Pozisyon İzleme Gözlemcisi ile Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Sensörsüz Alan Yönlendirmeli Kontrolü

Abstract

Günümüzde İnsansız Hava Araçları (İHA) savunmadan ulaşıma, endüstriye, lojistiğe ve daha birçok sektörde kullanım alanı bularak gittikçe yaygınlaşmaktadır. İHA'ların popülerliğinin artması bu araçlarda kullanılabilecek itki sistemleri üzerinde çalışmaların artmasına sebep olmuştur. Bu kapsamda itki sistemleri incelenmiş ve mini-İHA'larda kullanılabilecek itki sistemi alternatifleri genel manada karşılaştırılmıştır. Bunun sonucunda elektrikli itki sistemlerinin diğer itki sistemlerine göre verim, güç yoğunluğu ve az hacim kaplama gibi avantajlara sahip olmasından dolayı tercih edildiği görülmüştür.Mini- İHA'larda elektrikli itki sistemlerinin ana bileşenleri enerji depolama birimi (batarya), motor sürücüsü, motor ve pervanedir. Bu tez kapsamında 5 kg altı araçlarda kullanılabilecek bir itki sistemi için motor seçimi yapılarak bu motoru kontrol edecek motor sürücüsü ve kontrolör tasarımı yapılmıştır. Motor seçimi mini-İHA'lar için en çok kullanılan Fırçasız Doğru Akım Motor (FDAM)'larından yapılmıştır. Bu motoru kontrol edebilmek adına uygun sürücü donanımları seçilmiş ve Alan Yönlendirmeli Kontrol (AYK) algoritması uygulanmıştır. Bu yöntem daha az tork dalgalanması, daha az titreşim ve motoru daha verimli bölgede çalıştırmak gibi avantajlara sahip olduğundan dolayı seçilmiştir. Bu kontrol yönteminin MATLAB-Simulink ortamında benzetimleri oluşturulmuş ve Texas Instruments'a ait TMS320F28027 DSP'si kullanılarak gerçekleme yapılmıştır. Sonuçta AYK'nın performansının yüksek oranda rotor pozisyonuna bağlı olduğu görülmüştür. Bu tezde Kayan Mod Gözlemci (KMG) ve Pozisyon İzleme Gözlemcisi (PİG) olmak üzere iki çeşit sensörsüz rotor pozisyonu belirleme yöntemi kullanılmıştır. Bunlardan PİG yöntemi ile AYK kullanılarak FDAM daha geniş devir aralığında kontrol edilmiştir. Seçilen motorun hazır alınan motor sürücüsü ile karşılaştırmalı performans testi yapılmış ve daha yüksek performans elde edilmiştir.

The use of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are becoming increasingly widespread in many sectors such as defence, industry, and transportation. The popularity of the UAVs has led to a significant increase of the studies on Propulsion Systems (PS) as well. In this study, we first described the PS in general then examined the known propulsion technologies. It has been observed that the electrical PS's are the most preferred technology since they offer the highest overall efficiency, power density and smaller volume.The main components of the electrical PS consists of a battery, a propeller, a motor driver and a motor. In this thesis, we selected a brushless direct current (BLDC) motor since it is the most preferred motor type for mini-UAVs below 5 kgs. In addition, a motor driver to control this motor has been designed based on Field Oriented Control (FOC). This method has been chosen as it has the advantages like less torque ripple, less vibration and running motor in more efficient operation region. In this context, a simulation model based on the analytical derivations has been created in MATLAB-Simulink and the algorithm has been implemented in TMS320F28027 DSP by Texas Instruments. The results demonstrated that the performance of FOC is largely dependent on rotor position. In this thesis, two kinds of sensorless rotor position estimation techniques which are sliding mode observer (SMO) and position tracking observer (PTO) have been used. In conclusion, the BLDC motor has been controlled in a wider speed range using PTO with much superior performance.