Conceptual power conversion architecture for unmanned aerial vehicles utilizing BLDC motor as both starter and generator
BLDC motorun hem marş motoru hem de jeneratör olarak kullanıldığı insansız hava araçları için kavramsal güç dönüşüm mimarisi
- Tez No: 949423
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Günümüzde İnsansız Hava Araçları (İHA), savunma, lojistik, tarım, gözetim ve endüstriyel otomasyon gibi birçok alanda kritik bir rol oynamaktadır. Bu sistemlerin operasyonel başarımı, yüksek verimlilik, uzun menzil ve düşük ağırlık gibi performans kriterlerine doğrudan bağlıdır. Ancak mevcut güç sistemlerinde yaygın olarak kullanılan ayrı marş motoru ve generatör yapıları, sistemin toplam ağırlığını ve kablolama karmaşıklığını artırmakta ve enerji yönetiminde verimlilik kayıplarına yol açmaktadır. Bu geleneksel mimariler, entegrasyon zorlukları ve sınırlı enerji geri kazanım oranları gibi çeşitli teknik kısıtlamaları da beraberinde getirmektedir. Bu çalışma, söz konusu sınırlamaları aşmak amacıyla, Fırçasız Doğru Akım (FDA) motor tabanlı entegre bir güç sistemi mimarisi önermektedir. Geliştirilen yapı, FDA motorun hem marş motoru hem de generatör olarak çalışmasına olanak tanımakta ve böylece sistemin hem ağırlığını hem de bileşen karmaşıklığını azaltmaktadır. Bu çift işlevli sistemde, Dört Anahtarlı Düşürücü-Yükseltici Dönüştürücü (DADYD) ile Üç Fazlı Evirici bir araya getirilerek, çift yönlü enerji dönüşümü gerçekleştirilmekte ve farklı uçuş fazlarında dinamik enerji yönetimi sağlanmaktadır. DADYD, sistemin ihtiyaçlarına göreyükseltici veya düşürücümodlarında çalışarak, başlangıç fazında motora uygun gerilimi sağlar, generatör modunda ise üretilen enerjiyi düzenleyerek sistem gerilimine uyumlu hale getirir. Dört anahtarlı topoloji, klasik dönüştürücülere kıyasla daha düşük anahtarlama kayıpları ve daha az bileşen gereksinimi sunarak sistemin toplam verimliliğini ve güvenilirliğini artırmaktadır. Üç Fazlı Evirici ise, FDA motorun sürülmesini ve generatör modunda üretilen enerjinin doğrultulmasını sağlayan temel bileşendir. Başlatma aşamasında Doğru Akım (DA) kaynağından aldığı enerjiyi üç fazlı Alternatif Akıma (AA) dönüştürerek motoru tahrik ederken, generatör moduna geçildiğinde ise üretilen AA enerjiyi DA'ya çevirerek tekrar güç sistemine kazandırır. Darbe Genişlik Modülasyonu (DGM) tekniğiyle kontrol edilen evirici, motorun tork ve hız kontrolünü yüksek hassasiyetle gerçekleştirmektedir. Sistemdeki tüm geçişlerin kararlı ve verimli biçimde yönetilebilmesi için Oransal-İntegratör (Oİ) kontrol stratejisi uygulanmıştır. Bu denetim algoritması, dönüştürücü ve evirici üzerindeki kontrol sinyallerini dinamik olarak ayarlayarak, sistemin çeşitli uçuş koşullarında kararlı gerilim ve akım değerlerinde çalışmasını sağlar. Bu sayede mod geçişlerinde oluşabilecek gerilim düzensizliklerini önleyerek hem enerji sürekliliğini hem de sistem güvenliğini garanti altına alır. Önerilen entegre güç sistemi mimarisi, MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilen ayrıntılı benzetim çalışmalarıyla değerlendirilmiş; sistemin gerçek zamanlı kontrol başarımı, enerji verimliliği ve İHA uygulamaları için uygunluğu ortaya konulmuştur. Gerçekleştirilen benzetim çalışmaları, önerilen FDA motor tabanlı entegre starter generatör sisteminin hem marş hem de generatör modlarında kararlı ve yüksek verimle çalışabildiğini göstermiştir. Sistem, DADYD ve Üç Fazlı Evirici'nin entegre edilmesiyle çift yönlü enerji akışını kesintisiz şekilde gerçekleştirebilmektedir. Böylece enerji dönüşüm verimliliğini ve sistem istikrarını önemli ölçüde artırmaktadır. Uygulanan Oİ kontrol stratejisi sayesinde, mod geçişleri sırasında gerilim ve akım seviyeleri sabit tutulmakta, ani dalgalanmaların ve enerji kayıplarının önüne geçilmektedir. Önerilen sistemin geleneksel tek yönlü dönüştürücülere kıyasla yaklaşık %15 ila %20 oranında daha yüksek enerji geri kazanım oranı sunduğu gözlemlenmiştir. Bu iyileşme, DADYD'nin çift yönlü çalışma kabiliyeti sayesinde, uçuşun farklı evrelerinde üretilen enerjinin etkili bir şekilde güç kaynağına geri aktarılabilmesi sayesinde gerçekleşmektedir. Enerji geri kazanımındaki bu artış, uzun menzilli görevlerde enerji otonomisi açısından kritik bir avantaj sağlamaktadır. Sistemin en önemli katkılarından biri de toplam ağırlığın azaltılmasıdır. Marş motoru ve generatör işlevlerinin tek bir FDA motorunda birleştirilmesi sayesinde, geleneksel yapılarda yer alan iki ayrı elektromekanik birime olan ihtiyaç ortadan kaldırılmıştır. Bu entegrasyonun, donanım düzeyinde yapılacak uygulamalarla %30'a varan bir ağırlık azalması sağlaması beklenmektedir. Ağırlığın azaltılması, İHA'nın taşıma kapasitesini artırmakta, manevra kabiliyetini geliştirmekte ve genel operasyonel verimliliği desteklemektedir. Gelecekteki çalışmalar kapsamında, önerilen sistemin deneysel olarak doğrulanması hedeflenmektedir. Donanım düzeyinde gerçekleştirilecek uygulamalarla, çevresel faktörlerin (örneğin sıcaklık değişimleri, titreşimler, elektromanyetik parazitler) sistem performansı üzerindeki etkileri değerlendirilebilecek; böylece sistemin pratikteki uygulanabilirliği ortaya konulabilecektir. Ayrıca güç elektroniği alanında gelişmekte olan yarı iletken teknolojileri (örneğin, Galyum Nitritve Silisyum Karbür), daha düşük anahtarlama kayıpları, yüksek güç yoğunluğu ve termal performans gibi avantajlarıyla sistem verimliliğini daha da artırma potansiyeline sahiptir. Bu malzemeler, geleneksel silikon tabanlı yarı iletkenlere kıyasla üstün elektriksel ve termal özellikler sundukları için, yüksek performanslı İHA güç sistemlerinde ideal bir çözüm olarak değerlendirilmektedir. Bu çalışmada yalnızca sistem mimarisi geliştirilmekle kalınmamış, aynı zamanda sistemin enerji verimliliği, hacim ve maliyet parametreleri açısından performansının en üst düzeye çıkarılması amacıyla çok kriterli optimizasyon yaklaşımı da uygulanmıştır. Geliştirilen FDA tabanlı entegre starter generatör sisteminin donanımsal bileşenlerinin (yarı iletken güç elemanları, endüktör, kapasitör ve soğutucu) seçimi, sistemin toplam güç kaybı, hacmi ve birim maliyeti göz önünde bulundurularak optimize edilmiştir. Bu kapsamda, Parçacık Sürü Optimizasyonu(PSO) algoritması kullanılarak, her bir bileşenin veritabanı üzerinden parametrik taraması gerçekleştirilmiş ve sistemin toplam performansını etkileyen çok sayıda tasarım değişkeni denetlenmiştir. Optimizasyon sürecinde kullanılan amaç fonksiyonu, üç temel kriteri dikkate alacak şekilde tanımlanmıştır. Bunlardan ilki sistemdeki toplam güç kaybı (iletim, anahtarlama, çekirdek, eşdeğer seri direnç ve kapı kayıpları dahil), ikincisi sistemin toplam hacmi (yarı iletken güç elemanları, manyetik elemanlar ve soğutucular dahil) ve son olarak toplam maliyetidir (birim fiyatlara dayalı). Bu çok amaçlı fonksiyon, ağırlıklı birleştirme yöntemiyle tekil bir hedef fonksiyon hâline getirilmiş ve farklı ağırlık senaryoları değerlendirilerek sistemin görev koşullarına uygun en optimal yapı belirlenmiştir. Simülasyon ve optimizasyon çıktıları, önerilen sistemin yalnızca entegre yapısıyla değil, aynı zamanda seçilen bileşenlerin hassasiyetle belirlenmesi sayesinde de yüksek performanslı çalıştığını göstermiştir. Sonuç olarak, bu çalışma ile önerilen FDA motor tabanlı entegre güç sistemi mimarisi, hem enerji dönüşüm verimliliği hem de yapısal iyileştirme açısından önemli avantajlar sunmakta olup, yeni nesil İHA tasarımlarında enerji yönetimi alanında önemli bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Bununla birlikte de optimizasyon tabanlı bu bütünsel yaklaşım, entegre güç sistemi mimarisinin sadece yapısal ve işlevsel değil, aynı zamanda sayısal olarak da ideal koşullarda çalışmasını sağlamıştır. Bu sayede sistem, farklı uçuş fazlarında değişken güç taleplerine uyum sağlayabilen, yüksek verimli ve kompakt bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Optimizasyon yaklaşımı, önerilen mimarinin gelecekte farklı İHA platformlarına, daha büyük güç seviyelerine ve hibrit elektrikli sistemlere ölçeklenmesini kolaylaştıracak güçlü bir araç olarak değerlendirilmektedir.
Özet (Çeviri)
Today, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) play a critical role in a wide range of fields, including defense, logistics, agriculture, surveillance, and industrial automation. The operational performance of these systems is directly dependent on factors such as high efficiency, extended flight range, and low overall weight. However, traditional power system architectures commonly employ separate starter motors and generators, which increase the total system weight, add wiring complexity, and lead to inefficiencies in energy management. These conventional configurations also present technical limitations, such as integration difficulties and limited energy recovery capabilities. To address these challenges, this study proposes an integrated power system architecture based on a Brushless Direct Current (BLDC) motor. In the proposed configuration, the BLDC motor functions as both a starter and a generator, effectively reducing overall system weight and component complexity. The system combines a Four-Switch Buck-Boost Converter (FSBBC) and a Three-Phase Inverter to enable bidirectional energy transfer and dynamic power management across various UAV flight phases. The FSBBC operates in either step-up (boost) or step-down (buck) mode depending on system requirements. During the start-up phase, it supplies sufficient voltage to the BLDC motor, while in generator mode, it regulates the generated energy to match the system voltage. Compared to conventional converter topologies, the four-switch configuration reduces switching losses and the number of components, thereby enhancing overall system efficiency and reliability. The Three-Phase Inverter is another critical component, responsible for both driving the BLDC motor and rectifying the energy produced in generator mode. During startup, the inverter converts Direct Current (DC) power into three-phase Alternative Current (AC) to drive the motor; in generator mode, it performs the inverse function by converting the generated AC power back into DC. Controlled by Pulse Width Modulation (PWM), the inverter enables precise torque and speed control of the motor. To ensure stable and efficient operation during mode transitions, a Proportional-Integral (PI) control strategy is implemented. This control algorithm dynamically adjusts switching signals for the converter and inverter, allowing the system to maintain stable voltage and current levels under varying flight conditions. The PI controller also helps prevent voltage irregularities during mode changes, thereby maintaining energy continuity and system safety. The proposed integrated power system architecture was evaluated through detailed simulations conducted in MATLAB/Simulink. The results confirmed the real-time control performance, energy efficiency, and suitability of the system for UAV applications. Simulations demonstrated that the BLDC-based integrated starter generator system can operate reliably in both modes, delivering high conversion efficiency and uninterrupted bidirectional power flow. The PI controller effectively stabilized voltage and current during transitions, minimizing sudden disturbances and energy losses. The system was observed to achieve approximately 15–20% higher energy recovery compared to traditional unidirectional power converters. This improvement is attributed to the FSBBC's bidirectional operation, which enables efficient energy feedback to the power system during various flight phases. Enhanced energy recovery is especially beneficial for long-endurance missions, improving overall energy autonomy. A key advantage of the proposed system is the reduction in total weight. By integrating the starter and generator functions into a single BLDC motor, the need for two separate electromechanical units is eliminated. This architectural simplification is expected to yield up to a 30% reduction in weight, based on future hardware implementations. Reduced weight translates directly into increased payload capacity, improved maneuverability, and enhanced overall system performance for UAVs. In future work, the proposed system will be experimentally validated. Through hardware implementation, the impact of real-world environmental factorssuch as temperature variations, vibrations, and electromagnetic interferenceon system performance will be assessed. Additionally, emerging semiconductor technologies in power electronics, such as Gallium Nitride (GaN) and Silicon Carbide (SiC) MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistors(MOSFET), offer the potential to further improve power conversion efficiency, power density, and thermal performance. These materials exhibit superior electrical and thermal characteristics compared to traditional silicon-based MOSFETs, making them highly suitable for high-performance UAV power systems. In this study, not only was the system architecture developed, but a multicriteria optimization approach was also applied to maximize the system's performance in terms of energy efficiency, volume, and cost parameters. The selection of the hardware components of the developed BLDCbased integrated starter generator system including power semiconductors, inductor, capacitor, and heatsink was optimized by considering the system's total power loss, total volume, and unit cost. In this context, a Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm was employed to perform a parametric search over each component's database, allowing the evaluation of numerous design variables that affect overall system performance. The objective function used in the optimization process is defined to take into account three basic criteria. The first of these is the total power loss in the system (including conduction, switching, core, equivalent series resistance and gate losses), the second is the total volume of the system (including semiconductor power elements, magnetic elements and coolers) and finally the total cost (based on unit prices). This multi-objective function was transformed into a single objective function by the weighted combination method and the most optimal structure suitable for the system's mission conditions was determined by evaluating different weight scenarios. Simulation and optimization outputs showed that the proposed system operates with high performance not only with its integrated structure but also thanks to the precision determination of the selected components. As a result, the BLDC enginebased integrated power system architecture proposed in this study offers significant advantages in terms of both energy conversion efficiency and structural improvement, and stands out as an important alternative in the field of energy management in new generation UAV designs. In addition, this holistic approach based on optimization ensured that the integrated power system architecture operates in ideal conditions not only structurally and functionally, but also numerically. In this way, the system stands out as a highly efficient and compact solution that can adapt to variable power demands in different flight phases. The optimization approach is considered as a powerful tool that will facilitate the scaling of the proposed architecture to different UAV platforms, larger power levels and hybrid electric systems in the future.
Benzer Tezler
- Mimarlık-doğa etkileşimine 'kendiliğindenlik' kavramı üzerinden bir yaklaşım önerisi
An approach for the interaction of architecture-nature over the term 'spontaneity'
ÖZLEM BAHADIR
Doktora
Türkçe
2013
MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DENİZ İNCEDAYI
- Mimarlık ve algılama: Özne-nesne diyalektiğine analitik bir yaklaşım
Architecture and perception; An analytical approach to the dialectics of subject-object
UMUT ALBAL
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEMRA AYDINLI
- Erken klasik dönem Osmanlı kroniklerinde Ayasofya anlatısının tarihsel değişimi
Narrating hagia sophia: The historical evolution of its representation in early classical Ottoman chronicles
SEDAT AKDOĞMUŞ
- Zamanın ve mekânın genişlemiş alanında bir kültürteknik: paralel projeksiyon
A cultural technique in the expanded field of time and space: parallel projection
MELEK KILINÇ
Doktora
Türkçe
2021
MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET TERCAN
- Antik dönemden 21. yüzyıla kent ütopyaları: Mekansal organizasyon ve tasarım pratikleri
Urban utopias from the ancient period to the 21st century: Spatial organisation and design practices
S. BEGÜM ÇİÇEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiKentsel Tasarım Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSMAİL EREN KÜRKÇÜOĞLU