ELEKTROHİDROLİK DİSK VALF İLE GERÇEK ZAMANDA KONUM DENETİMİ

Transkript

1 ELEKTROHİDROLİK DİSK VALF İLE GERÇEK ZAMANDA KONUM DENETİMİ Mesut ŞENGİRGİN ve İbrahim YÜKSEL Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Bursa Anahtar Kelimeler : Elektrohidrolik, disk valf, DGM, gerçek zaman denetim, konum denetim ÖZET Bu çalışmada, yeni tür elektrohidrolik disk valf ile gerçek zaman konum denetim olanakları deneysel olarak incelenmektedir. Açma-kapama şeklindeki bir anahtarlama elemanı olan disk valflerin giriş işareti ile çıkış işareti olan debi arasında oransal denetim yapabilmek için Darbe Genişlik Modülasyon (DGM) tekniğinden yararlanılmıştır. Yüksüz, çift piston çubuklu bir hidrolik sistem üzerinde, aç-kapa çalışan elektrohidrolik disk valf ile dspace kart yardımı ile gerçek zaman konum denetimi gerçekleştirilmiştir. I. GİRİŞ Disk valfler, düşük maliyetli denetim sistemlerinde kullanılmak üzere geliştirilmiş elektriksel olarak çalışan anahtarlama veya oransal aygıtlardır. Bu konuda gerçekleştirilen ilk çalışmada [1] tek ve çift diskli valflerin tasarımı, statik ve dinamik karakteristikleri ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Daha sonraki yıllarda disk valfler üzerinde çeşitli çalışmalar yürütülmüş [2,3,4], halen de yürütülmektedir. Bu çalışmalar sonucu elde edilen ilerlemeler disk valflerin yapıca çok basit, sıkı toleranslı yüzeyler içermeyen birkaç kritik boyuta sahip düşük maliyetli aygıtlar olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca yüksek cevap hızı ve çalışma güvenirliliği gibi üstünlüklere de sahiptirler. Uygun bir modifikasyon işlemi ile hem sıvı ve hem de gaz akışkanlarda, yağlayıcı ve yağlayıcı olmayan ve aşındırıcı ortamlarda da kullanılabilme olanaklarına sahiptirler. En önemli dezavantajları ise klasik denetim teknikleri ile oransal biçimde çalıştırılmaları zordur. Yapılarının basitliği çok değişik biçimlerde disk valf tasarımlarını olanaklı kılmaktadır. Özellikle son yıllarda mikroişlemciler ve mikrodeneticiler alanında ortaya çıkan gelişmeler elektrohidrolik sistemlerin doğrudan sayısal denetimini olanaklı hale getirmiştir. Elektrohidrolik sistemlerde, elektronik denetim ile hidrolik sistem arasındaki temel arayüz elemanı elektrohidrolik bir valftir. Geleneksel servovalfler ve oransal solenoid valfler oldukça karmaşık bir mekaniksel yapıya haiz olup analog çalışan aygıtlardır. Dolayısıyla bu valflerin doğrudan bilgisayar denetimli sistemlerde kullanılabilmeleri için ayrıca analog-sayısal çeviricilere ihtiyaç vardır. Buna karşılık aç-kapa tipi çalışan solenoid valfler uygun algoritmalar geliştirmek suretiyle mikroişlemcili veya mikrodenetici yardımı ile doğrudan bilgisayarlı denetim sistemlerinde kullanılabilinirler. Yalnız bu durumda mikroişlemci yolu ile denetlenecek bir sistemde kullanılabilecek valfin cevap hızının da yüksek olması gerekir. Geleneksel piyasa malı solenoid valflerin cevap hızları ise ms arasında değişmektedir ki bu sistem performansını düşürür. Son yıllarda normal solenoid valflerin yanında çok hızlı çalışan anahtarlama valfleri de geliştirilmiş olup disk valfler de bunlardan birisidir. Disk valflerin anahtarlama hızları çalışma ortamı, çalışma basıncı ve geçirdiği akışkan miktarına göre 2 ms ile 15 ms arasında değişmektedir. Yeni geliştirilen elektronik sürme teknikleri ile bu hızların daha da artması beklenmektedir. Bu çalışmada, hidrolik konum denetim sisteminde kullanılan disk valfin genel yapısı ve bu valfin DGM tekniği ile sürülmesi ve gerçek zamanda konum denetimi ele alınmıştır. DGM üreteci MATLAB- Simulink programı ile oluşturulmuştur[15]. Gerçek zamanda denetim için dspace kart kullanılmıştır. II. TEK BOBİNLİ DİSK VALF VE TEMEL ÖZELLİKLER Disk valfler elektriksel işareti mekaniksel harekete dönüştüren elektromekaniksel aygıtlardır. Mekaniksel hareket sonucu ise valften geçen akışkan akışı modüle edilmiş olur. Bu çalışmada ele alınan disk valfin temelini, Şekil 1 de görülen özel bir mıknatıs

2 veya solenoid devresi, disk, yay ve lüle elemanı teşkil eder. Hareketli elemanları elektromıknatıs malzemeden mamul disk ve yay elemanıdır. Diskin kütlesi ve yerdeğiştirme hareketi (tipik olarak 0,01 kg ve 0,2 mm) çok küçüktür. Disk; akışkan dolu bir odacık içersinde ön gerilmeli yay kuvvetine maruz olup bir kısıcı lüle ile birlikte oturtma elemanlı valf biçimini oluşturur. Diskin ve dolayısıyla da valfın açılıp kapanma (anahtarlama) işlemi elektromıknatıs bir çerçeve içinde yer olan sargının elektrik akımı ile uyarılması ve uyarıdan kesilmesi yolu ile sağlanır. Şekil 1'deki modüler biçimde disk valf normalde kapalı 2/2 lik bir yön denetim valfı işlevini yerine getirir. Disk valflerin statik ve dinamik başarımlarına etki eden bir kaç önemli parametre mevcuttur. Birincisi, diskin sargı yüzeyi ile arasındaki mesafe olup bu mesafe tutma aralığı adını alır. Bu aralık disk üzerinde oluşturulan bir çıkıntı ile sağlanmaktadır. Bu aralık disk ile sargı yüzeyi arasındaki en kısa mesafeyi denetler. Bu mesafe aynı zamanda belli bir akımda sağlanabilecek ilk en yüksek mıknatıs çekim kuvvetini de denetler. Yay Lüle Giriş Üst gövde Çekirdek A P Şekil 1 Disk valf modeli Sargı Disk Çıkış Alt gövde III. TEK BOBİNLİ DİSK VALF İLE KONUM DENETİMİ Genelleştirilmiş kapalı döngü denetim sistemini, valf denetimli silindir sistemine uyarladığımızda Şekil 2 deki blok şemayı elde ederiz. Analog denetimde DGM üreteci de analog olmaktadır. Analog DGM üreteci sıfır hata girişinde zaman ortalaması sıfır olacak şekilde bir kare dalga üretmektedir. Bu ise sistemde sürekli bir salınım oluşturmaktadır. Sıfır hata girişinde sıfır DGM sinyali üretecek ve gerçek zamanda çalışabilecek bir sayısal DGM üretecini oluşturmak mümkündür. Fakat gerçek sistem ile çalışabilmesi özel bir kart ve yazılım gerektirmektedir. Tek bobinli disk valf ile konum denetimi için, dspace kart ve Control Desk yazılım programlarından yararlanılmıştır. dspace kart ile denetim sisteminin gerçek zaman modeli için Simulink modeli oluşturulmuştur. dspace kart, gerçek sistem ile MATLAB- Simulink yardımı ile kurulmuş bir denetim organının gerçek zamanda benzetimi için kullanılmaktadır. Ayrıca bu kart yardımı ile veri toplama işlemi de gerçekleştirilmektedir. Programların çalıştırılmasına yardım etmek ve elde edilen sonuçların görüntülenmesi ve analizi için Control Desk adlı bir programdan yararlanılmaktadır. Tek bobinli disk valf konum denetim sisteminin Simulink modeli, daha önce hazırlanmış DGM üreteci, DGM üretecine giriş işaretini almak için bir adet ADC ve elde edilen DGM sinyalinin sisteme gönderilmesi için bir DAC den oluşmaktadır. Ayrıca arzu edilen giriş ve elde edilen çıkış işaretinin saklanması için iki adet ADC ilave edilmiştir. Şekil 3 te oluşturulan sistemin Simulink modeli verilmiştir. Bu modelde, arzu edilen giriş elde edilen çıkış işareti ile karşılaştırıldıktan sonra oluşan hata miktarına göre DGM üreticisinden doluluk-boşluk oranına sahip bir darbeler dizisi elde edilecektir. Hata değeri sıfıra yaklaştıkça doluluk oranı azalacak ve hata sıfır olduğunda sıfır işaret üretecektir. Hatanın sıfır olması ile arzu edilen değere ulaşılmış olunacaktır. dspace kart GİRİŞ + ADC DGM Üreteci DAC TEK BOBİNLİ DİSK VALF SİSTEM ÇIKIŞ _ KONUM ALGILAYICI Şekil 2 Tek bobinli disk valf konum denetim sistemi blok şeması

3 ADC In1 Out1 DGM DAC DS1103ADC_C17 DGM Üreteci DS1103DAC_C3 ADC DS1103ADC_C18 Giriş ADC DS1103ADC_C19 Çıkış Şekil 3 Tek bobinli disk valf konum denetim sistemi Simulink modeli IV. DENEY TESİSATI Deneyler, Uludağ Üniversitesi Mühendislik- Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Laboratuarında kurulu bulunan hidrolik sistem üzerinde gerçekleştirilmiştir. Deney tesisatını, hidrolik sistem elemanları ve denetim elemanları olmak üzere iki kısma ayırmak mümkündür. Hidrolik devre elemanları olarak, güç ünitesi, yön denetim valfleri ve kullanıcıları sayabiliriz. Denetim elemanlarını ise, dsapce kontrol ve veri toplama kartı, akım sürücü ve konum algılayıcısı oluşturmaktadır. Deney tesisat şeması Şekil 4 te ve deney tesisatı Şekil 5 te verilmiştir. Deney tesisatını oluşturan hidrolik sistemi, güç ünitesi, yön denetim valfleri ve kullanıcı eleman olarak silindir oluşturmaktadır. Güç ünitesi; 20 l/dak debi ve 125 bar basınç sağlayabilen Hema marka dişli pompa ve bu pompayı tahrik etmek için 1450 dev/dak hıza sahip 5.5 kw lık elektrik motorundan oluşmaktadır. Ayrıca emme ve dönüş filtreleri, sıcaklık ve seviye göstergeleri, hava filtesi ve basınç emniyet valfi standart elemanlar olarak bulunmaktadır. Tankın yağ kapasitesi yaklaşık olarak 80 litredir. Tek bobinli disk valf deney tesisatında kullanılan yön denetim valfi; test edilen disk valften önce akışkan ihtiyaç olamadığı durumlarda akışkanı tanka yönlendirmek ve silindiri geri çekmek amacı ile kullanılmaktadır. Bu valf REXROTH marka (4WE 10G11/LG 24N) dc, açık merkezli bir solenoid valftir. Kullanıcı olarak silindir; 200 mm strok, 25 mm piston çapı ve 16 mm piston çubuğu çapına sahip çift piston çubukludur. Akım sürücü, elektronik bir devreden ibaret olup, cevap hızı denetim sistemi içindeki diğer elemanlara göre çok daha yüksek olduğundan şeklinde bir kazanç elemanı olarak kabul edilmiştir. Konum algılayıcısı, direnç tipi dönüştürücü olup elektriksel özellikleri olarak toplam direnç 10 kω±20%, doğrusallık ±0.5% verilebilir. Mekanik özellikler ise, Bilgisayar (dspace kart) Solenoid valf sürücüsü Konum algılayıcı Disk valf Solenoid valf M Sabit debili pompa strok 200 mm, mil hareket kuvveti 2 N, dayanma halinde müsaade edilebilir kuvvet 45 N olarak verilebilir. V. ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA Akım sürücü Şekil 4 Tek bobinli disk valf için deney tesisatı şeması Dinamik çalışmalar, kapalı-döngü konum denetim sisteminde, basamak girişe karşılık çeşitli DGM frekanslarına göre sistem cevabı şeklinde gerçekleştirilmiştir. Şekil 6 ve Şekil 7 de sırası ile 20 Hz ve 160 Hz DGM frekanslarında konum denetim sisteminin cevapları verilmiştir. Şekil 6 daki 20 Hz lik DGM sinyalinde basamak giriş cevap eğrisinden sistemin birinci derece sistem gibi davrandığını ve zaman sabitinin yaklaşık 0.22 s olduğu görülmektedir. Ayrıca, diskin hareketinin uyarı yapılır yapılmaz gerçekleşmediği için bir miktar gecikme olduğu görülmektedir ve bu değer s civarındadır. Kullanılan tek bobinli disk valf normalde kapalı bir valftir. Bu kapama işlemi öngergili bir yay ile sağlanmaktadır. Bu öngerginin de ilk açılmada bir gecikmeye neden olmaktadır.

4 Şekil 5 Tek bobinli disk valf konum denetim sistemi deney tesisatı Silindir konumu [cm] 12 Silindir konumu [cm] Zaman [s] Şekil 6 Tek bobinli disk vafte basamak giriş cevabı (DGM=20 Hz) Hata işaretinin sıfıra yaklaştığı, doluluk oranının azaldığı durumda yay kuvvetinin oluşturduğu kapatma kuvveti, mıknatıs kuvvetinden büyük olmaya başlaması bir kalıcı durum hatası oluşturmaktadır. Bu durum şekilden de görülmektedir. Şekil 7 de 160 Hz lik DGM sinyalinde basamak giriş cevabı görülmektedir. Burada en belirgin değişim cevap hızının artmasıdır. Ancak hatanın azalmasına Zaman [s] Şekil 7 Tek bobinli disk vafte basamak giriş cevabı (DGM=160 Hz) karşılık gelen DGM sinyalinin doluluk oranlarındaki azalma kalıcı durum hatasının oluşmasını engelleyememektedir. Bu iki durum incelendikten sonra en uygun çalışma frekansının 20 Hz ile 160 Hz arasında olduğu söylenebilir. Bunun için 80 Hz frekansında bir DGM sinyalinde basamak giriş cevabı elde edilmiş ve Şekil 8 de verilmiştir.

5 Silindir konumu [cm] Zaman [s] Şekil 8 Tek bobinli disk vafte basamak giriş cevabı (DGM=80 Hz) Şekil 8 den de görüleceği gibi sistem 160 Hz DGM sinyalinden elde edilen cevaba benzer bir cevap vermiştir. Oluşan kalıcı durum hatası hemen hemen ortadan kalkmıştır. VI. SONUÇ Solenoid valflerde giriş işareti doğru akım gerilim seviyesi, çıkış işareti debi olarak oluşmaktadır. Bobin uçlarına uygulanan DGM sinyalindeki doluluk oranları, dc gerilim seviyesidir. Bu doluluk süreleri içerinde valf açılmakta ve valften akışkan geçmesi sağlanmakta, boşluk sürelerinde ise valf kapatılmaktadır. Sürekli açılıp kapanan valften kesikli bir akış elde ediliyor gibi gözükse de zaman ortalaması alındığında sürekli bir akış elde edilmektedir. Bu akış miktarı DGM sinyalinin frekansı ve doluluk boşluk oranlarındaki değişime bağlı olarak değişmektedir. Elde edilen simülasyon sonuçlarından [15], tek bobinli disk valfin cevap hızının ms civarında olduğu gözlemlenmektedir. DGM frekansının belirlenmesi için önemli bir kriter olan anahtarlama elemanının frekansı yaklaşık 160 Hz olmaktadır. Bu frekansın üzerindeki frekansları valfin takip etmesi zor olacağından çalışma frekansı ya da DGM frekansının 160 Hz in üzerinde olmaması gerekir. Alt sınır için ise silindir sisteminin cevap hızı olacaktır. Tek bobinli disk valf ile denetlenen silindir sisteminin cevap hızı yaklaşık olarak 46 ms dir. Buna göre tek bobinli disk valf için alt sınır değer yaklaşık 22 Hz olarak çıkmaktadır. Oluşturulan konum denetim sisteminde, aç-kapa olarak çalışan tek bobinli disk valf ve çift bobinli disk valf ile DGM tekniği kullanılarak oransal bir denetim gerçekleştirilmiştir. Oransal denetimde kullanılan, oransal solenoid valfler ve özellikle servovalfler çok pahalıdır ve özel elektronik devreler gerektirmektedir. Servovalfler çok hassas imal edilmeleri gerektiğinden çok pahalıdır ve herkes tarafından imal edilememektedir. Basit yapısı, çok yüksek toleranslar gerektirmeyen bir şekilde imal edilen bu tür valfler ile DGM tekniği kullanılarak denetim yapmak mümkündür. Yüksek imalat teknolojisi gerektirmediği içinde servovalflere göre daha ucuza imal etmek mümkündür. KAYNAKLAR 1. YÜKSEL, İ. (1981). An Investigation of Electrohydraulic Floating Disc Switching Valves. Doktora tezi, University of Surrey. 2. USMAN, A. (1984). Development of an electrohydraulic floating double-disc valve. Doktora tezi, University of Surrey. 3. LAU, K.S. (1987). Position controlled disc valve. Doktora tezi, University of Surrey. 4. SUN, Y. ve G. A. PARKER. (1992). Steady-State Theoretical Model of An Electrohydraulic Single-Disk Pilot Valve. Transaction of the ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control,Vol.114, MUTO,T., H.YAMADA ve Y.SUEMATSU. (1990). Digital Control of Hydraulic Actuator System Operated by Differential Pulse Width Modulation. JSME International Journal, Series III, Vol.33, No:4, WENNMACHER, G. (1992). Elektrohydraulischer Positionerantrieb mit Schnell-schaltventilen und Digitaler Regelung. o+p Olhydraulik und pneumatik, Nr.2, MURTAUGH, S.A. (1959). An Introduction to the Time Modulated Acceleration Switching Electrohydraulic Servomechanism. Transaction of the ASME Journal of Basic Engineering, LEUFGEN, M. ve Y. LU. (1991). Pneumatischer Positionerantrieb mit Schaltventilen. o+p Olhydraulik und pneumatik, Nr.2, IKEBE, Y. ve T. NAKADA. (1973). On a Piezoelectric Flapper Type Servovalve Operated by a Pulse-Width-Modulated Signal. Fourteenth Joint Automatic Control Conference of The American Automatic Control Council,

6 10. GOLDSTEIN, S.R. ve H.H. RICHARDSON. (1968). A Differential Pulse-Length-Modulated Pneumatic Servo Utilizing Floating Flapper Disk Switching Valves. Transaction of the ASME Journal of Basic Engineering, YÜKSEL, İ., M. ŞENGİRGİN, H. İ. ÖNBAŞ. (1994). Elektrohidrolik Valflerin DGM Tekniği İle Sürülmesinin Teorik ve Deneysel Araştırılması. Otomatik Kontrol Bilimsel Toplantısı, TOK'94, ŞENGİRGİN, M., İ. YÜKSEL, G. ŞEFKAT ve H. İ. ÖNBAŞ. (1996). DGM Tekniği İle Servovalf Kumandalı Hidrolik Sistemlerde Mikrodeneticili Konum Kontrolu. Otomatik Kontrol Bilimsel Toplantısı, TOK'96, ŞENGİRGİN, M., İ. YÜKSEL ve G. ŞEFKAT. (1998). DGM Tekniği İle Hidrolik Servomekanizmalarda Konum Kontrolunun Bilgisayar Simulasyonu. Otomatik Kontrol Bilimsel Toplantısı, TOK'98, PARKER, G.A. ve SUN, Y.B. (1995). A Mechantronic approach to compact fluid disc valve design. Proc. Instn. Mechn. Engrs., Vol. 209, sayfa ŞENGİRGİN, M. (2000). Elektrohidrolik Disk Valflerin Geliştirilmesi ve Bunların Çeşitli Sinyal İşleme Teknikleri Yolu İle Denetlenmesinin Araştırılması. Doktora Tezi, U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa. 16. ŞENGİRGİN, M., İ. YÜKSEL ve G. ŞEFKAT. (2000). Mekatronik Yaklaşım İle Elektrohidrolik Disk Valflerin Tasarımı ve DGM Tekniği İle Sürülmesinin İncelenmesi. 9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi, UMTİK