Pozisyon ve Hız Ölçme Sensörleri

Tam bir sinüs armatür faz gerilimi sağlamak ve motor akımını kontrol edebilmek için çoğu PMSM sürme devrelerinin kontrol algoritmaları yüksek çözünülürlü hız ve pozisyon ölçmelerini gerektirir.

Günümüzde takogeneratör, resolverler, alan effect (etkili) sensörleri, optik enkoderler gibi bir çok pozisyon dedektörü mevcuttur. Bununla birlikte, bunların içinde en çok tercih edilenleri analog pozisyon bulmak için resolverler ve dijital pozisyon bulmak optik enkoderlerdir. Aşağıda, bu sensörler kısaca tanıtılacak ve optik enkoderler üzerinde yoğunlaşılacaktır.

2.6.1 Takogeneratör

Takogeneratör küçük bir sabit mıknatıslı makinadır (DC, relüktans veya ac makina). Hızla orantılı olarak elektromotor kuvvet üretir. Takogeneratör motorun miline akuple edilir. İdeal karakteristiği Şekil 2.11 b’deki gibi gösterilebilir.

Takogeneratör hızla orantılı gerilim üretir. Bu gerilimde kontrol sistemi işlemleri için gereklidir. Şekil 2.11-b de takogeneratörün gerilim-hız karakteristiğini göstermektedir. Aynı karakteristik motorun rotor pozisyonunu belirlemek için kullanılabilir.

Şekil 2.11 Takojeneratör: (a) devre diyagramı (b) Hız karakteristiği Ra armatür direnci ve T1, T2 takogeneratörün bağlantı uçlarıdır.

2.6.2 Resolverler

Resolverler küçük alternatör yapılı (sargılı rotor ve birbirine dik yerleştirilmiş sargılı stator) bir elektromanyetik cihazdır. Rotor yüksek frekanslı bir sinyal ile beslenir. Statorda endüklenen gerilim rotor hızının bir fonksiyonudur. Resolverlerin en temel avantajı yüksek çözünülürlüklü pozisyon ölçmeleri ve dayanıklılıklarıdır. Bununla birlikte yüksek maliyetleri dezavantajını oluşturur (Essam, 1994).

2.6.3 Alan Etkili Sensörler

Alan effect (etkili) veya durum etkili sensörleri motorun miline akuple edilmiş, sabit bir DC akım taşıyan bir yarı iletkendir. Akıma dik olarak bir manyetik alan uygulanırsa, ortogonal eksen boyunca bir potansiyel fark oluşur. Böylece durum sensörleri manyetik alanı bulur. Bu alan, makinanın ana alanı, end alanı, veya milin sonuna monte edilmiş sabit mıknatısların alanı olabilir.

Bu sensörlerin avantajı RFI’dan etkilenmemeleri, düşük fiyatlılığı, basit oluşu ve doğruluğudur. Düşük çözünülürlükleri, sıcaklığa karşı hassas olmaları ve kaçak manyetik alanlardan etkilenebilirlikleri dezavantajları olarak sayılabilir.

2.6.4 Optik Enkoderler

Bir enkoder lineer veya açısal bir yerdeğiştirmenin sonucu olarak dijital bir çıkış üreten elektromekanik sensördür. Birinci kullanım alanı robot kolu, radar antenleri, motor ile sürülen slayt gibi bir sistem bileşeninin pozisyonunu okumak ve izlemektir. Şekil 2.12 enkoder bordu ile bir motor sürme devresini gösteriyor. Pozisyon enkoderleri iki kategoriye ayrılabilir; bazı veri pozisyonlardan dönmedeki değişikliği bulan artımsal “incremental” enkoderler ve gerçek açısal pozisyonu veren mutlak ”absolute” enkoderler (Bolton, 2003).

Şekil 2.12 komütasyon ve geribesleme için enkodör kartlı Sürücü (http://www.renco.com/106001.htm)

Enkoder Çalışma Prensipleri

Geleneksel artımsal ve mutlak enkoderlerin çoğu benzer optik tarama tekniklerini kullanırlar (Şekil 2.13). Elektronik bir çıkış üretmek için LED tarafından yayılan ışık döner bir disk ve sabit bir maskenin içinden geçer. Artımsal enkoderlar sayma için ve birde optional komütasyon için olmak üzere iki iz setine sahiptirler. Enkoderin çözünürlüğü, disk kenarına eşit bir şekilde dağıtılmış şefaf ve ışık geçirmeyen çift bölgeler sayısına bağlıdır. Mutlak enkoder diski, tam yerleştirilmiş şeffaf ve ışık geçirmeyen dilim paketlerinden meydana gelen merkezli aynı izlerden oluşmaktadır. Bu izler ile dilimler birleştiğinde bir dijital değer oluşur.

Her bitin çözünürlüğü için bir iz gerekmektedir. Örnek: 12- bit (çözünürlük başına 4096 parça ) enkoder için 12 iz vardır.

2.6.4.1 Artımsal Enkoderler

Açısal yerdeğiştirmeyi ölçmede kullanılan artımsal enkoderlerin temel şekli Şekil 2.13’te göstrilmiştir. Bir ışık demeti bir diskin içinde oluklardan geçer ve uygun ışık sensörleriyle bulunur (detected). Disk dönerken, sensörler tarafından bir pulse çıkışı üretilir. Üretilen darbelerin sayısı dönen diskin yerdeğiştirmesiyle orantılıdır. Böylece, disk açısal pozisyonu ve buradan disk üzerine dönen şaft pozisyonu belirli pozisyon verilerden sonra üretilen darbeler sayısı kullanılarak tespit edilir. Pratikte üç sensörlü merkezleri aynı üç iz kullanılmaktadır.

İçteki izde bir delik mevcuttur ve bu diskin (home) pozisyonunu belirlemede ayrıca dönme hızının belirlenmesine izin verir. Diğer iki iz diskin etrafında eşit aralıklarla yerleştirilmiş deliklerden oluşur fakat ortadaki izin offsetindeki delik dıştaki izin deliklerinden yarım delik genişliğinde ilerdedir. ofsetlenmiş iki darbe seti örneği Şekil 2.14’te gösterilmiştir. İki pulse setinin fazları birbirinden farklı olduğu için, birinci ile ikinci pulse setlerinin faz kayma miktarlarından milin hangi yönde döndüğünü belirlenebilir. Birinci pulse seti A, ikinci pulse seti B olarak adlandırılsın. Milin bir dönmesi başına üretilen toplam kare dalga sayısına enkoderin çözünülürlüğü adı verilir. Tipik enkoderlerde 100’den 6000’a kadar kısım veya delik bulunur. Bu da 100 delikli bir enkoder için 3,6º’lik bir çözünülürlük veya 6000 delikli bir enkoder için 0,06º’lik bir çözünülürlük anlamına gelir.

(a) (b)

Şekil 2.13 Artımlı enkoder (a) Temel prensipi (b) Merkezli izler (http://www.sensorsmag.com/)

Şekil 2.14 A darbesi, B darbesi, ve sıfır (home) C darbesi. Eğer A darbesi B darbesinden önce olursa, o zaman mil, saatin hareketi yönünde döner, aksi halde mil saatin ters hareketi

yönünde döner. C darbesi bir devirde bir kere oluyor. (http://zone.ni.com/devzone/conceptd.nsf/webmain/)

Artımsal enkoderler sadece bir dizi darbe sağladıklarından dolayı, enkoderin referans noktanın gerçek yeri ile kalibre olduğundan emin olmak için bu tip enkoderlerle birlikte sıfır (home or zero) anahtar kullanılmalıdır. Yüksek çözülürlük istenen yerlerde metallerden yapılan ilk enkoder tekerlekleri çok kullanışlı değildir. Günümüzde, enkoder tekerlekleri içinde çubuklar şeklinde ışık geçirmeyen segmentler içeren temiz camlardan yapılır. Enkoder tekerleği dönerken ışık geçirmeyen dilimler ışığı bloke ederler ve şefaf dilimler (camlardan ) ışığı geçer. Bu delikli enkoder tekerleklerine benzer bir şekilde darbe zinciri üretir.

2.6.4.2 Mutlak Enkoderler

Mutlak enkoderler (Şekil 2.15) verilen herhangi bir enkoderin dönme pozisyonu için tek bir dijital çıkış verirler. Bu tip enkoderler teleskops, krens, valfler vb gibi hareketin yavaş olduğu veya çok uzun bir süre cihazın aktif olmadığı uygulamalarda kullanılırlar. Döner mutlak enkoderler herbir izin doğruluğun bir bitini gösterdiği merkezleri ortak bir çok iz içeren hassas bir tekerlekten ibarettir. Tipik olarak optik tekerlek ikilik sayma sistemi (binary) yerine Gray kod ile kodlanmıştır. Bu tasarımın avantajı pozisyon hiçbir zaman kaybolmaz. Dezavatajları olarak maliyetlerin yüksek oluşu, sargı sistemlerinin daha kompleks ve çok güç harcamalarıdır.

Şekil 2.15. Mutlak enkoder temel şeması (http://www.sensorsmag.com/) 2.6.4.3 Artımsal ve Mutlak Enkoderlerin Karşılaştırılması

Geri besleme sistemi herzaman home pozisyona referans edildiğinden, artımsal enkoderler gürültüye ve güç kesintilerine karşı hassastırlar. Güç kesinti olma durumunda, artımsal enkoder kullanılan bir sistem yeniden başlatılmalıdır.

Mutlak enkoderlerde kodlanmış rakam benzersiz olmasından dolayı hareket sistemi bir kere başladıktan sonra güç kesildiğinde sistem hareket etse bile pozisyon kesin olarak belirlenir. Mutlak enkoderler hataları toplamazlar. Arasıra oluşan gürültü mutlak enkoder tarafından gönderilen bir pozisyon değerini bozduğu zaman, sadece o belirli kısım bundan etkilenir. Bir sonraki pozisyon değeri aynı gürültüden etkilenmeyecektir ve daha önceden meydana gelmiş herhangi bir hata ilerki okumalarda düzeltilecektir.

Genellikle artımsal enkoderler mutlak enkoderlere göre düşük maliyetle daha yüksek çözünülürlük sağlarlar ve çok az çıkış hatlarının olmasından dolayı daha basit arayüze sahiptirler. Tipik olarak, bir artımsal enkoder 5 hat, 3 pozisyon/hız sinyali, bir güç ve bir toprak hattına sahiptir. Buna mukabil, 12 bitlik bir mutlak enkoderde 12 çıkış teli, bir güç ve bir toprak hattı vardır. Ayrıca, mutlak döner enkoderler pahalıdırlar, çalıştırılma safhasında epeyce bir uzmanlık ister, çok sağlam değil ve veri iletme oranında sınırlıdırlar. Bu yüzden, motor kontrol uygulamalarında az kullanılmışlardır ve mutlak enkoderler kullanılmanın uygun görüldüğü çoğu uygulamada da artımsal döner enkoderler kullanılmaktadır.

Pozisyon belirlemede bir çok diğer methodlarda yeni yeni ortaya çıkmaktadır ve bunlar optik fiberlerin kullanılıp verinin iletilmesi ve alınması uzaktan kumanda ile makineden başarabilmesi ümit edilmektedir.