pdf-282kB

DGM TEKNİĞİ İLE SERVOVALF KUMANDALI
HİDROLİK SİSTEMLERDE MİKRODENETLEYİCİLİ
KONUM KONTROLU
Mesut Şengirgin1 İbrahim Yüksel1 Gürsel Şefkat1 Halil İbrahim
Önbaş2
1
U.Ü. Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Görükle-BURSA
2
PiOMAK Otomasyon ve Makina A.Ş. İSTANBUL
ÖZET
Bu çalışmada, Darbe Genişlik Modülasyon (DGM) tekniği ile elektrohidrolik servovalf kumandalı bir
konum denetim sisteminin mikrodenetleyicili kontrolu incelenecektir. Deneysel çalışmalar U.Ü. MühendislikMimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü laboratuvarlarında mevcut hidrolik güç birimine bağlı 200
mm stroklu, 25 mm silindir, 16 mm piston çubuğu çaplı çift uyarılı-çift piston çubuklu (senkronize) silindir
sistemi üzerinde yürütülmektedir. Sayısal DGM üreteci için 8051 mikrodenetleyici ailesinden 80C51FA tipi
mikrodenetleyici kullanılmıştır.
1.GİRİŞ
Hidrolik devreler, özellikle yüksek güç yoğunluğu gerektiren hemen hemen tüm
otomatik makinalarda kullanılır. Uygulama alanları olarak, bilgisayar denetimli sayısal takım
tezgahları (CNC), uçaklar, gezici iş makinaları, presler, enjeksiyon makinaları, vb.
sayılabilir. Bu makinaların bir elektrik sinyali yardımı ile uzaktan kumandalı çalışmasını
sağlayan temel eleman elektrohidrolik valftir. Elektrohidrolik valfler, elektriksel aygıtlar ile
hidrolik sistemler arasında arayüz elemanıdır. Elektrohidrolik valfler genel olarak
servovalfler ve solenoid valfler olmak üzere iki ana gruba ayrılır.
Tarihsel gelişimi içinde servovalflerin elektriksel kumandasında, elektrikli
servomotorlar, magnetostriktif aygıtlar, piezoelektriksel kristaller [1], oransal solenoidler ,
AC tork motorlar, hareketli sargı aygıtları kullanılmış ise de günümüzde en yaygın olarak
kullanılanı kalıcı mıknatıslı tork motordur. Tork motorları, girişlerine uygulanan elektrik
akımı değişimine orantılı bir dönme hareketi (tork motoru) veya öteleme hareketi (kuvvet
motoru) sağlayan eketromekaniksel aygıtlardır.
Elektrohidrolik valfleri zayıf bir elektriksel giriş sinyali yardımı ile sürmek için özel
elektronik devreler kullanılmakta ve devreler elektrohidrolik sistemlerin tamamlayıcı
parçaları olarak ele alınmaktadır. Analog elemanlardan meydana gelebilen bu devreler
günümüzde elektronik teknolojisinde ortaya çıkan gelişmelere paralel olarak sayısal (dijital)
elemanlardan oluşturulabilmektedir. Bu devreler ayrıca sistemin doğrudan bilgisayarlı
denetimini de olanaklı kılar.
Genel olarak kapalı-döngü elektrohidrolik sistemin mikroişlemci veya
mikrodenetleyici biçimindeki sayısal denetim organı ile denetlemek için analog/sayısal
(A/D) ve sayısal/analog (D/A) çeviricilere ihtiyaç vardır. Bu durumda sayısal çalışan
mikroişlemciler yanında çeviriciler biçiminde ilave donanım gerekmektedir. Bu hem ilave
maliyet ve hem de sistem ile denetim organı arasındaki iletişimde bilgi kaybına neden olur.
Mikroişlemci ve mikrodenetleyici tipi denetim organından gerçek yarar, sistemin doğrudan
sayısal denetimi yolu ile sağlanabilir. Bunun için elektrohidrolik sistemin temel arayüz
elemanı servovalfin ve silindir çıkışının doğrudan mikrodenetleyiciye bağlanabilmesi
gerekir.
Konum algılamada enkoderler sayısal işaret üretmek için kullanılan çok hassas
cihazlardır. Diğer taraftan mikrodenetleyici çıkışı da darbe trenleri biçimnde sayısal
işaretlerden ibarettir. Bu darbe trenleri belli bir sabit frekansta doluluk/boşluk oranı
değiştirilebilen sinyaller biçimine sokulacak olursa servovalf da bu oranın ortalama değerini
izleyecektir. Bu teknik ise Darbe Genişlik Modülasyon (DGM) tekniği olarak bilinir.
DGM tekniği genelde doğrusal olmayan bir anahtarlama elemanı çıkışından doğrusal
bağıntılar elde etmek için kullanılır. Darbe doluluk/boşluk oranına bağlı olarak anahtarlama
elemanı çıkışından zaman ortalaması oransal bir çıkış sinyali elde edilir. Bu teknik
elektrohidrolik sistemlerde aç-kapa biçiminde çalışan solenoid valfleri doğrusal olarak
sürmek için kullanılmakta ve bu konuda çeşitli çalışmalar yürütülmektedir [2,3,4]. Diğer
taraftan DGM tekniği doğru akım servo motorlarında akımı sürücü devreleri (power
amplifier) anahtarlama biçiminde sürmek için kullanılır. Böylece devrede oluşabilecek güç
kayıpları minumum düzeyde tutulmaya çalışılır.
Bir anahtarlama elemanı olmamakla beraber oransal çalışan servovalflerin
sürülmesinde DGM tekniğinden yararlanan çok çeşitli çalışmalar yapılmıştır [5,6]. Analog
DGM sinyali kullanılan bu çalışmalarda, daha çok servovalflerin kirleticilere karşı
hassasiyetini azaltmak ve imalat toleranslarını düşürerek valfın maliyetini düşük tutmak
amaçlanmıştır. Analog DGM tekniğinde sıfır giriş işaretine karşılık doluluk/boşluk oranı eşit
bir kare dalga sinyali oluşur. Bu da, herne kadar çıkış işaretinin zaman ortalamasını sıfır
yapmaktaysa da anahtarlama elemanını sürekli titreşimde bırakır.
Bu çalışmada sayısal DGM tekniği yolu ile oransal bir servovalfın sürülmesi ve buna
bağlı olarak hidrolik konum denetim sisteminin doğrudan mikrodenetleyici yolu ile
denetiminin gerçeklenmesi ele alınmıştir.
2. SİSTEMİN TANIMI VE MATEMATİKSEL MODELLENMESİ
Bu çalışmada, kapalı-döngü, servovalfli bir hidrolik silindir konum denetim
sisteminin doğrudan sayısal denetimini gerçeklemek amacı ile bir mikrodenetleyici, akım
sürücü, servovalf, silindir ve optik enkoder kullanılmıştır. Ayrıca sisteme akışkan gücü
sağlamak üzere 20 lt/dak. lık bir hidrolik güç birimi kullanılmıştır. Sistemin devre þemasý
Þekil 1 de verilmiþtir. Kullanýlan servovalf Rexroth marka ( 4WS2EM10) çift kademeli,
mekaniksel geribeslemeli, 10 lt/dak. debi kapasitesindedir. 200 mm strokundaki silindirin
piston çapý 25 mm, piston çubuðu çapý 16 mm olup çift etkili, çift piston çubukludur
(simetrik). Devir baþýna 1000 darbe (pulse) üreten dönel bir optik enkoder kullanýlmýþ ve
silindirin öteleme hareketini dönme hareketine dönüþtürmek için tel ve makara sisteminden
yararlanýlmýþtýr. Bunun için esnemez bir çelik telin bir ucu piston çubuðu ucuna diðer ucu
da enkoderin ucuna baðlý 46.5 mm çapýnda çelik bir makaranýn çevresine dolandýrýldýktan
sonra sabit bir zemine baðlanmýþtýr. Böylece enkoderin devir baþýna 146 mm lik bir
öteleme hareketini ölçmesi saðlanmýþtýr. Servovalfý sürmek için kullanýlan akým sürücü
(power amplifier) devre 5 voltluk gerilim iþaretine karþýlýk maksimum 30 mA akým
(kazancý 30/5=6 mA/volt) sürecek güçtedir.
Sistemin iþlevsel blok þemasý Þekil 2'de verilmiþtir. Buna göre sistemin deðiþik
elemanlarýna ait transfer fonksiyonu ve bunlara ait sabitler aþaðýdaki gibi verilebilir.
Mikrodenetleyici
Tork motoru
Plaka-lüle
geribesleme
çubuðu
Enkoder
sürgü
Servovalf
M Sabit debili
pompa
Şekil 1. Konum denetim devre şeması
Akým
sürücü
Mikrodenetleyici
R(s)
+
2n
_
Kd
Şekil 3. Servovalf
∆e
V
Ka
Silindir
Enkoder
Servovalf
1
Qv
y
∆i
Ke
Gv
s
A
3
p m
A
m /s
C(s)
Şekil 2. İşlevsel blok şema
Denetim Organı: Bir mikrodenetleyiciden ibaret olan denetim organı ikili sayılar düzeninde
12 bitlik arzu edilen giriş ve 12 bitlik geribesleme işaretine karşılık 12 bitlik hata işareti
oluşturur. Bu hata işaretine karşılık ise 5 volt genliğinde DGM sinyali sağlanır. 12 bitlik
(212=4096) denetim kelimesinin yarısı valfi pozitif ve diğer yarısı da valfi negatif yönde
∆e
sürmek için kullanılır. Buna göre denetim organı kazancı, K d = n = 5volt / 2048 olarak
2
ifade edilebilir.
Akım Sürücü: Elektronik bir devreden ibaret bu elemanın cevap hızı denetim sistemi
döngüsü içindeki diğer elemanlar yanında çok yüksek olduğundan kazanç elemanı tipinde
∆i
modellenebilir. Akým- gerilim kazançý, K a =
= 30mA / 5volt .
∆e
Servovalf: Þekil 3 de verilen çift kademeli servovalfin birinci kademesi bir elektriksel giriþ
iþaretine karþýlýk tork motoru, plaka-lüle düzenlemesi yolu ile ikinci kademe için basýnç
sinyali saðlar. Bu basýnç sinyali de sürgülü valf biçiminde ikinci kademe valf elemaný
çýkýþýndan bir akýþkan (debi) sinyali oluþturur. Elektro-mekanik bir aygýt olan
servovalfýn temel baðýntýlarý oldukça karmaþýktýr. Valfin elektriksel kýsmýný teþkil eden
tork motoru sargýsý bir indüktans L ve bir direnç R elemanýndan ibaret doðrusal biçimde
modellenebilir. Sargý uçlarýna uygulanan e gerilim iþaretine karþýlýk gelen i akým deðimi
arasýndaki baðýntý
e = Ri + L
di
dt
(1)
biçiminde ifade edildikten sonra bu kýsmýn transfer fonksiyonu
I ( s)
1/ R
1/ R
=
veya =
(2)
E ( s) L / Rs + 1
Te s + 1
biçiminde verilebilir. Burada Te=L/R elektriksel zaman sabiti olup servovalfýn en küçük
zaman sabitini belirler. Bu deðer özellikle DGM sinyali frekansýnýn üst sýnýrýnýn
belirlenmesinde önemli rol oynar. Sargý uçlarýnda oluþan akým deðiþimi öncelikle bir
mýknatýs akýsý deðiþimine, bu deðiþim de mýknatýs kuvveti deðiþimine ve bu kuvvette
lüle plakasý üzerinde bir döndürme momenti oluþmasýna neden olur. Bu moment sonucu
oluþan harekete plakanýn eylemsizliði, yay ve sürtünme kuvvetleri ve lüle arka basýncý
kuvveti yenilmeye çalýþýlarak bir basýnç farký deðiþimi oluþturulur. Birinci kademede
oluþturulan bu basýnç farký sonuçu ise ikinci kademe sürgü elemanýn eylemsizliði,
sürtünme ve yay kuvvetlerine karþý oluþan hareket sonucu valfýn çýkýþýndan bir akýþkan
(debi) sinyali saðlanmýþ olur. Histerisiz, ölü bölge, yapýþkanlýk sürtünmesi gibi
doðrusalsýzlýklarý içeren dinamik baðýntýlarý ayrýntýlý bir biçimde çýkarmak ve bu
baðýntýlarda yer alan parametreleri tespit etmek oldukça zordur. Genel olarak iki kademeli
bir servovalfýn dinamik davranýþýný tanýmlayan transfer fonksiyonu, giriþ elektriksel
iþaret e ile çýkýþ debi iþareti q arasýnda aþaðýdaki standart biçimde verilmekterdir .
G ve ( s) =
G v (s ) =
Q v (s )
K vω 2 nv
= 2
E(s) s + 2ζ vω nv + ω 2 nv
(3)
∂q v  m 3 / s 
Burada K v =
=
 valfýn akýþkan kazançý, ω nv : valfýn açýsal doðal frekansý
∂e  volt 
(rad/s) ve ζv : valfýn sönüm oraný olup deðerleri imalatçý firma tarafýndan
tanýmlanmaktadýr. (3) nolu ifade (2) nolu ifade ile verilen elektriksel kýsmýn dinamik
davranýþýný içine almaktadýr.
Hidrolik Silindir: Tipik bir silindir sistemi eylemsizlik kütlesi, yaðýn sýkýþtýrýlabilirlilik
etkisi, yapýþkanlýk sönümü, varsa yay kuvveteler, sürtünme kuvvetleri gibi elemanlardan
ibaret olarak modellenebilir. Doðrusal sýnýrlar içersinde kalmak kaydý ile silindir sisteminin
genelleþtirilmiþ transfer fonksiyonu ise
G s (s ) =
Q v (s )
K Lω 2 nL
= 2
Y(s) s(s + 2ζ Lω nL + ω 2 nL )
(4)
ile verilebilir. Burada
AL
=
Ap
2
A p + CLB
L2β(A2p +CL B) O
P
ω nL = M
M
P
M
P
N mV
Q
12
L
O
B + βC L P
ζ L = ω1 M
M
P
nL M
N2m V P
Q
dir. Diğer taraftan bu çalışmada ele alınan silindir sistemi yüksüz olup eylemsizlik kütlesi,
yağın sıkışabilirliliği, yapışkanlık sürtünmeleri ihmal edilebilecek mertebelere düşebilir. Bu
durumda silindir sisteminin transfer fonksiyonu basit bir biçimde
G s ( s) =
Y( s) 1 / A p
=
Q v ( s)
s
(5)
ifade edilir.
Optik Enkoder: Enkoder, y giriş konum işaretini, mikrodenetleyicide 2n denetim kelimesine
dönüştüren bir kazanç elemanı tipinde modellenebilir. Buna göre
2n  2n 
Ke =
=

∆Y  l p 
(6)
þeklinde ifade edilir. Sistemin basitleþtirilmiþ kapalý-döngü transfer fonksiyonu ise
K d Ka G v (s)1 / (sA p )K e
1
G (s) =
=
1 + K d Ka G v (s)(1 / sA p )K e Tks + 1
(7)
dir. Burada servovalf transfer fonksiyonu yaklaþýk olarak, Gv(s)=Kv kazanç elemaný
Ap
Al
veya = p p biçiminde ifade edilebilir.
biçiminde tanýmlanacak olursa Tk =
K d Ka K vK e
Qv
Servovalfýn cevap hýzý tüm sistemin cevap hýzý yanýnda çok yüksek olduðu durumlarda bu
yaklaþým oldukça iyi sonuçlar vermektedir.
3. MÝKRODENETLEYÝCÝLÝ DENETÝM VE DGM TEKNÝÐÝ
Bu çalýþmada; 4K ROM, 128 Byte RAM, 2 adet 16-Bitlik zamanlayýcý/sayýcý,
4x4 giriþ/çýkýþ hattý, bir adet seri haberleþme hattý ve bir adet 12 MHz lik osilatör devresi
içeren 8051 mikroiþlemci ailesinden 80C51FA tipi kullanýlmýþtýr. Ayrýca ilave olarak;
program belleði için 64K lýk bir EPROM, veri belleði için 2K lýk RAM ve bir de kristal
kullanýlmýþtýr. Devrenin þemasý Þekil 4'de verilmiþtir. Mikrodenetleyici birimi denetim
iþlemi için gerekli ilave donanýmlarýn yanýnda aritmetik mantýk birim, kaydedici, veri
hattý, denetim hattý, adres hattý gibi normal mikroiþlemcide mevcut birimler ile de
donatýlmýþtýr. [7]
Kendine özel makine dilinde programlanabilen mikrodenetleyici için, sistemde
kullanýlan servovalfin DGM sinyali ile kapalý-döngü denetimini saðlayan, EPROM
üzerinde bir program hazýrlanmýþtýr. Bu programa darbe frekansý ve darbe genliði
kolaylýkla deðiþtirilebilir bir esneklik verilmiþtir. Bu birimde denetim iþlevi yazýlým
algoritmalarý ile yerine getirildiðinden farklý denetim iþlemleri için çok deðiþik denetim
algoritmalarý (örneðin PID) da kolaylýkla hazýrlanabilecektir. Ayrýca denetim birimi seri
haberleþme hattýna da sahip olduðundan bir bilgisayar ile haberleþmesi mümkündür.
n bitlik bir sayýcýnýn çýkýþ sinyali periyodu Tc ve frekansý fc ise,
Tc = 2n Tclk ve fc =
fclk
2n
(8)
þeklinde ifade edilebilen DGM sinyali elde etmek mümkündür. Burada; Tclk ve fclk sýrasýyla
zamanlayýcý giriþ periyodu ve frekansýdýr. Kullanýlan mikrodenetleyicide bulunan iki adet
zamanlayýcýdan birisi, fc sayýsal DGM sinyalinin frekansýný ve diðeri de bu frekans içinde
kalan td darbe geniþliðini veya darbe periyodunu oluþturmak için kullanýlmýþtýr. Dört
farklý biçimde çalýþtýrýlabilen zamanlayýcý ile 12 MHz osilasyon frekansýnda yaklaþýk 15
Hz ile 9 kHz arasýnda sayýsal DGM sinyali elde edilmesi mümkün olmaktadýr. Bu deðerler
ele alýnan sistemde yeterli görülmektedir. Ayrýca, daha düþük frekanslarda bir osilatör
kullanmak sureti ile frekans aralýðýnýn alt seviyesini 15 Hz inde altýna düþürmek
mümkündür. Mikrodenetleyicide program komutlarýnýn icrasý için geçen süre çok kýsa
olup yaklaþýk 60 mikrosaniye civarýndadýr. Bu da devrenin gerçek zaman denetim
sistemlerinde kolaylýkla kullanýlabileceðini göstermektedir.
DGM sinyali içinde kalan bir darbenin geniþliði td ise
t d = dk Tclk
(9)
þeklinde ifade edilir. Burada dk, denetim kelimesidir. Verilen bir darbenin geniþliði için
sinyal tayfý modüle edilmiþ çýkýþýn tek bir periyodu üzerinde Fourier dönüþümü
uygulamak sureti ile
Ön Ayarlar
Hatayý Oku
KONTROL PANELÝ
HAFIZA BÝRÝMÝ
Pozitif
Negatif
HATA ?
MÝKRODENETLEYÝCÝ
DEVRE
DÝJÝTAL
ÇIKIÞ
PWM
DPWM
SEÇÝCÝ
Çýkýþa
Hata Deðeri Ýle
Orantýlý Negatif
DGM Sinyali
Gönder
Çýkýþa
Sýfýr
DGM Sinyali
Gönder
Çýkýþa
Hata Deðeri Ýle
Orantýlý Pozitif
DGM Sinyali
Gönder
ENKODER
Þekil 4. Mikrodenetleyici devresi
Þekil 5. DGM algoritmasý
bulunur. Tayf içindeki doðru akým bileþeni genliði, yani zaman alaný sinyalinin ortalama
deðeri edc,
t e
edc = d d veya edc = (dk / 2n ) ed
(10)
Tc
þeklinde ifade edilir. Burada dk denetim kelimesini ve ed de darbe sinyalinin genliðini
göstermektedir. Denetim kelimesi ise ikili sayýlar düzeninde 0 ile 2n arasýnda deðiþir. Buna
göre sýfýr giriþinde DGM çýkýþý sýfýr ve 2n giriþinde ise edc=ed olur ve bu iki deðer
arasýnda modülasyon oraný, Mo=td/Tc dk/2n ile orantýlý bir biçimde deðiþir. Bu denkleme
göre sýfýr denetim kelimesine karþýlýk DGM çýkýþý da sýfýr olur. Diðer bir deyiþ ile
DGM tayfýndaki doðru akým (dc) bileþenin genliði sýfýr denetim kelimesi giriþinde sýfýr
olur. Seçilen bir ed deðerinde zaman alaný sinyalinin ortalama deðeri olan dc bileþeni
denetim kelimesi, dk ile orantýlý deðiþmektedir. Kapalý döngü bir sistem içerisinde DGM
tekniði uygulanmasý halinde ise denetim kelimesi hata sinyalinden ibaret olacaktýr. Bu
durumda
edc = K. e
(11)
olur. Burada K bir sabit ve e hata sinyalidir. Þekil 5'de DGM algoritmasý görülmektedir.
DGM sinyali ile sürülen servovalften, bir anahtarlama elemanýnýn giriþine
uygulanan darbe trenleri þeklinde iþaretin zaman ortalamasýna orantýlý bir çýkýþ sinyali
elde edilir. Bu þekilde iyi bir doðrusal baðýntý elde edilebilmesi için DGM sinyali
frekansýnýn seçiminde bazý ölçütlerin göz önünde bulundurulmasý gerekir. DGM
frekansýnýn üst sýnýrýný anahtarlama elemanýn cevap hýzý ve alt sýnýrýný ise denetlenen
sistemin cevap hýzý belirler.
Aç-kapa biçiminde çalýþan solenoid valflerde DGM sinyali giriþine karþýlýk
zaman ortalamasý doðrusal olan bir akýþkan (debi) çýkýþý elde edilebileceði gösterilmiþtir
[4]. Burada DGM sinyali frekansýnýn üst sýnýrýný valfýn anahtarlama hýzý belirler. Buna
karþýlýk kendisi oransal bir eleman olan servovalfýn anahtalama elemaný, doðru akým
motorlarýnda olduðu gibi, sargý devresinin elektriksel zaman sabiti (Te=L/R) DGM
frekansýný belirleyebilir. Bu zaman sabiti sistem içinde en küçük zaman geçikmesini teþkil
eder. Buna göre, Þekil 6' da gösterildiði gibi bir darbe, td süresi içinde akým deðiþiminin
maksimumu deðere ulaþabilmesi gerekir. Bu da valfýn doðrusal olarak çalýþabileceði
modülasyon veya taþýyýcý frekans fc deðerini belirler. Bunu aþaðýdaki þekilde ifade etmek
mümkündür.
Tc ≤ t d ≤ 1 / fc − Tv veya Tc = 1 / fc ≥ 2Tv
(12)
ed
i(t)
Td
Tc
Þekil 6. Bir darbe süresinde akým deðiþimi
Buna göre, Tc modülasyon sinyali periyodunun, Te valf anahtarlama zamanýnýn en az iki
katý veya diðer bir deyiþle de modülasyon frekansýnýn, valf anahtarlama frekansýnýn en az
yarýsý olmasý gerektiði ortaya çýkar.
DGM da herhangi bir td darbe süresinin, Tc modülasyon periyoduna oraný;
modülasyon oraný (Mo=td/Tc) olarak tanýmlanýr. Oransal bir elemanda, yukarýdaki
koþullara baðlý kalmak kaydý ile çýkýþ sinyali modülasyon oraný ile orantýlý bir biçimde
deðiþir.
Modülasyon frekansýnýn alt sýnýrýnýn belirlenmesinde anahtarlama elemaný
tarafýndan üretilen salýnýmlý çýkýþ iþaretinin denetlenen sistem tarafýndan filitre edip
edilmediðine bakýlýr. Ikebe [2] tarafýndan yapýlan bir çalýþmada modülasyon frekansýnýn
giriþ veya sistem frekansýna oraný 7 den büyük olmasý kaydý ile modülasyon sinyalinin
düþük genlikli yüksek frekans bileþenlerinin denetlenen doðrusal sistem tarafýndan
tamamen süzülebileceði gösterilmiþtir. Hafif salýnýmlý hareketlere müsade edilmek kaydý
ile çeþitli çalýþmalarda bu oranýn 4-5 deðerlerine kadar indirilebileceði gösterilmiþtir.
Böylece daha düþük modülasyon frekansý ile daha yavaþ anahtarlama valflerin oransal
çalýþmasý saðlanmaya çalýþýlmýþtýr.
4. DENEY TESİSATI VE DENEY SONUÇLARI
Bu çalışmada deney aracı olarak 20 lt/dak debili bir hidrolik güç birimi, storku 200
mm, silindir çapı 25 mm, piston çubuğu çapı 16 mm olan çift uyarılı-çift piston çubuklu
(senkronize) bir hidrolik sislindir, REXROTH (4WS2EM10) marka mekanik geribeslemeli
bir servovalf, mikrodenetleyici, akım sürücü, hidrolik sistemin konum geribeslemeli
çalışmasında kullanılmak üzere optik dönel enkoder konum algılayıcısı kullanılmıştır.
Ayrıca deneysel verilerin toplanmasında AdvanTech PCL-818H veri toplama kartı ve
NOTEBOOK veri toplama yazılım programı kullanılmıştır.
Deneyler statik ve dinamik test olmak üzere iki şekilde yapılmıştır. Statik testte,
servovalf sargı uçlarına uygulanan çeşitli DGM frekanslarında, modülasyon oranlarına
(doluluk-boşluk) karşılık gelen akım değerleri ölçülmüştür. DGM frekanslarının seçiminde
servovalfin cevap hızı dikkate alınarak, bu değerin altında ve üstünde değerler seçilmiştir.
Servovalfin üretici firması tarafında verilen indüktans ve direnç değerlerine göre elektriksel
devrenin cevap hızı 3.125 ms (320 Hz) olarak bulunmuştur. Diğer taraftan, üretici firma
tarafından yapılan testler sonucu valfin cevap hızı olarak 6.2 ms (162 Hz) olarak verilmiştir.
Bu sebeple DGM frekansı 50, 162 ve 1 kHz olmak üzere üç adet frekans seçilmiştir. Bu
frekans değerleri ile yapılan testlerden elde edilen DGM doluluk-boşluk oranları ile akım
sonuçları Şekil 7'de verilmiştir. Şekil 7'de verilen statik karakteristik eğrilerden görüldüğü
gibi DGM frekansı arttıkça doğrusallık bozulmaktadır. Burada doğrusallığın en fazla olduğu
eğri
akım [mA]
30
konum [cm]
DGM=50 Hz
X X DGM=162 Hz
+ + DGM=1 kHz
20
DGM=50 Hz
12
10
10
8
0
6
-10
4
-20
2
-30
-100
-50
0
50
100
doluluk-boşluk oranı
0
0
0.5
1
1.5
2
zaman [s]
(a)
Şekil 7. DGM frekansı-akım karakteristiği
Şekil 8: Konum cevabı a) DGM=50 Hz
2.5
konum [cm]
konum [cm]
DGM=162 Hz
12
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
0
DGM=1 kHz
12
0
0.5
1
1.5
zaman [s]
b)
2
2.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
zaman [s]
c)
Şekil 8. Konum cevabı b) DGM=162 Hz c) DGM=1 kHz
50Hz 'lik DGM frekansına karşılık gelmektedir. Bu frekans ise valfin akışkan cevap hızı
frekansının yarısı civarındadır.
Dinamik testte ise, bir basamak giriş uygulanmış ve silindirin konum cevabı elde
edilmiştir. Bunun için, pistonun orta konumuna (100 mm) götüren arzu edilen giriş değeri,
mikrodenetleyicinin panelinden heksadesimal kod olarak verilmiştir. Arzu edilen giriş
değerinin heksadesimal kod karşılığını bulmak için şu işlem yapılır. Ýkili düzende 12 bitlik
sayýsal deðer 212=4096 bulunur. Ýleri ve geri hareketi tanýmlamak için bu deðer ikiye
bölünür ve 2048 bulunur. Bu 2048 bitlik sayý enkoderin bir devri olan 146 mm'ye karþýlýk
gelmektedir. 100 mm'lik mesafe için bu deðer yaklaþýk 1378 bittir. Bu sayýya da 562
heksadesimal kod karþýlýk gelmektedir. Bu dðer mikrodenetleyici panelinden girilir ve
çalýþ komutu ile sistem çalýþtýrýlýr. Statik testte kullanýlan DGM frekanslarý ile yapýlan
dinamik test sonuçlarý Þekil 8'de verilmiþtir.
Þekil 8'de verilen dinamik davranýþ eðrilerinden görüldüðü gibi, çok az da olsa
cevap hýzýnda bir iyileþme gözlenmektedir. Herbir durumda sistem maksimum giriþ deðeri
ile uyarýlmýþtýr. Kalýcý-durum hatasý ise tüm frekans deðerlerinde sýfýrdýr. Cevap
eðrisinde görülen sapmalar ise konum algýlayýcýsýndan kaynaklanmaktadýr. Elle yapýlan
konum ölçümlerinde (kumpas ile) herhangi bir kalýcý-durum hatasý tespit edilmemiþtir.
5. SONUÇ
Bu çalýþmada servovalfli bir elektrohidrolik sistemin doðrudan sayýsal denetemi
hedeflenmiþ ve gerçeklenmiþtir. Bunun için tasarlanan bir mikrodenetleyici ve enkoder tipi
geribesleme elemaný vasýtasý ile A/D ve D/A çeviricilerine gerek kalmaksýzýn sistemin
doðrudan kapalý-döngü sayýsal denetimi saðlanmýþtýr. Sayýsal DGM sinyali frekansýný
uygun deðerlerde seçmek kaydý ile çýkýþ elemanýn salýnýmsýz ve oransal sürülmesi
gerçeklenmiþtir. Sayýsal DGM tekniðinin sistemin doðrudan bilgisayarlý denetimine olanak
kýlmasý yanýnda, servovalf plakasýný sürekli titreþimde (dither) tuturarak kirleticilere
karþý týkanmasýný önlemek gibi avantajlar beklenmektir. Gerçektende uygulamalarda,
servovalflerin analog sinyal ile sürülmesinde sürtünme kayýplarýný azaltmak ve valfýn
yaðdaki kirleticiler karþýsýndaki hassasiyeti düþürmek amacý ile analog sinyale ilaveten
düþük genlik yüksek frekanslý titreþtirme (dither) sinyali uygunlanmaktadýr. Diðer taraftan
DGM tekniði yolu ile imalat toleranslarý fazla hassas olmayan herhangi bir anahtarlama
valfý yolu ile de oransal baðýntý saðlanabileceði gösterilmiþtir. Bu da ileri bir konuda
maliyeti düþük yapýsý daha basit elektrohidrolik valflarýn geliþtirilmesine öncülük
edecektir.
KAYNAKLAR
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Y. İkebe and T. Nakada, "On a Piezoelectric Flapper Type Servovalve Operated by a Pulse-Width-Modulated
Signal", Fourteenth Joint Automatic Control Conference of The American Automatic Control Council, June
20-22, 1973, pp.945-953.
T. Muto, H. Yamada and Y. Suematsu, "Digital Control of Hydraulic Actuator System Operated by
Differential Pulse With Modulation", JSME International Journal, Series III, Vol.33, No.4, 1990, pp. 641648.
G. Wennmacher, "Elektrohydraulischer Positionerantrieb mit Schnellschaltventilen und Digitaler
Regelung", o+p hydraulik und pneumatik, Nr.2, pp. 85-90, 1992.
Ý. Yüksel, M. Þengirgin , H.Ý.Önbaþ, "Elektrohidrolik Valflerin DGM Tekniði Ýle Sürülmesinin Teorik ve
Deneysel Araþtýrýlmasý", Otomatik Kontrol Bilimsel Toplantýsý, TOK'94, sayfa 325-338, Nisan 1994.
S.A. Murtaugh, "An Introduction to the Time Modulated Acceleration Switching Electrohydraulic
Servomechanism", Transaction of the ASME Journal of Basic Engineering, June 1959, pp. 263-271.
S.C. Tsai, P.R.Ukrainetz, "Response Characteristics of a Pulse-Width-Modulated Electrohydraulic Servo",
Transaction of the ASME Journal of Basic Engineering, June 1970, pp. 204-214.
H.İ. Önbaş, "Hidrolik Sistemler İçin Sayısal Sinyal İşleme ve Sürücü Devre Tasarımı ve Analizi", Yüksek
Lisans Tezi, U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa, 1993.