DESIGN AND DEVELOPMENT OF A TEST SETUP FOR REACTION WHEEL SYSTEMS OF NANOSATELLITES

Abstract

DESIGN AND DEVELOPMENT OF A TEST SETUP FOR REACTION WHEEL SYSTEMS OF NANOSATELLITES

Abstract

Nanosatellites have gained an important place in space applications thanks to developing technology. For a successful operation, attitude determination and control systems in satellites are vital. A reaction wheel system is the widely used drive system for nanosatellites. An electric motor driven reaction wheel is a system that operates utilizing from conservation of momentum and law of action and reaction. In this study, the design and development of a test setup for reaction wheel systems of nanosatellites are given. By using this test setup, different configurations of reaction wheels can be tested, performances of different control methods can be evaluated, and the energy efficiency of the whole system can be determined. Additionally, measured test data such as orientation angles and system current, voltage, and power can be recorded and monitored via the developed user interface. The test setup consists of a platform, reaction wheels, and a control unit. The mechanical design of the test setup which allows changing reaction wheel configurations is developed in Solidworks software. Modeling and control studies are performed in Matlab Simulink environment for brushless dc motor driven reaction wheels. The electronic control unit is designed, and Raspberry Pi is used as a controller. The test platform is produced by using 3d printer and then, subcomponents (electrical control equipment) are assembled into the platform. The functionality and performance tests of the system are performed successfully. The PD control performance results for attitude control of the satellite with the specific reaction wheel configuration are given. These results match the simulation results and validate the system design.

Keywords: Reaction Wheel, Satellite, Attitude Control, Orientation, PD controller

NANO UYDULARIN TEPKİ TEKERİ SİSTEMLERİ İÇİN TEST DÜZENEĞİ TASARIMI VE GELİŞTİRİLMESİ

Özet

Nano uydular gelişen teknoloji sayesinde uzay uygulamalarında önemli bir yer edinmiştir. Başarılı bir operasyon için uydularda yönelim belirlenmesi ve kontrol sistemleri hayati önem taşımaktadır. Tepki teker sistemleri nano uydular için yaygın olarak kullanılan bir yönelim tahrik sistemidir. Elektrik motoru tahrikli bir tepki tekeri, momentumun korunumu ve etki-tepki yasasından yararlanarak çalışan bir sistemdir. Bu çalışmada, nano uydularda tepki teker  sistemleri için bir test düzeneğinin tasarımı ve geliştirilmesi verilmiştir. Bu test düzeneği kullanılarak tepki tekerlerinin farklı konfigürasyonları test edilebilmekte, farklı kontrol yöntemlerinin performansları değerlendirilebilmekte ve tüm sistemin enerji verimliliği belirlenebilmektedir. Ek olarak, oryantasyon açıları, sistem akımı, voltajı ve gücü gibi ölçülen test verileri, geliştirilen kullanıcı arayüzü aracılığıyla kaydedilebilmekte ve izlenebilmektedir. Test düzeneği, bir platform, tepki tekerleri ve bir kontrol ünitesinden oluşmaktadır. Tepki teker konfigürasyonlarının değiştirilmesine izin veren test düzeneğinin mekanik tasarımı Solidworks yazılımında geliştirilmiştir. Matlab Simulink ortamında fırçasız dc motor tahrikli tepki tekerleri için modelleme ve kontrol çalışmaları yapılmıştır. Elektronik kontrol ünitesi tasarlanmış ve Raspberry Pi kontrolör olarak kullanılmıştır. Test platformu 3d yazıcı kullanılarak üretilmiş ve ardından alt bileşenler (elektrik kontrol ekipmanları) platforma monte edilmiştir. Sistemin fonksiyonel ve performans testleri başarıyla gerçekleştirilmiştir. Spesifik olarak seçilen bir tepki teker konfigürasyonu ile uydunun tutum kontrolü için PD kontrol performans sonuçları verilmiştir. Bu sonuçlar simülasyon sonuçlarıyla eşleşmekte ve sistem tasarımını doğrulamaktadır.

Anahtar Kelimeler: Tepki Tekeri, Uydu, Tutum Kontrol, Yönelim, PD Kontrolcü