mekatronik yaklaşım ile elektrohidrolik disk valflerin tasarımı ve dgm

9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi
13 - 15 Eylül 2000, ODTÜ, Ankara, Türkiye
MEKATRONİK YAKLAŞIM İLE ELEKTROHİDROLİK DİSK VALFLERİN TASARIMI
VE DGM TEKNİĞİ İLE SÜRÜLMESİNİN İNCELENMESİ
Mesut ŞENGİRGİN, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Bursa,Türkiye
İbrahim YÜKSEL, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Bursa,Türkiye
Gürsel ŞEFKAT, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Bursa,Türkiye
ÖZET
Bu çalışmada, yeni tür elektrohidrolik disk valflerin karakteristikleri ve gerçek zaman
denetlenme olanakları incelenmektedir. Açma-kapama şeklindeki bir anahtarlama
elemanı olan disk valflerin oransal denetimde Darbe Genişlik Modülasyon (DGM)
tekniğinden yararlanılmıştır. Valflerin çalıştırılmasında kullanılan DGM sinyalinin alt ve
üst sınırlarının belirlenmesinde kullanılan ölçütler ayrıntılı bir şekilde ele alınmıştır. Bu
ölçütlerin en önemlilerinde birisinin anahtarlama elemanının çalışma frekansı olduğu
ortaya konmaktadır.
ABSTRACT
In this study, characteristics of a new type electrohydraulic disc valve and its real-time
control capabilities are investigated experimentally. Pulse Width Modulation (PWM)
technique is used in the proportional control of on-off rapid switching disc valve. Criteria
that are used in the determination of the lower and upper limits of PWM signals is
discussed in detail. It is observed that frequency of the switching element is one of the
most important criteria.
1. 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 akışkan larda,
yağlayıcı ve yağlayıcı olamayan 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 açkapa 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
9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi
13 - 15 Eylül 2000, ODTÜ, Ankara, Türkiye
solenoid valflerin cevap hızları ise 50-100 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 kullanılabilecek disk valflerin genel
yapısı ve bu valflerin DGM tekniği ile sürülmesini sağlayan mikrodeneticini yapısı ve
programlanması ele alınmıştır. Özellikle valf denetiminde, sayısal DGM sinyalinin elde
edilmesinde mikroişlemci ve kişisel bilgisayarlar [5] kullanılmışsa da mikrodenetici
kullanımı yenidir. Mikrodeneticiler tamamen denetim amacı ile geliştirilmiş mikroişlemci
denetimli tümleşik devrelerdir. Bunlar normal bir mikroişlemcide bulunan temel
özelliklere ilaveten denetim işlemi için gerekli olan giriş-çıkış hatları, zamanlayıcısayıcı, seri haberleşme hatları gibi yapılarla donatılmıştır.
2. DİSK VALFLERİN TEMEL ÖZELLİKLERİ
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
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.
Tutma aralığı ve disk konumunda ortaya çıkan değişim bir taraftan çekim kuvvetinde
değişime neden olurken diğer taraftan da disk yüzeyi boyunca radyal akışkan akışı bir
Üst gövde
Yay
Çekirdek
Sargı
Disk
Lüle
A
Giriş
Çıkış
P
Alt gövde
Şekil 1 Disk valf modeli
9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi
13 - 15 Eylül 2000, ODTÜ, Ankara, Türkiye
için akışkan film kalınlığı da sağlamış olur. İkinci parametre disk çapı olup çekim
kuvveti ve akışkan kuvvetine etki eder.
İdeal olarak çekim kuvvetini en yüksek seviyede tutmak için daha büyük bir disk çapı
gerekirken diğer taraftan da akışkan kuvvetlerini en aza indirmek için disk çapını küçük
tutmak gerekmektedir.
3.DİSK VALFLERİN STATİK VE DİNAMİK KARAKTERİSTİKLERİ
3.1 Basınç-Akış Karakteristikleri
Tüm akışkan denetim valflerinde olduğu gibi disk valflerin basınç akış karakteristikleri
genel akış denklemlerinden elde edilebilinir.
Valften geçen akışkanın miktarı disk ve lülenin oluşturduğu bir değişken orifis yolu ile
denetlenir. Burada değişken orifis alanı veya akış alanı disk ile lüle arasındaki halka
şeklindeki çevresel alan olup aşağıdaki şekilde ifade edilir.
Al = πdl xd
(1)
Diğer taraftan akışkan akışının değişken bir orifis yolu ile denetlemenin koşulu çevresel
orifis alanın orifis kesit alanını oranına göre belirlenebilmekte olup aşağıdaki şekilde ifade
edilir.
π d l2
1
veya x d < d l veya x d <
π dl x d <
4
4
dl 4
(2)
Burada dl: lüle çapı, xd: disk lüle arasındaki maksimum mesafedir.
Çeşitli uygulamalarda bu oran 1/16 değerlerine kadar indiği görülmekte ise de disk valf
uygulamasında 1/12 civarında bir oranının uygun olduğu görülmüştür.
Seçilen belli bir orana göre xd ve d1 değerlerinin tespiti akışkan ve mıknatıs kuvvetlerinin
dengelenmesi yolu ile gerçeklenebilir. Eğer seçilen orana göre d1 büyük tutulacak olursa
tutma anında disk üzerine etki eden basınç kuvvetleri yüksek olacak buna karşılık xd
büyük tutulacak olursa anahtarlama başlangıcında mıknatıs çekim kuvvetleri düşük
teşekkül etmiş olacaktır.
3.2 Disk Valfin Elektromıknatıs Karakteristikleri
Disk valf uygulamalarında solenoid olarak düz yüzeyli mıknatıs adı verilen özel bir
silindirik mıknatıs devresi kullanılmıştır. Sargı etrafında (Şekil 3.1) yer alan ferro mıknatıs
malzeme geçirgenliği en yüksek değerde mıknatıs akı yolu oluşturur. Mıknatıs devresinin
geçirgenliği disk ve sargı yüzeyi arasındaki aralık, xg vasıtası ile denetlenir. Sargı devresi
(sabit kutup) tarafından disk (hareketli kutup) üzerine uygulanan mıknatıs kuvveti
Fm =
z B2 A c
.
2 µ0
(3)
şeklinde ifade edilebilinir. Burada z çalışma aralığı sayısı olup kullanılan mıknatıs devresi
için z=2 dir. Diğer taraftan devrenin mıknatıssal doyması ve sızıntı akıları ihmal edilmek
kaydı ile çekim kuvvetinin uygulanan denetim akımı ve disk ile sargı arasındaki toplam
mesafenin, xg bir fonksiyonu olan biçimi de aşağıdaki şekilde ifade edilebilinir.
Fm =
µ0 Ac N 2 i2
4 x g2
(4)
9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi
13 - 15 Eylül 2000, ODTÜ, Ankara, Türkiye
Yukarıdaki iki denklem yolu ile hesaplanan mıknatıs kuvvetleri arasında; mıknatıs
devresine
uygulanan
elektrik
enerjisinin
tamamının
mıknatıs
enerjisine
dönüştürülememesinden dolayı bir fark ortaya çıkmaktadır. Aşikâr olarak aynı koşullar
altında (4) nolu eşitlikten elde edilen kuvvet (3) nolu eşitlikten elde edilen değerden
büyük çıkacaktır. En büyük sapmanın yüksek akım ve düşük aralık mesafelerinde ortaya
çıktığı gözlenmiştir. Bu iki denklemin oranlamasından elde edilen ifade sızıntı katsayısı
olarak bilinir ve yüksek çekim aralıklarında limiti 1 e gider.
Disk valflerin tasarımda tüm koşullar altında akışkan kuvvetlerini karşılayabilecek
mıknatıs devresi kurmak esastır. Devrenin en önemli özelliği küçük aralıklarda, xg çekim
kuvvetinin çok yüksek olması ve buna karşılık aralık büyüdükçe çekim kuvvetinde hızlı bir
düşme biçimindedir. Bu yapı ise oturtma elemanlı anahtarlama valfı için çok uygun
düşmektedir. Devrenin diğer bir özelliği ise küçük mesafelerde aynı kuvveti sağlamak için
daha düşük bir uyarı akımı gerektirmesidir. Bu özelliğinden yararlanarak valflerin
anahtarlama hızlarını artırmak mümkün olmaktadır.
Gerekli basınç-akış karakteristiklerini sağlayacak bir lüle çapı, dl ve lüle arası mesafe, xd
belirlendikten sonra toplam xg (=xt+xd) mesafesi ve akışkan kuvvetleri kabaca belirlenmiş
olacaktır. Akışkan kuvvetlerini karşılayacak çekim kuvvetleri ise eğri üzerinden kolaylıkla
belirlenebilir.
3.3 Disk Valfin Dinamik Karakteristikleri ve Anahtarlama Özellikleri
Disk valflerin dinamik davranışları elektromıknatıs ve akışkan kuvvetlerinin karmaşık
etkisi altında yönlendirilir. Valfın anahtarlama elemanı diskin hareketini tanımlayan
diferansiyel denklemler aşağıdaki biçimde ifade edilebilinmektedir.
e = Ri+
d
dL dx
di
(Li) = Ri+ i
+L
dt
dx dt
dt
fm=
f m = md
ì0 A c N 2 i 2
4( x g - x ) 2
dx
d2 x
+b
+ K y x + f ön − f a
2
dt
dt
(5)
(6)
(7)
Burada fön: ön gergili yay kuvveti, fa: akışkan kuvvetleri, x ise diskin herhangi bir andaki
konumu olup yönü disk ile sargı arasındaki toplam aralığı azaltacak yöndedir. Doğrusal
olmayan ve açık çözümü bulunmayan bu denklem takımlarının çözümü ancak sayısal
yöntemlerle (Runge-Kutta gibi) gerçeklenebilmektedir.
Diskin hareketinde; anahtarlama başlangıcı ve anahtarlamanın sona erme anı olmak
üzere iki kritik durum söz konusudur. Örneğin Şekil 1’de verilen modelde anahtarlama
başlangıcında disk, yay ve basınç kuvvetlerinin etkisi altındadır. Sargıya uygulanan
akım ile başlatılan anahtarlama işleminde, akımın ansal olarak yükselmesi beklenemez.
Hareket başlangıcında; çekim kuvveti ön gerilmeli yay kuvvetlerini yeninceye kadar
dx/dt=0 olacağından, (5) nolu denkleme göre sargıdaki akım L/R oranının ortaya
koyduğu zaman gecikmesine bağlı olarak artış gösterecektir. Hareket anında ise;
dx / dt ≠ 0 olacağından indüktans da disk hareketine bağlı olarak değişecektir
Hareketin son aşamasında disk ile sargı arasındaki mesafe çok kısa kaldığından radyal
yönde etki eden akışkan sürtünme kuvvetlerinin artması beklenir. Fakat diğer taraftan da
bu aşamada mıknatıs kuvvetleri de en yüksek seviyeye çıkmış olacağından anahtarlama
işleme hızla tamamlanmış olacaktır. Özellik sistem basıncının yüksek olduğu durumlarda
anahtarlama zamanın büyük bir kısmını, Şekil 3.2'den de görüldüğü gibi bekleme zamanı
teşkil etmektedir. Buna karşılık diskin hareket zamanı çok kısa sürmektedir. Bekleme
9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi
13 - 15 Eylül 2000, ODTÜ, Ankara, Türkiye
Tc
e
t
td
Qn
Q
Tö1
Tö2
T v1
t
T v2
t d
Şekil 2. Bir darbe süresi içinde valften geçen akışkan
zamanını veya ölü zaman süresini kısa tutmak suretiyle diskin anahtarlama hızının
artırılabileceği aşikârdır.
4. DGM TEKNİĞİ
DGM sinyali ile sürülen disk valflten, bir anahtarlama elemanının girişine uygulanan
darbe trenleri şeklindeki işaretin zaman ortalamasına orantılı bir çıkış elde edilir. Bu
şekilde iyi bir doğrusal bağıntı elde edilebilmesi için DGM sinyali frekansının seçiminde
bazı ölçütlerin göz önünde bulundurulması gerekir. DGM frekansının üst sınırını
anahtarlama elemanının cevap hızı ve alt sınırı ise denetlenen sistemin cevap hızı
belirler.
Aç-kapa biçiminde çalışan solenoid valflerde DGM sinyali girişine karşılık zaman
ortalaması doğrusal olan bir akışkan (debi) çıkışı elde edilebileceği gösterilmiştir [4].
Burada DGM sinyali frekansının üst sınırını valfin anahtarlama hızı belirler. Şekil 2’de
gösterildiği gibi, bir darbe td süresi içinde akım değerinin maksimum değere ulaşabilmesi
gerekir. Bu da valfin doğrusal olarak çalışabileceği modülasyon veya taşıyıcı frekans fc
değerini belirler. Bunu aşağıdaki şekilde ifade etmek mümkündür.
Tv ≤ t d ≤ 1 / f c − Tv veya Tc = 1 / f c ≥ 2Tv
(8)
Buna göre, Tc modülasyon sinyali periyodunun, Tv valf anahtarlama zamanının en az
iki katı veya diğer bir deyişle de modülasyon frekansının valf anahtarlama frekansının
en az yarısı olması gerektiği ortaya çıkar.
DGM da herhangi bir td darbe süresinin, Tc modülasyon periyoduna oranı; modülasyon
oranı (Mo=td/Tc) olarak tanımlanır.
Modülasyon frekansının alt sınırının belirlenmesinde anahtarlama elemanı tarafından
üretilen salınımlı çıkış işaretinin denetlenen sistem tarafından filtre edip edilmediğine
bakılır. Ikebe (1973) tarafından yapılan bir çalışmada modülasyon frekansının giriş
veya sistem frekansına oranı 7 den büyük olması kaydı ile modülasyon sinyalinin
düşük genlikli yüksek frekans bileşenlerinin denetlenen doğrusal sistem tarafından
tamamen süzülebileceği gösterilmiştir. Hafif salınımlı hareketlere müsaade edilmek
kaydı ile bu oranın 4-5 değerlerine kadar indirilebileceği gösterilmiştir. Böylece daha
düşük modülasyon frekansı ile daha yavaş anahtarlama valflerin oransal çalışması
sağlanmaya çalışılmıştır.
9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi
13 - 15 Eylül 2000, ODTÜ, Ankara, Türkiye
5. DİSK VALFE MEKATRONİK YAKLAŞIM
Disk ile beraber valfi oluşturan birçok bileşen mevcuttur. Bu bileşenleri dört ana grupta
toplamak mümkündür. Bunlar, elektronik kontrol elemanları, elektromanyetik kuvvet
motoru (elektromıknatıs), akışkan pilot kademesi ve akışkan güç kademesidir. Bu
bileşenlerden oluşan disk valfte mekatronik yaklaşım, düşük maliyet, kompakt boyut ve
dinamik karakteristik açısından optimum bir tasarım oluşturmaktır. Bunun ile ilgili çevrim
Şekil 3’de verilmiştir.
Elektromanyetik
Kuvvet motoru
(elektromıknatıs)
Bobin kuvveti
Tutma aralığı
Geri kuvvet
Akışkan
kuvveti
Elektrik ve
Elektronik
Denetim
Tutma aralığı
Disk çapı
Akışkan pilot
kademesi
DİSK
Disk
hareketi
Mekanik bağlantı
Konum/Basınç
geribesleme
Akışkan güç kademesi
valf/kullanıcı
Atalet m
Yaylılık K
Basınç debi
modulasyonu
Şekil 3.Disk valf sistemine mekatronik yaklaşım
Elektromanyetik devrenin en önemli elemanlarından biri olan disk, akışkan-plaka
kuvvetlendiricisindeki mekanik hareketi sağlar. Disk elemanı aynı zamanda, ön gergili
yay kuvveti ile manyetik kuvvet ortadan kalktığında, normalde kapalı olarak çalışan valfin
kapanması yönünde bir geribesleme işareti oluşturur ve akışkan geçişine engel olur.
Dinamik karakteristik açısından diskin kütlesi ve yayın rijitliği değişik cevap hızları için çok
sayıda doğal frekans verecek şekilde ayarlanabilir.
Manyetik, akışkan ve mekanik karakteristikler gibi çeşitli parametrelerin bazı etkileşimleri,
komple valf tasarımının karmaşık etkileşimlerini belirtmek için gösterilmektedir.
İlk olarak, disk üzerindeki çıkıntı ve sargı yüzeyi arasındaki mesafe tutma aralığını kontrol
eder. Bu aralık maksimum elektromanyetik çekme kuvvetini tanımlar ve dolayısıyla artık
mıknatıslanmayı kontrol eder. Tutma aralığı ve değişken disk yerdeğiştirmesi
elektromanyetik çekme kuvvetini değiştirir ve tüm disk alanı boyunca radyal yağ akışı için
akışkan film kalınlığı sağlar.
İkinci olarak, disk çapı elektromanyetik kuvvet ve üretilen akışkan kuvvetini etkiler. İdeal
olarak, büyük bir disk manyetik kuvveti maksimum yapmak için gereklidir. Ancak küçük
disk çapı doğrusal olmayan akışkan reaksiyon kuvvetlerini minimum yapar.
Son olarak, yay rijitliği, kuvvet doğrusallığı ve dinamik performans gibi valf
elektromanyetik karakteristikleri, disk konfügürasyonu ve sargı kalıcı mıknatıs
düzenlemesi ile tanımlanır.
9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi
13 - 15 Eylül 2000, ODTÜ, Ankara, Türkiye
6. ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA
6.1 Deneysel Sonuçlar
Disk tipi solenoid valf üzerine yapılan çalışmalar, statik ve dinamik çalışmalar olarak iki
kısımda gerçekleştirilmiştir. Statik çalışmalar, valfin yük basıncı-debi ve DGM sinyalinin
doluluk-boşluk oranlarına göre debi karakteristiklerinin çıkarılması olarak
gerçekleştirilmiştir. Valfin yük basıncı- debi karakteristiği 2.0 A, 4.1 A ve 4.5 A dc akım
değerlerinde, sistem basıncı 50 bar alınarak yapılan deneyler sonunda elde edilen
sonuçlar Şekil 4’te verilmiştir.
Debi [lt/dak]
16
14
1 2.0 A
3
2 4.1 A
3 4.5 A
12
10
8
2
6
4
1
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Yük basıncı (PL) [bar]
Şekil 4. Disk valfin yük basıncı-debi karakteristiği
Statik karakteristiğin ikinci aşaması olan DGM sinyalinin doluluk-boşluk oranlarına göre
debi karakteristiğini belirlemek için, DGM sinyalinin frekanslarının belirlenmesi
gerekmektedir. Yapılan hesaplamalar sonucu diskin hareketini tamamladığı zaman
referans olarak alındığında, bu değerin yaklaşık 3 ms civarında olduğu görülmektedir.
Bu zaman içinde valfin hareketli elemanı olan disk, hareketini tamamlamıştır. DGM
sinyalinin frekansını hesaplamak için bu zaman bir referans olacaktır. Bir darbe süresi
içinde ya da yarım periyotta valf hareketini tamamlamak zorundadır. Buna göre DGM
sinyali 166.7 Hz’lik bir frekansa sahip olmalıdır. Ayrıca karşılaştırma yapabilmek için bu
frekansın altında ve üstünde iki frekans olmak üzere 20 Hz, 160 Hz ve 500 Hz değerleri
seçilmiştir.
Debi [lt/dak]
Debi [lt/dak]
16
7
14
6
1 20 Hz
1 20 Hz
2 160 Hz
3 500 Hz
I= 4.1 A
5
2 160 Hz
3 500 Hz
I= 4.5 A
12
10
4
2
8
3
6
2
2
4
1
3
1
2
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Doluluk-boşluk oranı [%]
80
90
100
1
0
10
3
20
30
40
50
60
70
Doluluk-boşluk oranı [%]
Şekil 5. Çeşitli frekanslarda doluluk-boşluk oranı-debi karakteristiği
80
90
100
9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi
13 - 15 Eylül 2000, ODTÜ, Ankara, Türkiye
Belirlenen bu frekans değerlerine göre doluluk-boşluk- debi deneysel sonuçları Şekil
5’te verilmiştir.
6.2 Dinamik Davranışın Bilgisayar Çözümleri
Bilgisayar çözümlerini, disk valfin dinamik karakteristiğini bulmak için (5), (6) ve (7) nolu
ifadeler kullanılmıştır. Çözüm için MATLAB-SIMULINK programı kullanılmıştır. Kurulan
SIMULINK modeli Şekil 6’da verilmiştir. Bu çözümlerden valfteki akım değişimi ve
diskin konumu sonuçları sırasıyla Şekil 7 ve Şekil 8’de verilmiştir.
10
di/dt
Besleme
gerilimi [v]
Sum1
i
1/s
Integrator1
Product
Akım
2
x
f(u)
R (ohm)
1/L
(u[1])^2
Product1
i ^2
x
f(u)
Lx
Fm
0.5
Product5
Sum
Fön
dx/dt
1/s
1/(25e-3)
23
Product3
Disk kütlesi
[kg]
Hız
sabit
1/s
Integrator2
Integrator3
Product4
0
3e-4
1000
>=
konum
Product7
0
Relational
Operator2
1
B
>=
Hareket
miktarı [m]
x
Relational
Operator
5730
K [N/m]
Şekil 6 SIMULINK model
Disk yerdeğiştirmesi [mm ]
Akım [A]
0.35
2
3 2
1.8
1 Uyarı 7.5 V(3.75 A )
2 Uyarı 10 V (5 A)
3 Uyarı 1 2.5 V (6.25 A )
4 Uyarı 1 5 V (7.5 A)
Bobin direnci 2 Ω
1.6
1.4
0.3
4
1
0.25
1 Uyarı 7.5 V(3.75 A)
2 Uyarı 10 V (5 A)
3 Uyarı 12.5 V (6.25 A)
4 Uyarı 15 V (7.5 A)
Bobin direnci 2 Ω
4
1.2
0.2
1
3
0.8
2
0.6
0.15
0.1
1
0.4
0.05
0.2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Zaman [ms]
Şekil 7 Diskli valfin akım karakteristiği
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Zaman [ms]
Şekil 8 Diskli valfin konum karakteristiği
7 SONUÇ
Diskli solenoid valf aç-kapa çalışan bir solenoid valftir. Aç-kapa çalışan solenoid valfin
bobinin uçlarına uygulanan dc akım belli bir değeri almadığı sürece, valf akışa
9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi
13 - 15 Eylül 2000, ODTÜ, Ankara, Türkiye
müsaade etmez. Bu akım değeri aşıldıktan sonra valf tamamen açılır ve akışkan
geçişine müsaade edilir. Aç-kapa çalışan bir solenoid valf için akışkan miktarının ara
değerleri yoktur, giriş işareti ile orantılı bir akışkan debisi elde edilemez.
Böyle bir solenoid valften, DGM tekniği uygulanarak, çıkış işaretinin zaman
ortalamasının giriş işareti ile orantılı olması sağlamaktadır. Şekil 5’te gösterildiği gibi
çıkış işareti debi ile darbelerin doluluk boşluk oranı arasında bir doğrusallık olduğu
görülmektedir. Bu doğrusallık, darbelerin frekansları ile bir miktar değişkenlik gösterse
de genel itibari ile doğrusallık elde edilmiştir.
Disk valfin dinamik karakteristiklerinin bilgisayar çözümlerine baktığımızda, akım
eğrisinde meydana gelen ilk çukurlukta, diskin hareketini tamamladığı ve bu noktada
sabit kaldığı ve hızının sıfır olduğu görülmektedir. Disk hareketinin tamamlandığı
noktadaki bu zaman DGM frekansı için önemli bir kriter olmaktadır.
8. KAYNAKLAR
YÜKSEL, İ. 1981. An Investigation of Electro-hydraulic Floating Disc Switching Valves.
Doktora tezi, University of Surrey.
USMAN, A. 1984. Development of an electro-hydraulic floating double-disc valve.
Doktora tezi, University of Surrey.
LAU, K.S. 1987. Position controlled disc valve. Doktora tezi, University of Surrey.
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.114,293-298.
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, 641-648.
WENNMACHER, G. 1992. Elektrohydraulischer Positionerantrieb mit Schnellschaltventilen und Digitaler Regelung. o+p Olhydraulik und pneumatik, Nr.2, 85-90.
MURTAUGH, S.A. 1959. An Introduction to the Time Modulated Acceleration Switching
Electrohydraulic Servomechanism. Transaction of the ASME Journal of Basic
Engineering, 263-271.
LEUFGEN, M. ve Y. LU. 1991. Pneumatischer Positionerantrieb mit Schaltventilen.
o+p Olhydraulik und pneumatik, Nr.2, 127-132.
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, 945-953.
GOLDSTEIN, S.R. ve H.H. RICHARDSON. 1968. A Differential Pulse-LengthModulated Pneumatic Servo Utilizing Floating Flapper Disk Switching Valves.
Transaction of the ASME Journal of Basic Engineering, 427- 437.
ÖNBAŞ, H. İ. 1993. Hidrolik Sistemler İçin Sayısal Sinyal İşleme ve Sürücü Devre
Tasarımı ve Analizi. Yüksek Lisans Tezi, U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa.
YÜKSEL, İ., M. ŞENGİRGİN, H. İ. ÖNBAŞ. 1994. Elektrohidrolik Valflerin DGM Tekniği
İle Sürülmesinin Teorik ve Deneysel Araştırılması. Otomatik Kontrol Bilimsel Toplantısı,
TOK'94, 325-338.
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, 245-253.
9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi
13 - 15 Eylül 2000, ODTÜ, Ankara, Türkiye
ŞENGİRGİN, M., İ. YÜKSEL ve G. ŞEFKAT. 1998. DGM Tekniği İle Hidrolik
Servomekanizmalarda Konum Kontrolunun Bilgisayar Simulasyonu. Otomatik Kontrol
Bilimsel Toplantısı, TOK'98, 235-240.
PARKER, G.A. ve SUN, Y.B. 1995. A Mechantronic approach to compact fluid disc
valve design. Proc. Instn. Mechn. Engrs., Vol. 209, sayfa 115-125