Motorlarda Mil Kodlayıcılar Pozisyon Ayarlayıcılar

1. Giriş

İki tür kodlayıcı vardır.

a – Mutlak ( Absolute ) kodlayıcılar
b – Artırmalı ( Incremental ) kodlayıcılar

2. Mutlak Kodlayıcılar

Mutlak pozisyon mil kodlayıcısı Şekil 1 a’da gösterilmiştir.

Image

Şekil 1 Mil kodlayıcısı ( a ) Şematik ( b ) 4 bitlik çıkış sinyali

Herhangi bir açı için tek bir ikili kod okunabilecek şekilde saydam ve saydam olmayan ( ışık geçirmeyen ) kısımların desenini içeren bir dizi halkadan oluşur. Desenler fotoseller vasıtası ile okunabilir. (Şekil 2 b )

Mil girişine bir açısal yer değişimi uygulanabilir ve bu durumda paralel sayısal çıkış hatları takımı, mil pozisyonunu hiç kuşkuya yer vermeyecek ve özel bir şekilde gösterir. Sayısal çıkışlar ikili ( Şekil 1 b ‘de olduğu gibi ), BCD veya açısal kodlu BCD olabilir (Örneğin bir mil dönüşü için 0-360o gibi ).

Bu durumda 4000 ‘de birlik bir çözümleme ( 12 bitlik ikili ) kolayca elde edilebilir. Mutlak mil kodlayıcılarının çoğunda Şekil 2 ‘dekine benzer optik yöntem kullanılır. Anlatımı basitleştirmek için Şekil 2 sadece 16 bitlik bir çözümleme göstermekle beraber, bu teknikler daha yüksek çözümlemeliler için de aynıdır. Şekil 2 b’de görülen şeffaf bir disk istenen bir örneğe göre yörüngeleri kodlanmış, olarak görülmektedir. Şekil 2 a’da ikili bir sistem kullanılmış olmakla birlikte, uygulamada ise, genelde aşağıda verilen bir birimlik mesafe kodu kullanılır. Disk bir tarafından aydınlatılır ve fotoseller diğer taraftaki iz desenini algılar. Akımın açısal pozisyonuna tekabül eden iz kodlaması doğrudan doğruya fotoselin yükselteçlerinden okunabilir. Şekil 2 a’ da dört halkalı bir disk görülmektedir.

Image

Image

(c)

Şekil 2 Mil kodlayıcılarının yapısı (a ) 4-bit kodlu disk ( b ) yandan görünüş ( c ) Ticari amaçlı mutlak ve artırmalı disk

Ticari cihazlarda ise, 8,10,12 ‘ye kadar halkalı kodlayıcılar kullanılmakta olup Şekil 2 ‘de de bunun bir örneği görülmektedir. Halka sayısı arttığında kodlayıcının maliyeti ve ayrıca fiziksel boyutu da artmaktadır.

Bu düzenlemedeki tek sorun pek çok halkanın aynı anda değişmesi zaman ( Şekil 3 a ‘da ki 3 ve 4 pozisyonları arasında olduğu gibi ) bu pozisyonlar arasında bir yerde çıkış okuması yapılırsa hata oluşabilir. Örneğin, dört halkalı bir mil kodlayıcısının 0111 ‘den 1000 ‘e gittiğini varsayalım. Bu durumda bütün PTC ‘lerin birlikte değişmesi olasılığı bulunmadığı için, Çıkışlar 0111 ‘den 0000 ‘e veya 0111 ‘den 1111 ‘e oradan 1000 ‘e veya 4-bitlik diğer bir kombinasyonlara geçebilir.

Bu problemin çözümüm için iki yol vardır. Bu yollardan birincisi BCD çıkışı gerekli olduğunda yaygın olarak kullanılmakta ve geçiş

Image

Şekil 3 mutlak açısal şifreleyici a- ikili kod b- yandan görünüş c- Gray kodu

noktaları civarında çıkışta meydana gelebilecek değişiklikleri önlemek üzere, ilave bir fotosel kullanılmaktadır. Çoğu kez belirsizlik önleyici iz olarak anılan ilave iz, Şekil 4 a’da görüldüğü gibi, düzenlenmiştir. Buna tekabül eden fotoselden alınan çıkış, Şekil 4 b’de gösterildiği üzere durdurma/izleme mandallarına bağlanır. Genelde, tüm devre bir kodlayıcı içinde bulunur.

Image

Şekil 4 Belirsizliği önleyici iz kullanımı a- diskli kodlama b- kod çözücü devre

İkinci yöntem ise Gray kodu ( Şekil 3 c ) diski kullanılır. Bu kodun özelliği gereği bir defada yalnız bir bit değişir, böylece her ne zaman çıkış okuması yapılırsa yapılsın bir bitten daha fazla hatalı olamaz. Gray kodu ile ikili kod arasında dönüşüm için basit algoritmalar geliştirilmiştir. Örneğin 4-bitlik bir Gray kodu şöyledir;

Ondalık Sayı – Gray Kodu
00 – 0000
01 – 0001
02 – 0011
03 – 0010
04 – 0110
05 – 0111
06 – 0101
07 – 0100
08 – 1100
09 – 1101
10 – 1111
11 – 1110
12 – 1010
13 – 1011
14 – 1001
15 – 1000

Burada 7/8 geçiş noktası civarında kodun simetrik olduğu görülmekte ve bu sebeple böyle kodlara yansımış kodlar adı verilmektedir. Birim kodlarının yapısı ve bunların ikili sisteme ve ikili sistemden geriye çevrilmeleri mümkündür.

Gray koduna olan ihtiyaç çıkış okumasının aslında asenkron olması nedeniyle arttı. Bununla beraber son tenolojik gelişmeler onu sıradan ,alışılmış yada en azından kullanışlı yaptı, kodlayıcının çıkışlarını mikroişlemci üzerinden doğrudan okumak önceden oluşan sorunların oluşmasını engelledi. Bir crassover noktasında oluşan geçersiz okuma geri çevrilebilir yada okumaların sadece geçerli oldukları yerlerden alınmasını sağlayan ek bir saat halkası kullanılabilir.(eğer disk saat halkası üzerinde durursa önceki değer alınır)

Günümüzde kullanılan mil kodlayıcılarının çoğu optik yöntemler kullanmakla birlikte, diğer tasarım şekilleride mevcuttur. Daha ucuz olmakla birlikte, daha az sağlamlıkta bir kodlayıcı istenilen desende işlenmiş bakır kaplı bir diskle imal olunabilir. Bu durumda iz verileri küçük bakır veya karbon fırçalardan okunur.

Gerçekten n-bitlik doğruluklu bir ölçme için n-halka gereksinimi karışıklığı artık zorunlu değildir. Daha yeni bir alternatif bir maksimum uzunluklu ikili dizi ( 8-bit için 256-digit gibi ) içeren bir tek halka kullanılmaktadır. Böyle bir dizi, kesinlikle bir zamanlar her bir açısal çıkış okuması ( 8 bitişik bitle belirlenen ) tek olan 8-digit ‘in bütün farklı

kombinasyonlarını içerir.Basit bir 4-bit versiyonunu gösteren şekil 5 ‘ daki gibi ayrık bir saat halkası genellikle kullanılır. 8 fotose
lin bitişik olması gerekmez herhangi eşdeğer aralama yeterlidir. Aslında birisi işlemcinin içine seri olarak okuyarak sadece iki fotosel kullanabilir, fakat bu ilk pozisyonu tanımlamak için 8-digit üzerinde bir başlangıç hareketi gerektirir. Saat halka digitleri arasında interpolasyonla birkaç ekstra bit elde edilebilir.

Image

Şekil 5 Max. Uzunluk ikili dizili mutlak kodlayıcı

3. Artırmalı ( Incremental ) Kodlayıcılar

Incremental kodlayıcılar bir tane ikili halkalı diskten oluşur,bu onların kodlanmış diskler için olduğu gibi saydam veya saydam olmayandan ziyade delikli yapılmalarını mümkün kılar. Delikler bir sayma sistemini besleyen bir fotosel düzeni ile elde edilir, böylece kararlılık aslında delikler arasındaki açıya eşittir. Dönme yönünü elde etmek için bir delik kalınlığını yaklaşık bir çeyreğe kadar bir tarafta yerleştirilir ve yön değişince iki sinyalin göreli aşamaları tersine döner. Sinyaller bir yukarı / aşağı sayıcıyı kontrol eden bir yön detektör lojik devreye beslenir. Tipik diskler yaklaşık 48-96 deliğe sahiptir.

Artırmalı kodlayıcılar en basit pozisyon ölçme aletleri olmakla beraber, potansiyometre, senkron veya mutlak mil kodlayıcılarında olduğu gibi, belirli pozisyon gösterimi vermezler. Bunun yerine artırmalı kodlayıcılar önceden tespit olunmuş bir mesafeye tekabül eden her darbe ile bir darbe çıkışı sağlarlar. Bu darbeler, daha sonra kat edilen mesafeyi gösteren bir dış sayıcı tarafından sayılır.

Basit ve ucuz olmakla beraber, artırmalı kodlayıcıların bazı dezavantajları da vardır. Bunlardan birincisi, enerji arızasından sonra normal olarak pozisyon ölçme işlemi silinir ( daha önceki cihazlar, enerjinin tekrar gelmesini müteakip daha gösterdikleri pozisyonu yine doğru ve kesin bir şekilde gösterirler ). Bu sebeple, artırmalı kodlayıcı kullanan sayma işleminin tekrar başlatılabileceği bir başlangıç pozisyonunu belirleme yöntemi bulunmalıdır.

Bazı basit cihazlarda da sayma algılama işlemi yalnızca hareketin varsayılan yönü tarafından tayin edilmekte ise, her yön değişiminde sayım işini tekrar başlatabilir veya kaybedebilir. Bu tip cihazlar özellikle, aşırı hareketler ve osilasyonlar sırasında hataların birikmesine yatkındırlar. Aşağıda belirtilen daha karmaşık kodlayıcılar sayma yönünü doğrudan gösterirler.

Ticari kodlayıcılar ise, ışık kaynağı, dişli çarkı ve tek fotoseli ile Şekil 6 ‘daki prensibe dayanır. Ancak, buradaki önemli bir problemde daha iyi çözümleme elde etmek için dişler ve bu sebepten de fotosel kafası çok küçük kalmaktadır. Bu sebeple, genelde dişli çarkı yerine en iyi bir şekilde Şekil 6 ‘ya bakılarak anlaşılabilecek olan bir Moire çerçevesi yerleştirilir. Moire çerçeveleri çok küçük fotoseller olmaksızın da mükemmel çözümleme sağlamaktadır. Anlatım kolaylığı açısından ilk önce bir doğrusal yer değiştirme düzeni gösterilmiştir.

Image

Şekil 6 Doğrusal Moire çerçeveli pozisyon transdüserleri ( a ) Sabit ızgara ( b ) Hareketli ızgara ( c ) Düzenleme şekli

Cihaz, şekil 6 a ve b ’de gösterildiği gibi, bir ızgara ile desenli iki adet şeffaf plakadan oluşur. Bu iki şeffaf plaka Şekil 6 c ’de görüldüğü şekilde bir lamba ve fotosel ile düzenlenir. Hareketli ızgara sabit ızgaraya göre hareket ettikçe, çapraz karanlık/ışıklı alanlarda düşey olarak fotoselin ötesinde hareket ederek gerekli darbe çıkış dizisini sağlar. Işıklı desenler Moire çerçevesi olarak adlandırılır ve darbe mesafe ilişkisi de sabit hareketli plakalar üzerinde bulunan ızgara sayısına bağlı olur. Şekil 6 c ‘dekine benzer cihazlar nümerik olarak kontrollü takım tezgahlarında yaygın olarak kullanılmakta olup bir kaç metrelik toplam hareket mesafelerinde 0.01 mm ’lik bir çözümleme sağlarlar. Uzun bir hareket mesafesi gereken durumlarda tezgahın gövde kısmına çoğu kez bir yansıtıcı ızgara yerleştirilir ve bu durumda fotosel kızakla birlikte hareket eder.

Image

Şekil 7 Açısal artırmalı kodlayıcı.

Açısal dönüşlü Moire çerçevelerinin imali için çeşitli yöntemler bulunmakla birlikte sabit bir diskin önünde hareket eden bir disk düzeni kullanır. Şekil 6 ‘in açısal eşdeğeri olan bir sitemde ise, üzerinde iğri hatlar bulunan bir disk

kullanır. Sürgülü Moire çerçeveli cihaz adını verilen bir teknik ise, disklerden biri üzerinde ( N ) bölme, diğer disk üzerinde ise ( N+1 ) bölme kullanılır. Hareketli disk döndükçe ( m ) sayısı kadar ışıklı/karanlık geçiş meydana gelmekte olup, ( m ) burada hareketli disk üzerindeki bölmelerin sayısını göstermektedir. Diğer bazı teknikler ise , ya aynı eksen üzerinde yada hafifçe kaçık merkezli ( ofset ) sabit diski bulunan iki benzer disk kullanmaktadır. Burada kullanılan cihazların hepsinin amacıda, devir başına, bilinen sayıda ışıklı/karanlık geçişleri meydana getirmektedir.

Şekil 6 ‘daki doğrusal ve Şekil 29 ‘daki açısal tertibatın her ikisi de gerçek fotosel çıkış sinyali bir kare dalga olmayıp, muhtemelen yavaş yükselen ve alçalan kenarlı sinüs dalgalı olacaktır. Bu sebeple de, fotoselden gelen sinyalle genellikle keskin kenarlı açık bir darbe elde etmek üzere, Schmitt tetikleyici devresinden geçirilir. Tekli bir darbe çıkış zinciri herhangi bir yön bilgisi taşımaz. Basit ve düşük hassasiyetli uygulamalarda yön dolaylı yollarla elde edilebilir. Örneğin, yakınlık dedektörü ile dişli çarkına dayalı artırmalı kodlayıcı tarafından sürülen sayıcı, vidaya hareket eden AC motorunu besleyen tersinme kontaktörünün durumu vasıtası ile sayma yönünün seçilmesini sağlayabilmektir. Ancak, yine kaçırılacak veya kazanılacak bir darbe olması ihtimali bulunduğundan, belirli bir başlangıç noktasında düzenli bir sıfırlama işlemine gerek duyulur. Artırmalı bir kodlayıcıdan, Şekil 4-30 ‘da görüldüğü gibi çıkış pozisyon bakımından 90 derece kaydırılacak Şekilde düzenlenmiş bir fotoselin ilavesi ile, doğrudan yön bilgisi alınabilir.

Bu iki sinyal A ve B sinyalleri olarak adlandırılmış olsun. Bu durumda , saat ibresinin dönüş yönü için de A sinyali B sinyalinden Şekil 7 a ’da
görüldüğü gibi 90 derece önde olsun. Yönün tersine çevrilmesi halinde ise, B çıkış sinyali A sinyalinin 90 derece önünde olacaktır. Saat yönündeki dönüş, B üzerindeki pozitif kenarla ve yüksek A sinyali ile gösterilir. Aynı şekilde, saatin aksi yönüne dönüş ise A sinyal çıkışı üzerindeki pozitif kenar ile ve Yüksek B çıkış sinyali ile gösterilir. Bu sinyaller RC farklılaşması ile üretilebilmekte ve bir flip-flop, cihazın ayarlanmasında ve sıfırlanmasında kullanılır. Bu flip-flop cihazının çıkışı, sayıcı gösterme pozisyonu için yön sinyali vazifesini görür. Sayıcı, ters yöndeki değişmeleri, artan hata olmaksızın izler (ancak enerjinin her kesilmesinden sonra bir başlangıç pozisyonunda yapılması sıfırlama işlemi yinede gereklidir). Buna göre benzer bir tekniğin Şekil 6 ‘deki doğrusal artımlı kodlayıcıya uygulanabileceği açıktır.

Image

Şekil 8 Yön gösterimi için iki çıkışlı artırmalı kodlayıcı a- Artırmalı yön gösterici kodlayıcı b- Saat yönüne dönüş c-saat aksi yönüne dönüş

3.1 Optik Yarıklı Levha (Gratings)

Pek çok çizgi içeren grating bir skopla ölçülebilir ve çizgiler basitçe sayılabilir fakat bu biraz fazla zaman alıcı olabilir ne yazık ki işlemcinin otomatikleştirilmesi kolay değildir. Grating ölçüm sistemleri, biri sabit (scala grating) ve diğeri ilkinin üstünde hareket edebilen (index grating) şekil 9 ‘deki gibi iki özdeş eşit-işaret / gratings kullanarak problemi çözer. Index grating hareket ettikçe ayrık çizgilerin gözlenmek zorunda olduğu cetveldeki durumun tersine, pek çok çizgiyi kaplayarak bütün alan aydınlık yada karanlık gider öyle ki geniş bir fotosel kullanılabilir. Tek çizgilerdeki hataların otomatik olarak ortalama dışına alınması bunun ek avantajıdır. Bu sistemler aslında aralarında küçük bir açı olan iki gratings kullanır. Bu, Moire saçağı olarak bilinen geometrik bir desen üretir. Bu desenlerin incelenmesi olayın daha iyi anlaşılabilmesi açısından önemlidir.

Image

Şekil 9 Optik gratings ve üretilen dalga formu

Bir sayma sistemini besleyen tek bir fotosel ile hareket yönü gösterilemez. Bu çoğunlukla, bir çizgi aralığının bir çeyreği kadar aralarında mesafe bulunan iki çizgi kümesi içeren iki fazlı index kullanılarak çözülür.

Hem çevirme hem de dönme için geniş oldukça ucuz gratingler mevcuttur. Ölçüm doğruluğu aslında çizgiler arasındaki boşluğa (aralamaya) bağlı olup, bu aslında, verilen bir konumda geçirilen ışık oranını bulmayı ve çakışma durumunda maksimum geçirmeyi gerektirir, fakat gerçekte bir dizi karşılaştırıcılar ve bir faz dönüştürücü tekniği ile yapılır.

3.2 Optik Transducerlerin Kostrüksiyonu

Optik transducerslerin çoğu fotoğrafik olarak üretilir, incremental kodlayıcılar için oyularak çıkartılabilse de ana ( veya örnek ) kodlayıcılar ve gratings makinaları ile üretilir ki bu da daha pahalıdır. Bununla beraber , mikrobilgisayarların varlığı bir grafik çizici üstünde örnek üreterek doğru cihazlar üretmeyi nispeten kolaylaştırır. 1 mm ‘den daha iyi, etkin bir kararlılıkla bir mikroişlemcinin grafik çizici yolu ile A4 boyutunda grating çizmek için programlamak kolaydır ve bu, gerekli boyuta sonradan fotoğrafik olarak indirgene bilir. Incremental kodlayıcılar ve radyal gratings kolaylıkla üretilebilirken Gray kodu ise biraz zorlukla üretilebilir.

4 Uzaysal Kodlayıcılar

Bir uzaysal kodlayıcı bir milin açısal konumunu digital sayıya çeviren bir mekanik dönüştürücüdür. Bu tür kodlayıcının önemli bir uygulaması kendi kendini dengeleyen potansiyometredir. Burada kodlayıcı kendini dengeleyen motorun mili üzerine monte edilmiştir.

Kodlayıcı, silindirik bir diskten oluşur. Kodlayıcı desenler diskin bir tarafında ki konsantrik halkalarda düzenlenir.( şekil 10 ) Desenler, geçici dalgalı ( sinüzoidal ) segmentler ( siyah ) ve geçirmeyen ( beyaz ) maddedir. Konsantrik halkalarda ki segmenlerin sayısı azalır, bir saymada ( 32-16-8-4-2 ) dış halkada 32 ‘den iç halka üzerindeki 2 ‘ye kadar ,şekil 12-28 ‘de gösterildiği gibi birbirine bağlanmış bir pil ve lamba ikili kodlanmış bir desende yanar.

Bu disk kodlayıcının dış halkası yada komutatörü 32 ayrı bölgeye sahip olduğundan kararlılık;

( 1 / 32 ) x 360 = 11.25o ( 1 digit )

olur. Kararlılık, komutatör sayısını artırmak suretiyle açıyı azaltarak düzeltilebilir.Uzaysal kodlayıcılar tasarlanan herhangibir digital sayı sistemini üretecek şekilde yapılabilir..

Image

Şekil 10 İkili sayma sistemi kullanan uzaysal kodlayıcı

İkili sayı sisteminde kullanılan bir yaygın metod, V şeklinde ki desende düzenlenmiş iki küme fırça kullanır. Bu tür kodlayıcıya ‘V-fırça ikili kodlayıcı’ denir. Çalışması ikili sayı sisteminde digitlerin doğal ilerlemesine dayanır. Birim ( unit ) kolonunda ki digit 1’den 0’a değişince ikiler kolonundaki digit değişir. Benzer şekilde, ikiler kolonunda ki bit 0’dan 1’e değişince daha anlamlı kolonlarda ki digitler değişmez ve ikiler kolonunda ki digit 0’dan 1’e değişince dörtler kolonunda ki digit değişir. Bu ilişki herhangi bir kolonda ki digitlerin bir değişikliği için doğrudur.

Bu mantık, ikili kodlanmış bir disk dönüştürücünün bir kısmını gösteren , şekil 11 ‘de diagramatik olarak gösterilmiştir. Beş komutatörün her biri bir beş digitli, ikili sayıda bir digiti gösterir. Sağdaki komutatöre şekil 11 b ‘de ikili tablonun birimler kolonuna karşılık gelen en az önemli digiti gösterir. Soldaki sonraki komütatör sonraki en az önemli digiti gösterir.

Image

Şekil 11. İkili sayma sisteminde sayma yapan V-fırça kodlayıcı

Buradan şu sonuca varılır: ilk halkadaki tek fırça diğer çeviren segmanlarda ki öndeki veya gerideki fırçayı seçen bazı lojik devreleri kontrol etmek için kul
lanılabilir. Böyle bir lojik sistem şekil 11 ‘daki gibi, eletromekanik rolelerle yada transistör devresi ile sağlanabilir.

Posted in Genel.

Bir cevap yazın