışacağı düşünülerek ona uygun bir soğutucusu üzerinde olmalıdır. Bu soğutucunun da verimli soğutma yapabilmesi için araç üzerinde hava akımının yüksek olduğu yerlere yerleştirilmesi gerekmektedir. 23/32 ESC Akım Değerleri ve Programlanması ESC programlanabilir yapıdadır. Bu özellik sayesinde ESC’nin gaz açıldığında düşük tork ile başlama (Yumuşak Başlatma), voltaj düştüğünde veya ESC fazla ısındığında motora giden akımı kesme, dinamik motor freni gibi özellikleri istediğiniz ayarlar ile yeniden programlanabilir. ESC kumanda üzerinden verilen belli komut hareketleri ile programlama statüsüne geçirilebilir. Bazı ESC’ler teknik özelliklerine göre USB bağlantısı ile direkt bilgisayar üzerinden programlanabilmektedir. 24/32 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. 25/32 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. 26/32 LiPo Batarya 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. 27/32 LiPo Batarya 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 akımı bataryanız sağlayamaz ve aracınız istediğiniz performans değerine çıkamayacaktır. 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. 28/32 Örnek İtki Hesabı Motorun yarı güçte aracın Hover durumunda olmasını istiyoruz. Seçtiğimiz parametreler Araç ağırlığı=2Kg Kv=900 Pil 3s Pervane= 10x45 𝑌𝑎𝑟𝚤 𝑔üç𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑣𝑖𝑟 = 900 × 12,6/2 = 5670 Devir/Dakika https://www.apcprop.com/files/PER3_10x45MR.dat 29/32 İtki Hesabı Örnek 𝜔𝑣 = 2𝜋𝑥𝐾𝑣 60 𝜔 = 𝜔𝑣 𝑥𝑉 2𝜋𝑥900 = =94,2 60 12,6 = 94,2𝑥 =593,46 rad/s 2 10 inch = 0.254m pervane çapı. Yarıçap = 0.127m 𝜌𝑟 4 2 𝑇 = 𝑐𝑇 2 𝜔 𝜋 1,225𝑥0,1274 2 T = 0,1125 593,46 = 5,12𝑁 2 3.14 𝑚𝑔 2𝑥9,81 𝐹𝑔𝑒𝑟𝑒𝑘𝑒𝑛 = = = 4,905𝑁 4 4 30/32 İtki Hesabı İçin Faydalı Uygulama • https://www.ecalc.ch/ 31/32 Sorular? Teşekkürler… 32/32 TEŞEKKÜRLER 2019 TÜBİTAK ULUSLARARASI İNSANSIZ HAVA ARACI YARIŞMASI iha.tubitak.gov.tr iha@tubitak.gov.tr /32 2019 TÜBİTAK Uluslararası İHA Yarışması Eğitim Programı, 23-24 / 29-30 Mart 2019, Gebze
