TURKSAT 3USAT KÜP UYDUSU İÇİN ELEKTRİK GÜÇ SİSTEMİ TASARLANMASI

IV. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI 12-14 Eylül 2012, Hava Harp Okulu, İstanbul TURKSAT 3USAT KÜP UYDUSU İÇİN ELEKTRİK GÜÇ SİSTEMİ TASARLANMASI Mehmet Ertan Ümit 1, Mustafa Erdem Baş 2, İsa Eray Akyol 3,Mehmet Şevket Uludağ 4, Ahmet Berkant Ecevit 5, Prof.Dr.Alim Rüstem Aslan 6 İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul Özet TÜRKSAT 3USAT uydusu, İstanbul Teknik Üniversitesi öğrencileri tarafından TÜRKSAT için geliştirilen ve Türkiye nin ilk yerli haberleşme uydusu olma özelliğini taşıyan bir 3U küp uydudur. Uydunun alt sistemlerinin çalışabilmesi için gerekli elektrik enerjisinin karşılanması amacıyla İTÜ Uzay Sistemleri Tasarım ve Test Laboratuarı (USTTL) bünyesinde Elektrik Güç Sistemi (EGS)tasarlanmıştır. Bu bildiride tasarım sürecinde yapılan çalışmalar ve üretilen deneme sistemlerinin sonuçları hakkında detaylı bilgi verilecektir. GİRİŞ TURKSAT 3USAT uydusunda haberleşme sistemi(hbs), elektrik güç sistemi(egs), yönelim belirleme kontrol sistemi(ybks), uydu bilgisayarı ve yörünge düşürme sistemi(yds) olmak üzere yedekleriyle birlikte 5 temel sistem bulunmaktadır. Bu temel sistemler dışında uydu üzerinde güneş panelleri, algılayıcılar, görüntüleme sistemi, anten açılma sistemi, süper kapasiteler gibi alt birimler bulunmaktadır. TURKSAT3USAT uydusunun yapım amacı sadece yerli bir haberleşme uydusuna sahip olmak değil aynı zamanda uydu içerisinde ulusal imkânlar çerçevesinde geliştirilen sistemlerin uzay ortamında çalışıp çalışmadığının denemesi, ileride yapılacak çalışmalar için örnek teşkil etmesi ve belli bir bilgi birikiminin ve pratiğin oluşmasını sağlamaktır. 1 Doktora Öğrencisi, Uzay Sistemleri Tasarım ve Test Laboratuvarı, E-posta: umitm@itu.edu.tr 2 Lisans Öğrencisi, Uzay Sistemleri Tasarım ve Test Laboratuvarı, E-posta: erdem.bas@itu.edu.tr 3 Lisans Öğrencisi, Uzay Sistemleri Tasarım ve Test Laboratuvarı, E-posta: akyoli@itu.edu.tr 4 Lisans Öğrencisi, Uzay Sistemleri Tasarım ve Test Laboratuvarı, E-posta: uludagm@itu.edu.tr 5 Lisans Öğrencisi, Uzay Sistemleri Tasarım ve Test Laboratuvarı, E-posta: ecevita@itu.edu.tr 6 Profesör Doktor, Uzay Mühendisliği Bölüm Başkanı E-posta: aslanr@itu.edu.tr

Communicatio n Ümit, Baş, Akyol, Uludağ, Ecevit, Aslan Power Bus 3.3V/5V/Fl Pumpkin FM430 (Master) MSP430F1611 I 2 C ITU Uçbil (Slave) 2xMSP430F5438 2x I 2 C, SPI OB C Clyde 3U EPS Board 3.3V-5V-Float Protection: Short Circuit Controllers: MPPT, Charge PC/104 I 2 C ITU-EPS 3.3V,5V,Float Short Circuit Protection MPPT, Charge, I2C Clyde Space Li-Po Batteries Solar Panels SuperCapacit ors 400F EP S AstroDev Helium-100 Modem UHF/VHF UART, Float ITU Modem Modem UHF/VHF UART I2C, 3.3V & 5V RFLab Transponder UHF/VHF 50 khz 1 W - I 2 C - TAMSAT Transponder UHF/VHF 50 khz 1 W - I 2 C Transpond er Interface Sensor Board Mechanism Control, Battery bus Interface I2C - UART, 3,3V Interface Command and data Handling I 2 C to UART 3.3V Sail Release VGA - Camera BeeLine MP Transmitter UHF Beacon - 100mW 3x Accelerometer 3x 3x Data Bus I 2 C-SPI- De- Orbiting System BeeLine MP Transmitter UHF Beacon - 100mW Mechanisms Antenna Camer a Sensor Board Şekil 1: Uydu Alt Sistemler Yerleşimi HBS temel olarak modemler, transponder ve antenlerden oluşmaktadır. Uydunun yer istasyonu ile haberleşmesini sağlamak modemin görevidir. Bu kapsamda uydu bilgisayarından gelecek bilgileri (sıcaklık, pil durumu, gerilim vb) işleyerek yer istasyonuna ve yer istasyonundan gönderilen komutları algılayarak uydu bilgisayarına iletir. İhtiyaç duyulması halinde BEACON gibi de çalıştırılabilir. Uydunun elektrik enerji gereksinimi EGS [1] tarafından karşılanmaktadır. Proje gereksinimleri uyarınca uyduda 2 adet EGS bulunmaktadır. Ana EGS Clyde Space firması tarafından üretilen ve hazır alınan sistemdir. Ayrıca İTÜ tarafından geliştirilen bir EPS de yedek olarak kullanılacaktır. YBKS nin görevi uyduyu haberleşme antenlerinin görev gereksinimlerini sağlayacak şekilde yöneltmek ve kararlı ve verimli haberleşme için uydunun açısal hareketinin kinetik enerjisini sönümlemektir. 2

Uydu bilgisayarı; diğer temel sistemlerin çalışmasını, genel veri akışının düzenlenmesi ve gerekenlerin kaydedilmesini ve yer istasyonundan gönderilen komutların algılanarak işlevleştirilmesini sağlar. YDS nin görevi uydu önceden belirlenen görev süresini tamamladığında uzay da çöp olarak işlevsiz bir şekilde kalmamsı için uyduyu atmosfere sokmaktır. Tüm bu sistemlerin yerleri ve uydunun genel çizimi şekil 1 de görülmektedir. AMAÇ Türksat 3USAT uydusu için yedekli, verimli ve güvenilir bir elektrik güç sisteminin tasarlanması, çalışmanın temel amacıdır. Bu amaca ulaşmak için kararlı ve az kayıplı bir maksimum güç noktası takipçisi algoritması, yüksek verimli regülatör devreleri ve güvenilir pil ve süper kondansatör şarjcısı tasarlanacaktır. Diğer yandan süper kondansatörlerin kullanıldığı İTÜ sistemi, dünyada küp uydularda ilk defa süper kondansatör kullanan elektrik güç sistemi olacaktır. ELEKTRİK GÜÇ SİSTEMİ ve ALT BİRİMLERİ Küp uyduların çalışması için gerekli en önemli sistem EGS dir. Bu sistem; güneş panelleri, düzenleyiciler, kontrol birimi ve enerji depolama elemanlarından oluşur. Daha önce yine İTÜ Uzay Sistemleri Tasarım ve Test Laboratuar (USTTL) bünyesinde üretilen küp uyduda (Şekil2) yurt dışından alınan hazır sistemler kullanılmıştı. Yeni yapılmakta olan TURKSAT 3USAT uydusunda yurt dışından alınan hazır sistemlere yedek olarak İTÜ bünyesinde geliştirilen sistemler kullanılacaktır. EGS olarak da CLYDE Space firması tarafından üretilen elektrik güç sistemi(şekil 3) ana sistem, İTÜ EGS(Şekil 4) de yedek sistem olarak kullanılacaktır. Şekil 2: İlk Türk Küp Uydusu: İTÜpSAT 1 [7] Şekil 3-4: Clyde Space 3U EPS [10] ve İTÜ EGS 3

Ana güç sisteminde oluşabilecek herhangi bir sıkıntı durumunda, ITU EGS Clyde EPS nin enerjisini kesecek ve pilleri şarj etmeye devam edecektir. Pillerde bir sorun olması durumunda ise sistem otomatik olarak süperkapasitörleri kullanmaya başlayacaktır.(şekil 5) EGS nin çıkışı CubeSatKit bağlantı noktalarına (BUS) uyumlu olması amacı ile 3.3 ve 5V çıkış verecek şekilde ayarlanmıştır. Şekil 5: TURKSAT-3USAT Elektriksel Güç Sistemi Şeması [4] EGS güneş panelleri, regülatörler ve enerji depo elemanları olmak üzere 3 alt birimden oluşur. Güneş Panelleri Uzay ortamında küp uyduların enerji üretebileceği en önemli kaynak güneş panelleridir. Uydunun tüm yüzeyleri güneş panelleri ile kaplıdır ve uydu tüm enerjisini bu panellerden elde eder. TURKSAT3USAT projesi kapsamında hazır güneş panelleri yerine(şekil 6) İTÜ bünyesinde Tasarlanan ve üretilen(şekil 7) güneş paneli kullanılmıştır. Güneş panellerinin üretiminde Spectrolab firmasının güneş hücreleri kullanılmıştır. [8] Ayrıca panel davranışlarının elektronik olarak benzetimini yapan bir yapı tasarlanmış ve testlerde kullanılmıştır. Bu yapı ile ilgili ayrıntılı bilgi test sistemleri başlığı altında verilecektir. Panel giriş kısmında panellerin sağladığı akım, gerilim ve sıcaklık değerleri ölçülerek telemetri verisi oluşturulacaktır. Aynı zamanda güç çakışmasını engellemek için Clyde Space EPS kartına giden güç bu bölümde açılıp kapatılacaktır. Şekil 6: Cylade Space firmasından hazır alınan güneş paneli 10] 4 Şekil 7: Üretilen Güneş Paneli [4]

Akım, gerilim ve güç ölçümü için yüksek taraf akım his kuvvetlendiricileri (current sense amplifier) seçilmiştir. Bu veriler uydu bilgisayarında işlenir ve yer istasyonuna telemetri verisi olarak yollanır. Regülatörler Güneş panellerinden elde edilen gücün dış etkenlere bağlı olarak sürekli değişimine rağmen uydu içerisindeki alt sistemler sabit gerilim ile çalışmaktadır. Oldukça hassas olan elektronik elemanlar için akım ve gerilimde dalgalanma olmaması çok önemlidir. Bu yüzden güneş panellerinden elde edilen gücü düzenlemek amacıyla regülatörler kullanılır. EGS de kullanılmak üzere bir çok regülatörün tasarımı ve devresi yapılmıştır. İçlerinden en verimlisi ve kullanım amacımıza uygun olan regülatör seçilmiştir. Uygun regülatör seçimi sırasında oluşturulmuş olan devre yapıları Şekil 8 da verilmiştir. Şekil 8: Denenmiş regülatörler TURKSAT3USAT uydusunun elektronik sistemleri 3,3V ve 5V değerlerinde çalışmaktadırlar. [2] Bu değerlere uygun bir düzenleyici devre tasarımı yapılmıştır. Maksimum Güç Noktası Takipçisi(MGNT): Güneş panelleri değişen ışık, yük ve sıcaklığa göre farklı değerde güç üretirler. Bu güç üretimine ilişkin örnek grafik Şekil 10 da verilmiştir. Şekil 9: Güç Üretiminin Değişim Grafiği [3] Güneş panellerinin en yüksek verimle çalıştırılması için yapılması gereken, panel çıkışlarına bağlanan yük miktarının uygun hale getirilmesidir. Bunun için panelin maksimum güç noktasının takip edilmesi gerekir. İTÜ Elektrik Güç Sisteminde, mikroişlemci ile panellerin çıkış akım ve gerilimleri sürekli takip edilmekte ve 5

Perturb&Observe [6] algoritması (Şekil 10) kullanılarak yük miktarı ayarlanmaktadır. Sistem, mikroişlemciye akım ve gerilim değerlerini gönderen algılayıcıları da içinde barındırmaktadır. Bu iş için INA 219 algılayıcısı seçilmiş ve kullanılmıştır. INA 219 algılayıcıları ile ölçülmüş olan değer I2C hattı üzerinden kontrolcüye yollanmaktadır. Kontrolcü eski ve yeni gücü karşılaştırıp sonuca göre PWM in görev süresini arttırıp azaltmaktadır. Böylece sistem sürekli olarak çalışabileceği en verimli noktaya bulabilmek için salınım yapmaktadır. PWM in görev süresi %0.4 hassasiyetle değiştirildiği için maksimum güç noktası etrafındaki salınıma bağlı çıkış gücündeki değişim minimize edilmiştir. Kontrolör biriminin mühendislik modeli çıkarılmış ve testleri başarıyla tamamlanmıştır. Şekil 10: Perturb&Observe Algoritması [4] Kontrol Birimi: Kontrol birimi elektrik güç sistemi üzerindeki diğer tüm birimleri kontrol eden ve uydunun diğer sistemleri ile bağlantıyı sağlayan birimdir. Elektrik güç sisteminde birçok kritik veri bulunmaktadır. Bu veriler güç sisteminin kendi kendini kontrol edip verimini ayarlaması için kontrol sisteminde değerlendirilir, diğer yandan da uydunun ana bilgisayarına gönderilir. Bu değerlendirme, bir mikro denetleyici vasıtasıyla yapılacaktır, İTÜ Elektrik Güç Sisteminde MSP430F5438A mikro kontrolcüsü kullanılmaktadır. Kontrolcü MGNT nin algoritmasının koştuğu birimdir. Şekil 12 de akış diyagramı gösterilen algoritma ile gerçeklenir. Kontrol birimi pillerin ve süper kapasitelerin gerilim ve sıcaklık değerlerini okuyarak uydu bilgisayarına gönderir ve ayrıca pillerin ve süper kapasitelerin aşırı şarj ve deşarj olmasını engeller. Piller boşaldığında kapasitelerin kullanılması için enerji depolama birimleri arasındaki geçişi denetler. 6

Enerji Depolama Uydu yörüngesinde yol alırken bazen dünya ile güneş arasında bazen de dünyanın gölgesinde kalmaktadır. Dünyanın gölgesinde kaldığı zaman içerisinde uydunun sistemleri hala çalışmakta olduğundan güç tüketimi devam etmektedir. Fakat gölgede güneş panellerinden yeterli ya da hiçbir güç elde edilememektedir. İhtiyaç duyulan bu güç uydu içersindeki enerji depolama elemanları olan piller(şekil 11) ve süper kapasiteler(şekil 12) tarafından karşılanmaktadır. Şekil 11-12: Piller Süper Kapasiteler Güneş panelinin gerilimi sürekli ölçülür ve panel gerilimi kritik seviyenin altına düştüğünde güneş panellerinin çıkışı açık devre edilir ve panel geriliminin yükselmesi beklenir. Bu arada depo elemanlarını uydu alt sistemlerine bağlayan anahtar kapatılır ve uydu bu elemanlardan beslenir. 3 yılsonunda görev süresi bittikten ya da pillerde öngörülemeyen bir sorun ortaya çıktıktan sonra süper kapasitörlere geçilecektir. Bu durumda tüm sistemler maksimum seviyede çalışacaktır. Süper kapasiteler kullanılarak küp uydu enerji sistemlerinde farklı bir yaklaşım getirilmiştir. Süper Kapasiteler: Süper kapasitörler çok büyük ilerleme kaydetmelerine rağmen hala lityum teknolojisine sahip pillerin yaklaşık 10 da bir kapasite/ağırlık oranına sahiptirler. Ancak kullanım ömürleri ve çalışma aralıkları pillere göre çok fazladır. Ayrıca pil katmanı görev süresine oranla gerektiğinden büyük seçildiği için toplam ağırlık oranları birbirine yaklaşmaktadır. ITU EPS de kullanılan pil katmanının deşarj oranı %10 civarındadır. Bu durum da iken ani bir güç gereksinimi kapasiteler tarafından karşılanacaktır. Ayrıca Lityum polimer pillerde 5000 olan şarj çevrimi, süper kapasitelerde 100000 in üzerindedir. Bu da çok yüksek görev süresine karşılık gelmektedir. Yukarıda bahsedilen birimler dışında; hazır alınan elektrik güç sistemi ve İTÜ tarafından tasarlanan sistem yedekli olarak çalışacağı için bunları birbirlerine 7

bütünleştiren bir ara yüz gerekmektedir. Bir anahtarlama sistemi vasıtasıyla bu iki devre bağlanmıştır. Anahtarlama sisteminin testleri İTÜ USTTL bünyesinde gerçekleştirilmiş ve sistem başarıyla çalıştırılmıştır. TEST SİSTEMLERİ EGS Test Sistemi, Güneş Paneli Simülatörü Laboratuar bünyemizde geliştirdiğimiz bir başka sistemimiz ise Güneş paneli simülatörüdür. Bu simülatör sayesinde EGS'nin testlerini sabit parametreler ışığında deneyebilmekteyiz. Güneş panellerinin verebildiği güç, panel sıcaklığı, gelen ışık miktarı gibi etkenlere bağımlıdır ve test sırasındaki en ufak değişiklikler testin sonuçlarını etkilemektedir. Ürettiğimiz simülatör ile bu parametreler sabitlenerek bir panelin elektriksel özellikleri, elektronik ve yazılımsal sistemlerle taklit edilmektedir. Böylece uzay ortamında panellerin maruz kalabileceği tüm ışık miktarı ve sıcaklık koşullarında EGS ve MPPT sistemi test edilmektedir. Simülatörün test düzeneği Şekil13 'de görülmektedir. Şekil 13: Simülatörün test düzeneği (donanımsal kısım) Sistem şu şekilde işlemektedir: Mikro kontrolcü ile yük bilgisi okunur ve seri haberleşme ile bilgisayara iletilir. Bilgisayarda MATLAB'da oluşturulan matematiksel model sayesinde sistemin yük durumuna bağlı olarak, olması gereken panel çıkış akım ve gerilimi hesaplanır. [5] Ardından olması gereken akım ve gerilim değeri seri haberleşme ile mikro işlemciye gönderilir. Mikro işlemci PWM sinyali ile regülatörü kontrol ederek bir güneş panelinin çıkış karakteristiğini taklit eder. 8

Şekil 14 ve Şekil 15'de MATLAB'da oluşturulan güneş paneli modelinin, çeşitli ışık miktarlarına ve sıcaklıklara bağlı olarak akım-gerilim değişimi verilmiştir. Şekil 14: Panel Sıcaklığına bağlı akım ve gerilim değişimi Şekil 15: Gelen ışık miktarına bağlı akım ve gerilim değişimi Simülatörün çalışma mantığı Şekil 16'dan anlaşılabilir. Güneş panelinin yük eğrileri ile kesiştiği noktalar panel ve yük sisteminin çalışma noktalarıdır. Simülatör kontrolcüsü çıkış akım ve gerilimini bu noktalarda sabitlemeye çalışır. Geri beslemeler ile çıkış akımını, panelin kısa devre akımından ve çıkış geriliminin de açık devre geriliminden büyük olmaması sağlanır. 9

Şekil 16: Simülatörün çalışma noktaları ve panelin çıkış karakteristiği Termal Vakum Odası (TVO) Yörüngede yol alan bir uzay aracı zorlu uzay şartlarına dayanıklı olmalıdır. Bu zorlu şartlar, vakum, radyasyon ve sıcaklık değişimleridir. Bu zorlu şartlardan ikisi, vakum ve aşırı sıcaklıklar, termal vakum odalarında yaratılarak uzay araçları teste tabi tutulur. [9] İTÜ USTTL bünyesinde bulunan 350 lt hacimli, 10-5 Pa basınca düşebilen ve ortam sıcaklığını - 60 o C ~+125 o C arasında değiştirebilen bir termal vakum odası bulunmaktadır. Üretilen ve hazır alınan tüm sistemler uydu fırlatılmadan önce tek tek bu odada teste tabi tutulur. Tüm sistemler ayrı ayrı veya birlikte sistem halinde oda içersinde değişen ortam sıcaklığında fonksiyon testleri yapılır. Ortaya çıkan sorunlar düzeltilerek uydu sistemi sorunsuz bir şekilde uçuşa hazır hale getirilir. İTÜ EGS' de kullanılacak süper kapasitelerin testleri bu odada yapılmış, kapasitörlerin şekil değişimleri, kapasite değişimleri incelenmiştir. Şekil 17 'de TVO test edilen süper kapasitörler görülmektedir. Teste tabi tutulan ve tutulmayan iki kapasitör yan yana Şekil 18 de görülmektedir. Görüldüğü üzere kapasitörde bir şekil değişimi yoktur. Ayrıca kapasite değerinin değişmediği görülmüştür. 10

Şekil 17: Teste giren kapasitörler Şekil 18: Test öncesi (solda) ve sonrası (sağda) kapasitörlerin durumu. 11

Kaynaklar [1] Burt, Robert, "Distributed Electrical Power System in Cubesat Applications" (2011). All Graduate Theses and Dissertations. Paper 1052. http://digitalcommons.usu.edu/etd/1052 [2] Aslan, R.,Yağcı, B., Sofyalı, A., Suer, M., Ümit, E., Ceylan, O. ve diğer,(2011) Turksat-3USAT: A 3U Communication Cubesat, İstanbul Teknik Üniversitesi [3] Salman,E., Türksat 3USAT Ön Tasarım Raporu- Elektrik Güç Sistemi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Mart 2011 [4] Salman,E., Türksat 3USAT Kritik Tasarım Raporu- Elektrik Güç Sistemi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Mart 2011 [5] Tsai,H., Tu,C., Su,Y., Development of Generalized Photovoltaic Model Using MATLAB/SIMULINK,2008 [6] Femia, N., Petrone, G., Spagnuolo, G. ve Vitelli, M., Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 20, No. 4, Temmuz 2005 [7] http://usl.itu.edu.tr/tr/itupsat1-hakkinda-ayrintili-bilgi.php [8] http://www.spectrolab.com/datasheets/cells/pv%20utj%20cell%205-20-10.pdf [9] NASA, What are thermal vacuum chambers used for at Goddard?, n.d., Website: http://www.gsfc.nasa.gov/gsfc/educ/fyeo/faq/chambers.htm [10] http://www.clyde-space.com/cubesat_shop/eps [11] www.clyde-space.com/cubesat_shop/solar_panels 12