Drone için Motor, ESC ve Batarya Seçimi Nasıl Yapılır?|
ElektrikPort Akademi

Önceki iki yazımızda dronlarda kullanılan uçuş kontrol kartlarının nasıl seçileceğini anlatmıştık. Bu yazımızda ise drone için motor, ESC ve batarya seçimi konularını tüm ayrıntılarıyla işleyeceğiz.

A- A+

26.12.2018 tarihli yazı 45516 kez okunmuştur.

Kullanılan motorların, multikopterin destekleyebileceği yük (maksimum yük) ve uçuş süresi üzerinde büyük etkisi olacaktır. Motorlar aynı marka ve modelden ve aynı seriden olsa bile, hızlarında küçük değişiklikler olabilmektedir. Bundan dolayı multikopterin her kanadında aynı motoru kullanmanızı öneririz. Bu tür araçlar DC bir pil yardımıyla beslendikleri için bu araçlarda DC motorlar kullanılır.

Fırçalı DC Motor

Fırçalı DC motorlarda, kaynaktaki akımı endüviye aktarmak fırçalar kullanır. Fırçalı DC motorun farklı çeşitleri vardır, ancak robotikte sabit mıknatıslı DC motorlar kullanılır. Bu motorlar, yüksek tork-atalet oranlarıyla bilinirler. Fırçalı DC motorların tork değeri, nominal torkun 3-4 katına kadar çıkabilmektedir. Bu tip motorlar doğrudan mil çıkışına sahip olabildikleri gibi, üzerlerinde redüktör de bulundurabilirler. Redüktörün kullanım amacı, genellikle motorun devir hızını azaltarak daha yüksek tork elde etmektir. Tam tersi şekilde çalışan, dişli sistemleri de bulunmaktadır. Fırçalı DC motorların hız ve yön kontrolü motora uygulanan gerilimle çok kolay bir biçimde yapılır. Bundan dolayı bu motorlar hobi devrelerinde sıkça kullanılır. DC motorları mikrodenetleyici ile sürmek için düşük fiyata sahip sürücü entegreler bulunmaktadır. Fırçalı motorların en büyük dezavantajı sürekli şafta sürtünen fırçaların aşınmasıdır. Bu sürtünme sonucunda ısı ortaya çıktığından fırçalı motorların verimleri fırçasız motorlara göre daha düşüktür. RC araçlarda ve bazı robotik uygulamalarda kullanılmasına rağmen dronlarda fırçalı DC motorlar tercih edilmez.

►İlginizi Çekebilir: Robotlarda Kullanılan Motor Tipleri

Fırçasız DC Motor

Fırçasız motorlarda fırça ve kollektör bulunmaz. Fırçasız motorun yapısı, fırçalı motorun tam tersi şeklinde düşünülebilir. Burada, mıknatıslar motorun milinde bulunur ve sargılar sabittir. Fırçasız motorlarda motor içindeki sarımların farklı fazlarına bağlanan 3 adet bağlantı bulunmaktadır. Farklı fazlara sırasıyla elektrik akımı verilerek, rotor içindeki mıknatıslarda ters şekilde bir manyetik alan oluşturulur ve bu sayede motor döner. Fırçalı motorların aksine, bobinlere gerilim uygulamak için fırça ve kollektöre ihtiyaç duymaz. Bu sayede, sürtünmeye bağlı verim kaybı daha azdır. Fırçasız DC motorlar, rotor çeşitlerine göre inrunner ve outrunner olarak ikiye ayrılırlar. Ayrıca bunların hibrit yapıda bir çeşidi daha bulunmaktadır. Inrunner tipi motorlarda rotor, motorun iç kısmında bulunur. RC model araçlarda yüksek KV(gerilim başına devir sayısı) değerinden dolayı inrunner tipteki fırçasız motorlar tercih edilir. Outrunner tipi motorlarda ise sarımlar motorun iç kısmında yer alırken, rotor dış kısımdadır. Model uçak, helikopter ve dronlarda yüksek torka sahip olan outrunner tip fırçasız motorlar tercih edilir. Fırçasız motorlar, doğrudan gerilim uygulanarak veya basit sürücü devreleri kullanılarak kontrol edilemez. Yapacağınız multikopterde fırçasız motorları kontrol edebilmek için mutlaka bir sürücü kullanmalısınız. Bu sürücü devresi kısaca ESC(electronic speed control) olarak adlandırılır. Farklı büyüklükteki ve tipteki motorların akım ve gerilim değerleri değişiklik göstereceğinden, farklı akım ve gerilim değerlerine göre farklı ESC’ler mevcuttur.

►İlginizi Çekebilir: DC Motorlar Nasıl Çalışır?

Burada özel olarak değinilmesi gereken bir konu daha mevcuttur. Dronlarda itki yapısını oluşturan motorları, önerilen çapta ve yapıda pervaneler ile kullanmalısınız. Drone için motor-pervane uyumunu sağlayamazsanız düzgün ve verimli bir uçuş gerçekleştiremezsiniz. Pervaneler, itmeyi dönerek ve havayı hareket ettirerek sağlar. Daha hızlı döndüğünde, daha çok havayı hareket ettirmiş olur. Sonuç olarak, daha fazla itme üretilmiş olur. Pervanenin hatvesini(1 tam turda aldığı yol) ve uzunluğunu arttırarak, daha fazla itme elde edebiliriz fakat bu aynı zamanda yüksek akım çekilmesi demektir. Daha fazla hava itilecek fakat motoru döndürmek için daha fazla enerjiye ihtiyaç duyulacaktır. Bu nedenle, drone için yüksek devirli motor tercih ettiğinizde küçük pervane, düşük devirli motor tercih ettiğinizde ise büyük pervane kullanmalısınız. Yüksek devir-küçük pervane ile motor dönmek için kendini zorlamaz ve dönerken düşük akım çeker. Düşük devir-büyük pervane ile daha küçük ataletli ve stabil bir uçuş sağlanır. Bunun yanında dronlarda 2 tip pervane kullanılır:

► Saat yönünde dönen pervane (clockwise)

► Saat yönünün tersinde dönen pervane(counter clockwise)

Bu 2 tip pervaninin kullanılma nedeni, multikopterin gövde üzerinde oluşturmuş olduğu anti tork etkisini yok etmektir.

Motor ve pervane seçimimizi drone ağırlığımızı belirledikten sonra yapmamız gerektiğini unutmamalıyız. Örnek olarak, quadcopter için kullanılacak 4 adet motor ve pervane eşlerinin toplam 2kg’lik bir itme sağlayabileceğini düşünelim.(Motorun veri sayfasında itme kuvveti bilgisi yer alır.) Tüm quadcopter sisteminin ağırlığı bu itme kuvvetinin yarısından daha az olmalıdır.(maksimum 1kg - motor ağırlığını da dahil etmeyi unutmayın.)

Motorların veri sayfasında genellikle “KV” adlı bir değer mevcuttur. Bu değer motorun gerilim başına devir sayısını ifade eder. Devir sayısı ve KV değeri birbiriyle doğru orantılıdır. Aralarındaki farkı aşağıdaki örnekle açıkladık.

KV değeri = 500rpm / V

Gerilim = 11,1V ise devir sayısı 11,1 x 500 = 5550rpm'dir.

Gerilim değeri 11,1V yerine 7.4V olsaydı devir sayısı 3700rpm’e düşecek ve motorun çektiği akım artacaktı.

ESC(Electronic Speed Control)

ESC’ler bataryadan aldıkları elektrik enerjisini, alıcıdan aldığı sinyal ile sürerek motorlara ileten ve motor devrini kontrol eden hız kontrolcüleridir. Yani, ESC motora hangi hızla dönmesi gerektiğini söyleyen devredir. Motor fazla akım çektiğinde motorun zarar görmemesi için akımı keserek motoru durdurur. Pil belli bir voltajın altına düştüğünde motor akımını keserek pil yüzdesinin tehlikeli sınırın altına düşmesini önler. ESC seçilirken en önemli husus ESC’nin akım değeridir. ESC motorların çekeceği maksimum akımı verebilmeli ve doğru gerilim değerini sağlamalıdır. Bundan dolayı ESC seçiminde motorların çekeceği maksimum akım dikkate alınır ve bu akımdan daha yüksek amper değeri sağlayan bir ESC seçilir. Örneğin, motor 20 saniye boyunca 25A akım çekmeye dayanıyorsa ESC’yi 30A seçmek yeterli olacaktır. ESC’lerin birbiriyle özdeş olması multikopterin dengesi açısından çok önemlidir.

►İlginizi Çekebilir: Drone Uçuş Kontrol Kartı Seçimi Nasıl Yapılır?

Bazı ESC'lerin üzerinde bir de batarya ayırma devresi (BEC) bulunur. BEC’ler uzaktan kumandalı modellerdeki elektronik cihazların (servo, alıcı, gyro gibi) ihtiyacı olan gerilim ve akımı sağlar. Yüksek akımlı ESC'lerde çoğunlukla BEC dahili olarak bulunmaz. Eğer ESC'de BEC bulunmuyorsa alıcıyı ikinci bir batarya ile beslemek gerekir. İkinci bataryanın ağırlığı istenmiyorsa, ESC'ye paralel bağlı bir harici BEC devresi kullanılabilir. Eski tipte BEC devreleri fazla voltajı ısı enerjisine çeviriyor bu da verim kaybına neden oluyordu. Yeni tip BEC’ler eskilerine göre çok daha verimlidirler. Bunlara UBEC (Ultimate Battery Eliminator Circuit) adı verilmektedir. Ayrıca BEC’ler çok güç ihtiyacı olan durumlarda çok ısınırlar ve soğutucu ile birlikte kullanılmaları gerekir. Soğutucunun kullanılması multikopterde fazladan ağırlığa neden olur.

BEC ve UBEC arasındaki farkı bir örnekle anlatmak gerekirse:

BEC: 11,1V gerilimli bir pilimiz olduğunu ve elektronik parçaların beslenmesi için 5V, 1,5A e ihtiyacımız olduğunu düşünelim. Bu durumda BEC çıkışta ihtiyaç olan 5 x 1,5 = 7,5W güç için pilden 1,5 x 11,1 = 16,65 W güç çeker. Aradaki 16,65 –7,5 = 9,15 W güç ısıya dönüştürülür.

UBEC: Çıkışta ihtiyaç olan güç 7,5 W için pilden 0,675 A akım çeker ve 0,675 x 11,1 = 7,5 W çıkış gücünü sağlar. Bu nedenle BEC yerine UBEC kullanmanız pilin ömrünü arttıracaktır.

Batarya

Yüksek rpm sebebiyle fırçasız motorlar yüksek akım veren ve yüksek kapasiteye sahip pillere ihtiyaç duymaktadırlar. Li-po (lityum-polimer) piller yüksek akım ve yüksek kapasite ihtiyacını en yüksek verimde ve en hafif şekilde karşılayan besleme kaynaklarıdır. Pilin kapasitesini arttırarak uçuş süresini arttırmak isteyebiliriz fakat pil kapasitesiyle ağırlığı da doğru orantılı olarak artacağı için kapasite ve ağırlığın optimum noktasını bulmak gerekir. Li-po’lar birden fazla hücreden oluşabilmektedirler. Her bir hücre yaklaşık olarak 3,7V değerindedir.

1S = 1 hücre = 3,7V

2S = 2 hücre = 7,4V

3S = 3 hücre = 11,1V

4S = 4 hücre = 14,8V

5S = 5 hücre = 18,5V

6S = 6 hücre = 22,2V

Pilin gerilimi motorun özelliklerine göre ve istenilen devir sayısına göre ayarlanır. Gerilim motorların hızını doğrudan etkiler. Motorlar ve ESC’nin desteklediği maksimum gerilim(hücre sayısı) seçilmelidir. Genellikle tercih edilen 11,1V (3S - 3 hücreli) li-polardır.

►İlginizi Çekebilir: Lipo Piller ve Özellikleri

Deşarj Oranı

Pilde dikkat edilmesi gereken diğer bir değer C değeridir. Lipoların üzerinde 10C, 20C, 25C gibi değerler vardır. Bu C değeri pilin akımı ile çarpıldığında li-ponun anlık olarak verebileceği akım değeri ortaya çıkar. Örneğin, 1800mAh ve 20C değerlerine sahip bir li-ponun maksimum anlık akım kapasitesi = 180 x 20 = 36000 mA =36 A’dır. Motor maksimum 25 A çekiyor ve 30 A’lık bir ESC seçilmişse bu pil 36A vererek uçuş sırasında ısınmadan yeterli beslemeyi sağlayacaktır. ESC ve motor maksimum akımından daha düşük C değerli lipolar kullanılır ise pil ısınır, yıpranır ve çabuk bozulur.

Li-po Şarj Tipleri

► Balanslı şarj: Şarj aleti tüm hücreleri aynı seviyeye getirerek şarj eder.

► Direk şarj (hızlı şarj): Hücrelerin denge durumunu dikkate almadan tüm hücreleri şarj eder. Sürekli direk şarjın kullanılması tavsiye edilmez.

► Storage şarj: Tüm hücreleri ayrı ayrı şarj eder.

► Deşarj: Pilleri güvenli ve dengeli şekilde boşaltmaya yarar.

►İlginizi Çekebilir: Geleceğin Pil Teknolojisi: Karbon Nanotüp Film

Li-po Güvenlik Önlemleri

► Yanmaz ve güvenli bir kabın içinde şarj etmelisiniz.

► Ahşap veya yanıcı bir zeminde şarj etmeyin.

► Direk güneş ışığında veya nemli ortamda bırakmayın ve bu ortamlarda şarj etmeyin.

► Taşıma sırasında iyi saklayın ve mümkünse kendine özel kabında taşıma yapın.

Kaynak:

► Robotshop

► Buildyourowndrone

1.Bölüme Ulaşmak için Tıklayın