OTOMATİK KONTROL LABORATUARI DENEYLERİ 1 TAŞIT ELEKTRONİĞİ VE DENETİMİ Prof. Dr. İbrahim YÜKSEL AMAÇ Günümüz elektronik denetimli otomobillerde kullanılan algılayıcılar hakkında genel bilgi vermek ve bu algılayıcıların kapalı döngü denetim sistemlerindeki önemini incelemektir. GİRİŞ Günümüz taşıtlarının önemli bir kısmı elektronik denetimli olarak çalışmaktadır. Özellikle ateşleme ve yakıt denetimi hemen hemen tamamen elektronik donanımlarla gerçekleştirilmektedir. Elektronik denetim elemanları benzeşik (analog) veya digital sistemlerle kontrol edilebilmektedir. Ancak eğilim digital sistemler üzerine olmaktadır. Otomotiv elektroniği ekipmanları bir çok şekilde ve büyüklükte olabilmektedirler. Evde kullanılan tranzistör, diyot gibi elemanlardan mikroişlemci, hafıza ve giriş çıkış arayüzlerinden oluşan sistemlere kadar çok çeşitli elemanlar bulunmaktadır. Bugüne kadar elektronik motorlarda, güç iletiminde, frenleme sisteminde, güç kaynaklarında, göstergelerde, radyolarda, havalandırma sistemlerinde ve bunun gibi çok geniş alanlarda kullanılmaktadır. Taşıtlarda kontrol sistemlerinde mekanik elemanlar yerine elektronik elemanların kullanılmaya başlaması ile kontrol edilebilirlik daha kolay hale gelmiştir. Bu da taşıt performansını arttırmıştır. Elektronik denetim elemanları benzeşik (analog) veya sayısal (digital) biçimde olabildiği gibi bunların ikisinin bileşimi olan karma veya melez (hybrid) biçimde olabilirler. Günümüzdeki uygulamalarda daha çok karma elektronik denetim sistemi donanımları kullanılmaktadır. Şekil 1' de verilen geribeslemeli denetim sistemi blok (öbek) şeması üzerinde bir taşıt elektroniği ve denetiminin elemanlarını aşağıdaki gibi açıklayabiliriz. Karşılaştırıcı ve giriş elemanlarını da içine alan denetleyici veya denetim sistemi temelde mikrodenetleyici (microcontroller) olarak isimlendirilen bir elektronik devredir. Bu sistem sayısal elektronik devre elemanları ile sistemin çalışmasını ve denetim etkisi yordamlarını (algoritma) çalıştıran bir yazılımdan meydana gelmiştir. Taşıtlarda bu sistem elektronik denetim birimi (electronic control unit) veya kısaca ECU olarak bilinir. Şekilden de görüldüğü gibi denetleyicide giriş bilgileri ile geri besleme bilgileri karşılaştırıldıktan sonra ortaya çıkan hata işaretine bağlı olarak uygun bir denetim bilgisi veya işareti üretilir. Bu denetim bilgisi denetleyicide uygun bir denetim etkisi (PID, bulanık mantık vb.) biçimde hazırlanır. Bu işlem de uygun bir yazılım programı ile yerine getirilir. Denetleyicinin (ECU) çıkışında elde edilen denetim bilgisi veya işareti eyleyiciye GİRİŞ Kumanda İşareti v(t) Başvuru Giriş Elemanları DENETLEYİCİ (ECU) Karşılaştırıcı ADC Hata Sinyal i e(t) Denetim Yordamı Denetim Sinyali m(t) Geribesleme Sinyali b(t) DAC Algılayıcı Eyleyici veya motor eleman Düzeltme Sinyali (motor elemana) gönderilir. Yalnız sayısal biçimde (kesikli) olan bu işaret genelde benzeşik (sürekli) işaret ile çalışan eyleyiciye gönderilmeden önce DAC ( sayısal benzeşik dönüştürücü) adı verilen bir elektronik bir devrede benzeşik bir işarete dönüştürülür. Bu işaret Sürücü Devre Şekil 1 Elektronik denetleyicili geribeslemeli sistem a(t) Bozucu Giriş (d(t)) Ateşleme veya yakıt sistemi vs. Denetlenen Sistem ÇIKIŞ Denetlenen Değişken c(t)
OTOMATİK KONTROL LABORATUARI DENEYLERİ 2 ise düşük akımlı bir gerilim işareti olduğundan bir eyleyiciyi harekete geçirecek güce sahip değildir. Bunun içinde benzeşik elektronik elemanlardan (genelde transistor, diyot gibi) meydana gelmiş sürücü devre (akım sürücüsü ve güç kuvvetlendiricisi) adı verilen bir devre kullanılır. Bu devreden sağlanan görece yüksek akımlı elektrik enerjisi genelde temel devresi bir sargı (bobin) elemanından oluşmuş elektromekanik eyleyici de gerekli ve yeterli mekaniksel bir hareket oluşturur. Bunun sonucunda sistemde denetlenen nicelik (değişken) arzu edilen değere getirilmeye çalışılır. Taşıtlarda yer alan elektronik denetimli eyleyicilerin belli başlıları ateşleme bobini, elektromekanik enjektörler, ABS fren mekanizmaları vb. olarak sıralanabilir. Bunlar genelde ECU dan denetimli (geri beslemeli denetleyici) eyleyicilerdir. Taşıtlarda bunun dışında ayrıca merkezi kilit sistemi, cam silecekleri ve benzeri yerlerde yerel (local) denetimli eyleyiciler kullanılır. Buna karşılık hava koşullarına duyarlı olarak çalışan cam silecekleri de komutu ECU dan alır. Geri beslemeli denetim döngüsü içinde yer alan en önemli elemanlardan birisi de algılayıcılardır. Algılayıcı denetlenen değişkeni algılayıp değerlendiren bir ölçme elemanıdır. Elektronik denetimli bir sistemde kullanılan algılayıcıların önemli bir bölümü elektronik elemanlardan meydana gelir. Bir algılayıcıyı; algılama ve işaret kuvvetlendirmedeğerlendirme olmak üzere iki kısımda inceleyebiliriz. Algılama kısmı ölçülecek ve dolayısıyla denetlenen değişkeni duyan, hisseden bölümdür. Burada sıcaklık, basınç, konum, akış, devir gibi fiziksel değişkenler uygun bir işarete dönüştürülür. Algılayıcının bu kısmı işaret veya enerji dönüştürücüsü (transducer) olarak bilinir. Burada ölçülen fiziksel nicelik genellikle önce bir mekanik işarete daha sonra da elektrik işaretine dönüştürülür. Bu dönüştürme işlemi için elektronik elemanlardan oluşmuş devreler kullanılır. Bu devre içinde algılama kısmının ürettiği zayıf elektrik işareti kuvvetlendirilerek ölçme değerlendirmesi için şartlandırılır. Algılayıcı çıkışı, genelde benzeşik bir işaret olduğundan denetleyiciye gönderilmeden önce benzeşik- sayısal dönüştürücü olan ADC de sayısal işarete dönüştürülmesi gerekir. Taşıtlarda kullanılan belli başlı algılayıcı türlerini Sıcaklık algılayıcısı, Devir algılayıcısı, Konum algılayıcısı, Basınç algılayıcısı, Akış veya debi algılayıcısı olarak sıralayabiliriz. Her bir tür algılayıcı için değişik uygulama elemanlarına göre değişik teknik ve yapılar kullanılır. Örneğin sıcaklık algılayıcısı olarak, yüksek sıcaklık uygulamalarında ısıl çift (thermocouple) adı verilen sıcaklık algılayıcısı kullanılırken, düşük sıcaklık uygulamalarında termistör (thermistor) adı verilen sıcaklık algılayıcıları kullanılmaktadır. Her tür yapının çalışması belli bir fiziksel yapıya dayanır. Örneğin termistörler daha çok sıcaklık değişimine bağlı olarak ortaya çıkan direnç değişimi temeline göre çalışır. Bu tür bir algılayıcıda sıcaklık değişimi (ölçülen, algılanan fiziksel değişken) önce elektriksel direnç değişimine dönüşür. Bu dönüşüm de daha sonra uygun bir elektronik devre (işaret değerlendirme) yardımı ile elektriksel işarete dönüştürülür. Bu dönüştürlen elektrik işareti uygun bir kalibrasyon (ölçme değeri ayarı) yolu ile algılanan veya ölçülen değişkenin (sıcaklık algılayıcısında sıcaklık) bir ölçüsü veya değeri olarak algılanır veya değerlendirilir. İyi bir algılayıcıdan istenen temel özellik giriş ve çıkışı arasında doğrusal bir bağıntı kurabilmesidir. Bu doğrusal bağıntı ise bir orantı katsayısı olarak tanımlanır ve gerçekte bir sabitten ibarettir. Diğer taraftan algılayıcının cevap hızı sistemin diğer kısımlarına göre daha Giriş Algılanan veya ölçülen fiziksel nicelik Algılayıcı K Çıkış (Genel Değerlendirilen dönüştürülmüş işaret, bilgi Şekil 2 Algılayıcı Kazançı
OTOMATİK KONTROL LABORATUARI DENEYLERİ 3 yüksek olmalıdır. Buna göre dinamik açıdan algılayıcı gecikmesi sıfır olan bir kazanç elemanı olarak ele alınabilir. Yalnız sıcaklık algılayıcılarında önemli oranda zaman gecikmesi vardır. Bu değer genelde tüm sıcaklık denetim döngüsü içerisinde görece küçük kabul edilebilir. Bu açıklamaların ışığı altında bir algılayıcının giriş ve çıkışı arasındaki temel bağıntıyı aşağıdaki blok şema içinde gösterebiliriz. Burada ; K: Dönüşüm ve kuvvetlendirme katsayısı olup birimi genellikle ölçülen veya algılanan fiziksel değişken birimi başına volt' tur. Örneğin sıcaklık algılayıcısında K' nın birimi Volt/ o C olacaktır. Burada sıcaklığın Celsius olarak ölçüldüğü varsayılmıştır. Buna karşılk bir konum algılayıcısında K' nın birimi [Volt/mm] veya [Volt/m] veya [Volt/rad] olarak değerlendirilebilir. Algılayıcının ayarlanması (Calibration) ve K sabitinin bulunması, değerlendirilmesi Algılayıcının ölçtüğü niceliğin değerinin bulunabilmesi için önceden ayarlanması gerekir. Bu da algılayıcının giriş değişkeni ile çıkış değişkeni arasında bağıntı kuran K katsayısının bulunması demektir. K katsayısı ayarı yapılan algılayıcıya özel olup her bir algılayıcı için ayrı ayrı bulunması gerekir. K katsayısının bulunması ve ayarı için ayarı yapılacak algılayıcı ve buna ait elektronik devre, algılayıcının algıladığı fiziksel niceliği doğru olarak ölçen bir ölçü aleti ve bir adet voltmetreye ihtiyaç vardır. Bu elemanların bağlantı biçimi Şekil 3' te gösterildiği gibidir. Burada algılayıcı uç elemanı (probu) ve ayarı belli ölçme elemanı, fiziksel olarak değiştirilebilen ölçme ortamına yerleştirilir. Ölçme ortamındaki fiziksel değişken bir fiziksel olay ile değişikliğe uğratılarak sonuç ölçme elemanı ve algılayıcı çıkışında gözlenir sonuçlar yazılır. Örneğin algılayıcının Ayarı belli ölçme elemanı Ölçme veya algılama ortamı Elektronik Devre Algılayıcı uç elemanı (prob) Voltmetre Şekil 3 Algılayıcı Ayarı ayarında ölçme ortamı, sıcaklığı ısıtma yoluyla değiştirilebilen bir ortam olabilir. Örneğin bir kap içinde ısıtılan su gibi. Ölçülen ortamın fiziksel niceliğindeki değişimlerin sonucu hem ölçme elemanından gerçek fiziksel değeri (örneğin sıcaklık ölçümünde o C gibi) ve algılayıcı çıkışını gösteren voltmetreden de buna karşılık gelen elektrik işareti (volt) olarak okunur ve kaydedilir. Bu sonuçlar aşağıdaki tabloda görüldüğü gibi kaydedildikten sonra bu tabloya karşılık gelen grafik te Şekil 4' te olduğu gibi elde edilebilir. Ölçülen gerçek değer Karşılık gelen elektriksel değer (volt) Şekil 4. Algılayıcı ayar (kalibrasyon) eğrisi Eğer algılayıcı doğrusal çalışıyorsa elde edilen eğri eğimi K olan bir doğrudan ibarettir. Burada K katsayısı
OTOMATİK KONTROL LABORATUARI DENEYLERİ 4 Göstergedeki değişim Ayarlanan değer (Volt) K = Gerçek değerdeki değişim olarak değerlendirilir ve hesaplanır. Volt %100 K 0 10 Ölçülen gerçek değer %100 Şekil 4 Ayar (kalibrasyon) eğrisi Herhangi bir algılayıcı için bir kez ayar değeri olarak K katsayısı bulunduktan sonra buna göre çeşitli ölçüm ve değerlendirmeler yapılabilir. Bir kez K katsayısı ayarlandıktan sonra voltmetre yardımı ile ölçülen gerilim (volt) işaretine karşılık gelen fiziksel değişkenin değeri hesaplanabilir. Bu durumda ölçülen gerilim işaretine karşılık gelen fiziksel değer o 1 C katsayısı K'=1/K veya sıcaklık algılayıcısı örneğinde K'= = 0.1 olarak bulunur. o 10mV / C mv buna göre 1 Volt veya 1000mV gerilim işaretine karşılık gelen sıcaklık değeri 0.1[ o C/mV]*1000[mV]=100 o C olarak hesaplanabilir. TAŞITLARDA KULLANILAN BELLİ BAŞLI ALGILAYICILAR ve DENEYLERİ 1. SICAKLIK ALGILAYICISI: Motor soğutucu sıcaklığını algılamak üzere kullanılır. Sıcaklığa bağlı olarak motor yük durumunu belirlemekte ve motor yük durumuna göre de yakıt tüketimini (ayarlamak) denetlemek mümkündür. Taşıtlarda daha çok ucuzluğu ve basitliği nedeniyle termistör tipi sıcaklık algılayıcısı kullanılmaktadır. Termistör Sıcaklık Algılayıcısı Ayarı (Kalibrasyon) Amaç: Termistörün karakteristik eğrisini ve buna bağlı olarak ayar değerini veya kazanç katsayısı K (Volt/ 0 C) nın belirlenmesi Sıcaklık Algılayıcı Deney Düzeneği Şekil 5a Isıtıcı Şekil 5b Isıtma tankı
OTOMATİK KONTROL LABORATUARI DENEYLERİ 5 Şekil 6 Sıcaklık algılayıcısı (termistor)deney düzeneği 2. MOTOR DEVİR ALGILAYICISI: Motorun çalışma ve güç durumunu belirten önemli parametrelerden birisi motor devridir. Rölanti ve tam yükte çalışma durumları motor devrine göre ayarlanır. Dolayısıyla iyi bir motor denetimi (ateşleme ve yakıt denetimi) için motor devrinin iyi bir şekilde algılanması gerekir. Genelde devir algılayıcısı olarak çeşitli teknikler kullanılmakla beraber temelde iki farklı yöntem vardır. Bunlar; Benzeşik (analog) devir ölçüm tekniği, Sayısal (digital) devir ölçüm tekniği, Benzeşik devir ölçüm tekniğinde kullanılan temel eleman takoüreteçtir. Takoüreteç bir doğru akım üreteci olup devri ölçülecek mile doğrudan bağlanarak ilgili aracın devir sayısına orantılı bir elektriksel gerilim işareti üretir. Bu aynı zamanda devri ölçülen aygıttan (motor vb.) güç çeker. Dolayısıyla çok düşük güçlü aygıtlar için fazla uygun değildir. Sayısal devir ölçme yöntemlerinde devir sayıları ölçülür. Bunun için çeşitli teknikler kullanılır. Genelde devri ölçülecek aygıtın dönen kısmında bir başvuru noktası tespit edilir ve başvuru noktasına göre birim zamanda dönme sayısı belirlenir. Dönme sayısını algılamak için ise çeşitli teknikler kullanılır. Bunlardan birisi mıknatıssal algılama (magnetic pick up) ve diğeri ışıksal algılamadır. Mıknatıssal algılama tekniğinde bir elektromıknatıs eleman motora bağlı dönen bir dişli çarka yakın mesafeden bağlanır ve çarkın diş ve dişlerinin mıknatıssal algılayıcının önünde geçişine bağlı olarak oluşan mıknatıs akı yoğunluğunda, devir sayısına ve çarkın konumuna bağlı olarak periyodik artma ve azalmalar meydana gelir. Bu artma ve azalmalar daha sonra uygun bir elektronik devre yardımıyla elektriksel darbe (impuls) işaretlerine dönüştürülür. Bu darbe işaretlerinin birim zamandaki sayısı devir sayısı olarak tespit edilir. Mıknatıssal algılayıcılar motorlarda yaygın olarak kullanılırlar. Bunlarda, tek diş yerine üzerinde belli sayıda dişler bulunan bir dişli çark kullanılacak olursa bu şekilde motorun devir
OTOMATİK KONTROL LABORATUARI DENEYLERİ 6 sayısı yanında motor dönme konumu da tespit edilebilir. Motor konumu, pistonların üst ve alt ölü noktalarının belirlenmesini sağlar ve bu da iyi bir ateşleme denetimi için gerekli konum işaretini sağlamış olur. Işık algılayıcılarının temel elemanı; bir ışık saçan diyot (LED) ile bir ışığa duyarlı diyottan (photodiot) oluşmuş bir optik çifttir (optocoupler). Bu iki diyot karşılıklı birbirini görecek biçimde yerleştirilmiş olup ışığa duyarlı diyot, ışık saçan diyota bağlı olarak belli bir değerde elektrik işareti üretir. Eğer bu iki diyot arasına bir engel gelecek olursa ışığa duyarlı diyotun ürettiği gerilim sıfır veya en küçük değere düşer. Buna karşılık iki diyot arasında yarık içine, üzerinde bir delik bulunan bir çark yerleştirilir ve sürekli dönmeye tabi tutulacak olursa, ışığa duyarlı diyottaki elektrik gerilimi işareti periyodik bir değişim gösterecektir. Bu değişim uygun bir elektronik devre yardımıyla darbe trenlerine dönüştürülür. Yine bu darbelerin birim zamandaki sayısı dönen sistemin devir sayısını vermiş olur. Bu teknikte dönen çarkın üzerine tek bir delik yerine belli sıklıkta pek çok delik açılacak olursa, bu şekilde devir yanında açısal konumunda belirlenmesi sağlanabilir. Sayısal devir algılama teknikleri yolu ile oluşturulan darbe treni işaretleri doğrudan mikroişlemciye gönderilebilir. Böylece benzeşik işaret üreten algılayıcılarda olduğu gibi ayrıca benzeşik- sayısal çeviricilere (ADC) gerek kalmaz. Mikroişlemci ise doğrudan darbe sayılarını değerlendirebilir. Şekil 7a Tek delikli ışıklı devir algılayıcısı Şekil 7b Çok delikli ışıklı devir algılayıcısı Devir Algılayıcı Deney Düzeneği Şekil 8 Açısal hız ve konum deney düzeneği
OTOMATİK KONTROL LABORATUARI DENEYLERİ 7 3. AÇISAL KONUM ALGILAYICILARI: Konum algılamada devir algılayıcısında olduğu gibi benzeşik ve sayısal olmak üzere iki yöntem kullanılabilir. Benzeşik konum algılayıcısı olarak çeşitli tekniklerden yararlanılmakla birlikte en basiti bir değişken elektrik direnci olan potansiyometredir. Potansiyometrenin iki ucu sabit bir ucu değişkendir. Sabit uçlarına belli değerde elektrik gerilimi verilecek olursa değişken ucun hareketine bağlı ve orantılı olarak hareketli uçtan, yer değiştirmeye orantılı elektrik gerilim işareti elde edilmiş olur. Böylece yer değiştirmenin bir ölçüsü olarak elektriksel gerilim işareti elde edilmiş olur. Potansiyometre tipi konum lagılayıcısı yanında LVDT (doğrusal değişken farksal dönüştürücü), magnetostrict tipi benzeşik konum algılayıcıları da mevcuttur. Sayısal konum algılayıcıları temelde devir algılayıcıları ile benzerlik gösterir. Temelde bir tek başvuru noktasının birim zamanda sayımı yerine, bu başvuru noktasına göre birden fazla noktanın konumunu saymaya dayanır. Şekil 9a Şifreli Disk Şekil 9b Şifre Tablosu Deney ve gözlem: Motoru çeşitli devirlerde çalıştırarak buna karşılık gelen periyot değerlerini osiloskoptan okur ve formul yardımıyla motor devrini hesapla. Bu hesaplanan değerleri, ışıklı devir sayısı göstergesinden okunana değerleri karşılaştır ve sonucu yorumla. Takoüreteç ile devir ölçümü : Bunun için motor dönme hızı bir önceki deneydeki gibi ayarlanır. Şekil? deki gibi ayarlanır. Şekildeki deney düzeneğine ilave olarak, DC Motor modülü üzerinde yer alan tachogenerator output (takoüreteç çıkışı) bağlantı noktasına bir adet voltmetre bağlanır. Bu voltmetre üzerinde farklı motor devişrlerine karşılık gelen elektriksel gerilim işareti volt olarak okunur ve sonuçlar bir tablo şeklinde düzenlenir. Bu sonuçlar daha sonra şekilde görüldüğü gibi bir grafik olarak çizilir ve burada algılayıcı kazanç katsayısı V K[ ] olarak elde edilir. dev / dk Konum algılama ölçümleri: Deney düzeneği, Şekil? deki hız ölçümlerindeki ile aynıdır. Buna ilaveten motoru istenen konumda denetlemeyi sağlayan bir geribeslemeli denetleyici. Üzerinde karşılaştırıcı ve PID denetleyici bulunan benzeşik denetim organı ayrıca bağlanmış olarak sunulacaktır. Bu
OTOMATİK KONTROL LABORATUARI DENEYLERİ 8 Volt Volt dev / dk Şekil 10 Devir ayar eğrisi N [dev/dk] durumda komut giriş elemanı denetim organına ve konum algılayıcı (potantiometer output) çıkışı geribesleme elemanı olarak denetleyiciye bağlanır. Böylece giriş potansiyometresi yardımıyla herbir açısal giriş konumuna karşılık bir çıkış konumu sağlanmaya çalışılır. Giriş ayar değeri ile çıkış mili açısal konum göstergesi değerleri arasında belli bir fark veya sapma ortaya çıkabilir. Bu fark denetim mekanizması hassasiyeti ile ilişkilidir. Gray-Code (Şifre) Konum Algılayıcı yardımı ile konumun açısal değerlendirilmesi : Giriş potansiyometresinin açısal konumuna bağlı olarak gray-code disk üzerinden değerler sayısal olarak okunur. 4 bitlik bu algılayıcıda, kod (şifre) çizgileri üzerinde yer alan küçük ışıklı göstergelerin üzerindeki çizgilerin durumu soldan sağa doğru okunur. Örneğin herhangi bir an ve konumda, soldan sağa doğru ışıklı göstergelerden ilk ikisi disk üzerinde beyaz bölgeye ve son ikiside siyah bölgeye isabet etmiş olsun. Bu durumda beyaz (açık renk) bölge 0, ve siyah (koyu) bölge 1 olarak değerlendirilerek ikili sayılar (binary) sisteminde 0011 olarak tespit edilir. Bu değerin 10 luk sayı sisteminde karşılığı 0.2 3 +0.2 2 +1.2 1 +1.2 0 =3 tür. Bu sıfırdan itibaren...devirlik bir artıma karşılık olup, her bir adım 2.5 o ye karşılık geldiğinden 3*2.5=7.5 o lik bir açısal konuma karşılık gelecektir. Bu durum ayrıca Tablo? den de görülmektedir. SAYISAL ARAYÜZ ELEMANLAR Benzeşik takoüreteç (devirölçer, devir algılayıcı) motor milinin devir veya dönme sayısına göre orantılı gerilim sinyali üretir. Bu sinyal sürekli bir sinyal olup zamanın her anı için belli bir değer olarak okur. Sayısal hız algılama yönteminde dönme durumuna bağlı olarak var/yok biçiminde bir mantık sinyali üretimine dayanır. Burada elde edilen işaret kesikli işarettir. Bunun en basit biçimi devir başına tek bir sinyal oluşturmak olmakla beraber, çeşitli teknikler kullanarak devir başına birkaç yüz darbe sinyali oluşturmak mümkündür. Darbe sinyali üretiminin/oluşturulmasının çeşitli yolları vardır. Bunlar; Sürekli ışık denetimini kesintiye uğratmak, Bir mekanik düğmenin (kontağın) işletilmesi/ açılıp kapanması Bir mıknatıs aygıtın açılıp kapanması Mıknatıs şeritlerinde darbe işaretlerinin alınması AÇISAL KONUM ALGILAYICILARI (syf:80) Sayısal Yöntemler; 1. Artırımsal 2. Mutlak
OTOMATİK KONTROL LABORATUARI DENEYLERİ 9 ARTIRIMSAL: Bu yöntemde sıfır başvuru noktasından ne kadar uzağa gidildiği belirlenir. Buna karşılık mutlak olarak hangi konumda olduğu belirlenemez. Artırımsal konumu gösteren veya ölçen aygıtlar artırımsal (enkoder) şifre çözücü olarak bilinir. Temelde ışıklı algılayıcılar yolu ile darbe treni işareti üreten hız algılayıcılarına benzer. Bu durumda disk elemanı üzerinde (ŞEKİL' de görüldüğü gibi) mutlaka birden fazla delik veya yarık kullanılır. Bu sistemin ürettiği sinyaller eşit aralıklı var/ yok (1/0) periyotlarına sahiptir. Burada her bir durum belli bir dönme konumuna karşılık gelir. Burada bir dönmeye karşılık gelen yarık sayısı ne kadar çok olursa o kadar hassas konum ölçümü sağlanır. Artırımsal konum algılayıcılar sıfır başvuru noktasından ne kadar uzaklaştığımızı göstermekle beraber, bu başvuru noktasına göre ne yönde hareket ettiğini belirleyemez. Bu yöntemde dönme yönünü belirleyebilmek için sistem A ve B şeklinde iki ayrı dalga biçiminde sinyal üretecek şekilde değiştirilir (mofiye edilir). Artırımsal hareket birbirine zıt evrede (fazda) iki sinyalde (izlenen veya önden giden ve izleyen veya arkadan giden) birisi yolu ile verilir. Hareketin yönü izleyici sinyal tarafından belirlenir. Daha sonra bir elektronik devre yardımı ile iki dalga biçimi aşağıda verilen iki tür sinyal üretmek üzere işleme tabi tutulur. Artırımsal dalga biçimi Yönü belirleyen bir mantık seviyesi Üretilen (oluşturulan) bu sinyaller bir Yukarı/Aşağı sayıcıya veya bir mikrobilgisayara (mikro işlemciye) yönlendirilir. Artırımsal şifre çözücüler görece ucuz olup bir devirde birkaç yüz artım oluşturabilir. Daha sonra A/B dalga biçimlerinin çıkış ve iniş kenarlarını kullanmak suretiyle bu dalga biçimi elektronik olarak 4 ile çarpılarak frekansı iki katına çıkarılabilir. MUTLAK ŞİFRE ÇÖZÜCÜ Bu şifre çözücü daima gerçek bir konumu gösterir. Mutlak şifre çözücü n bitlik bir sayısal şifre oluşturur. Oluşturulan şifrenin hassasiyeti bit sayısı ile doğru orantılıdır. En basit şifre çözücü 4 bitliktir. Bit sayısı arttıkça maliyette büyük oranda artar. Bugün 16 bitlik bir şifre çözücü pek çok uygulama için yeterli hassasiyeti sağlar. Bugün 64 bite kadar çıkılmıştır. Burada bit ikili (binary) sayılar sistemine göre rakamdaki hane sayısıdır. 4 bitlik bir şifre çözücü ikili sayılar sisteminde 4 haneli rakam ile belirlenir. Şifrenin sağladığı hassasiyet veya ayrım 1/2 n dir. Mutlak şifre çözücü bir döner disk işe ışıklı algılayıcılardan oluşur. ŞEKİL de görüldüğü gibi bir disk yüzeyinde koyu ve açık renklerden meydana gelmiş??? ışığı geçirme ve kesme durumuna bağlı olarak sayısal bir şifre oluşturulur. İkili sayılar şifre sistemi mutlak şifre uygun olmadığında bu durum Grad şifre sistemi kullanılır. TABLO böyle bir şifre sistemini göstermektedir. Gray şifre sisteminin en önemli özelliği her bir artırımsal harekette yalnızca bit değişir. ŞİFRELİ DİSK (VEYA KODLU DİSK) YARDIMI İLE AÇISAL KONUM ÖLÇÜMÜ: Bu sayısal konum ölçüm yöntemlerinden birisi olup bunun için ŞEKİL de görülen üzerinde özel şifreleme işaretleri bulunan bir disk kullanılır. Disk, konumu ölçülecek bir mile bağlı olarak dönerken ışıklı algılayıcılar ile diskin üzerindeki şifreler algılanır. Işıklı algılayıcılar disk yüzeyindeki siyah (koyu) renkli kısımları 1 (veya on) ve açık (beyaz) renkli kısımları da 0 (veya off) olarak algılar. Disk üzerinde radyal yöndeki çizgilerin diziliş sayısı konum algılama hassasiyetini belirler. ŞEKİLdeki disk üzerinde radyal yönde dört adet çizgi bulunduğundan bu 4 bit (ikili sayı şifre birimi) lik hassasiyete sahiptir. Bu ikili sayılar sisteminde devir başına 2 4 =16 veya 1/16 lık hassasiyet demektir. Bir devir 360 o olduğuna göre 360 o /16=22.5 o lik hassasiyet sağlanır. Bu oldukça düşük bir hassasiyettir. Ayrıca hassasiyeti arttırmak için disk ile mil arasına bir dişli kutusu konacak olursa çevrim oranı kadar hassasiyet artışı sağlanmış olur. Ele alınana deney düzeneğinde çevrim oranı 9 olan bir dişli sistemi kullanılmıştır. Buna göre motor milindeki 360 o lik dönme disk üzerinde 360/9=40 o lik bie açısal konum değişikliğine karşılık gelecektir. Buna karşılık 40 o lik açısal harekette bit başına 40/2 4 =40/16=2.5 o lik bir açısal yer değiştirmeye karşılık gelecektir.
OTOMATİK KONTROL LABORATUARI DENEYLERİ 10 Burada 4 haneli ikili sayı düzeneğinde her bir bit (ikili sayı değişimi yani 0 veya 1 durumu) değişimi 2.5 o lik bir değişime karşılık gelecektir. Böylece bu tür algılama sistemi ile algılanabilecek en küçük açısal konum 2.5 o olacaktır. ŞEKİLdeki tabloda 4 bitlik her ikili sayıya (binary) karşılık gelen açısal konum değerleri verilmiştir. Tablodan da görüldüğü gibi, dönme esnasında bu şifreleme düzeni kendisini her bir 40 o de tekrarlayacaktır. DENEY DÜZENEĞİ AMAÇ: Dönel bir sistem üzerinde çeşitli açısal hız ve konum algılayıcıları değerlerinin okunması ve birbiri ile karşılaştırılması. ŞEKİL (5.88) de bir motor sistemi ve bunun açısal hız ve açısal konum algılayıcılarının yer aldığı deney düzeneği verilmiştir. Burada kullanılan motor 2500 dev/dak gibi hızlara çıkabilmekte ve bu hız şekilden görülen dişli- kayış mekanizmaları ile 9/1 oranında düşürülmektedir. Buna göre gerek sayısal devir ölçer ve gerekse çıkış mili açısal konum gösterge diski motor hızının 1/9 unu göstermektedir. Devir Ölçümü: Deney düzeneği üzerinde benzeşik ve sayısal devir ölçümü veya algılanmasında kullanılan iki farklı algılayıcı mevcuttur. Bunlardan takoüreteç benzeşik devir algılayıcısı, delikli disk ve buna bağlı optoçifti sayısal devir algılayıcısıdır. Ayrıca sistem üzerinde devir sayısını gösteren bir ışıklı sayısal devir göstergesi mevcuttur. Bunun üzerinde motor devri görsel olarak algılanır. DENEY DÜZENEĞİNİN KURULMASI VE DENEYİN YAPILIŞI Devir ölçümünde kullanılacak deney düzeneği ŞEKİL dekine benzer şekilde hazırlanır. Burada deney düzeneği üzerinde yer alan DC Motor Modüle (DC motor modülü) ±12V ve +5 Volt lukgüç kaynağı bağıntıları hazır olarak sunulacaktır. Motor hızı, Command Potentiometer olarak isimlendirilen bir giriş komut modülü yardımıyla ayarlanır. Burada giriş düğmesi sağ- sola döndürülmek suretiyle uygun motor hızı belirlenir. Bunun için bir taraftan giriş potansiyometre düğmesi oynatılırken bir taraftan da ışıklı devir göstergesinde motor çıkış mili devri okunur. Sayısal devir ölçümü, delikli disk çıkışına bağlı osiloskoptan değerlendirilir. Her bir motor devir hızına bağlı olarak osiloskopta, ŞEKİL de görüldüğü gibi belli T periyodunda darbe işareti trenleri görülür. Osilokop üzerinde gerekli düzenlemeler yapıldıktan sonra T periyot süresi milisaniye veya saniye cinsinden okunur. Buradan periyot ile frekans 1 dev arasındaki f= = T s bağıntısından frekans dolayısıyla birim zamandaki devir sayısı hesaplanmış olur. Bulunan bu değeri 60 ile çarpacak olursak çıkış milinin dakikadaki devir sayısını bulmuş oluruz. Buna karşılık bulunan bu değeri 9 (disk çevrim oranı) ile çarpacak olursak motorun kendi dönme hızını bulmuş oluruz. Buna göre T periyodu değerine karşılık motorun devir sayısı 60000 n motor = [dev / dak] 9T[ms] formülü ile hasaplanabilir.