İnsansız hava araçları için fırçasız doğru akım motor sürücü tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of a brushless DC motor driver for unmanned aerial vehicles
- Tez No: 981770
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MÜCAHİT SOYASLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, fırçasız doğru akım (BLDC) motorlarının güvenilir, verimli ve tekrarlanabilir şekilde sürülmesi amacıyla, ATtiny1616 mikrodenetleyicisi ve FD6288Q üç faz MOSFET sürücü entegresi temel alınarak donanım ile gömülü yazılımı bütünleşik bir elektronik hız kontrol cihazı (ESC) tasarlanmış ve prototip düzeyinde uygulanmıştır. Çalışma, 8–16 V (2–4S Li-Po) besleme aralığında çalışan, sensörsüz BEMF-ZCD tabanlı 6-adımlı (trapezoidal) komütasyon yöntemini kullanan ve yaklaşık 15–20 A sürekli (kısa süreli 35–40 A tepe) akım kapasitesi hedeflenen bir ESC mimarisi sunmaktadır. Tasarım hedefleri; düşük güç tüketimi, kompakt fiziksel boyut, güvenilir komütasyon zamanlaması ve özellikle insansız hava aracı (İHA) sınıfı tahrik gereksinimlerine uyumluluk olarak belirlenmiştir.Güç elektroniği katmanında üç fazlı yarım köprü topolojisi esas alınmış; MOSFET seçimi, bootstrap sürücü yapısı, dead-time yönetimi, iletim direnci ve ısıl yayılım gibi parametreler dikkate alınarak devre kurgulanmıştır. Tasarlanan dört katmanlı baskılı devre kartında (PCB), yüksek akım döngülerinin kısaltılması, güç ve toprak düzlemlerinin ayrılması, gate sürüş yollarının kompakt tutulması ve BEMF algılama hattının gürültülü güç bölgesinden izole edilmesi hedeflenmiştir. Yazılım tarafında ATtiny1616 mikrodenetleyicisinin zamanlayıcıları, analog karşılaştırıcısı ve olay yönlendirme birimleri birlikte kullanılarak üç fazlı PWM üretimi, komütasyon adımlarının güncellenmesi ve sıfır geçiş (Zero Crossing Detection, ZCD) anlarının yakalanması CPU yükü en aza indirilecek şekilde gerçekleştirilmiştir. Zıt elektromotor kuvveti (BEMF) işareti boştaki fazdan izlenmiş, bu sinyalin sıfır geçiş anları rotor konumuna karşılık gelecek şekilde yorumlanmış ve böylece rotor konumu haricî Hall sensörlerine ihtiyaç duyulmadan tahmin edilmiştir. Deneysel değerlendirme kapsamında Prototip-I üzerinde faz gerilimleri, komütasyon dizileri ve boştaki fazdan gözlenen BEMF dalga şekilleri incelenmiş; orta ve yüksek hız bölgelerinde trapezoidal BEMF formunun kararlı şekilde üretilebildiği, ZCD tabanlı tetiklemenin doğru faz geçişlerini güvenilir biçimde başlattığı görülmüştür. Çalışma genel olarak, küçük boyut, düşük maliyet ve uygulamaya özel uyarlanabilirlik gerektiren insansız hava araçları ve hafif robotik tahrik sistemleri için ölçeklenebilir ve geliştirilmeye açık bir ESC altyapısı ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, an integrated electronic speed controller (ESC) combining both hardware and embedded software has been designed and implemented at the prototype level to enable the reliable, efficient, and repeatable operation of brushless direct current (BLDC) motors. The proposed system is based on the ATtiny1616 microcontroller and the FD6288Q three-phase MOSFET gate driver. The ESC is designed to operate within an 8–16 V supply range (corresponding to 2–4S Li-Po batteries), employing a sensorless back-EMF zero-crossing detection (BEMF-ZCD) method with six-step (trapezoidal) commutation. It targets a continuous current capability of approximately 15–20 A, with short-term peak currents reaching 35–40 A. The design objectives include low power consumption, compact physical dimensions, reliable commutation timing, and compatibility with the propulsion requirements of small unmanned aerial vehicles (UAVs). On the power electronics side, the architecture adopts a three-phase half-bridge topology. The circuit was developed with careful consideration of MOSFET selection, bootstrap driver configuration, dead-time management, conduction losses, and thermal dissipation. In the four-layer printed circuit board (PCB) designed for this system, particular emphasis was placed on minimizing high current loop lengths, separating power and ground planes, keeping gate drive paths compact, and isolating the BEMF sensing line from the noisy power region. On the embedded control side, the ATtiny1616 microcontroller's timers, analog comparator, and event routing modules are utilized in coordination to generate three-phase PWM signals, update commutation steps, and detect zero-crossing (ZCD) instants with minimal CPU overhead. The back electromotive force (BEMF) signal is sensed from the non-driven (floating) phase, and its zero-crossing points are interpreted as indicators of rotor position, enabling sensorless rotor position estimation without external Hall sensors. Experimental evaluation conducted on Prototype-I included the measurement of phase voltages, commutation sequences, and BEMF waveforms from the floating phase. The results show that a stable trapezoidal BEMF waveform can be obtained in medium and high-speed regions, and that ZCD-based triggering reliably initiates phase commutation events at the correct instants. Overall, this study presents a compact, cost-effective, and adaptable ESC platform that can be further developed and scaled for use in lightweight UAVs and low-power robotic drive systems.
Benzer Tezler
- Pozisyon İzleme Gözlemcisi ile Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Sensörsüz Alan Yönlendirmeli Kontrolü
Sensorless Field Oriented Control of BLDC Motors Based On Position Tracking Observer
ALİ CANPOLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BÜNYAMİN TAMYÜREK
- A practical implementation of navigation and obstacle avoidance for quadcopters
Dört pervaneli helikopterler için bir engelden kaçınma ve seyrüsefer uygulaması
ONUR YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA
- Mikromobilitede otonom dengeleme için jiroskopik stabilizasyon modülü tasarımı ve kontrolü
Design and control of gyroscopic stabilization module for self-balancing on micromobility
ÜLKER BETÜL YAVUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mekatronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GAZİ AKGÜN
- Mini insansız hava araçları için bir fırçasız motor test sistemi geliştirilmesi
Development of a brushless motor test system for mini unmanned air vehicles
EZGİ ÇAKICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN DINDIŞ
- Fırçasız doğru akım motorunun (BLDC) yüksek hızlarda performansının incelenmesi
Investigation of the performance of a brushless direct current motor at high speeds
MUSTAFA ABDULHADI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErzincan Binali Yıldırım ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YUNUS BABACAN