OPTİK ŞAFT KODLAYICILARI

OPTİK ŞAFT KODLAYIC1LARI

Aykut DALGIÇ Elektronik Yük. Mühendisi Elektrik ve Elektronik Müh. Böl. Orta Doğu Teknik Üniversitesi ANKARA

ÖZET

Bu yazının amacı, konum bilgisini sayısal gerilim şek line dönüştüren şaft kodlayıcılarından optik şaft kod layıcılarının belirli bir ölçüde tanıtılmasıdır.

Yazıda takometre, artımsal ve mutlak optik şaft kod layıcıları ele alınmakta, genel çalışma prensipleri ince lenmekte ve bunların yapılarında mümkün olabilecek seçenekler üzerinde durulmaktadır.

SUMMARY The purpose of this paper is to describe a class of shaft encoders, which convert the position informa tion into digital voltage waveform: optical shaft encoders.

İn the paper, tachometer, incremental and absolute optical shaft encoders, with general working princi ples, and possible altematives in their structures, have been examined.

GİRİŞ

Gelişen elektronik ve bilgisayar teknolojisi, günümüz de birçok mekanik dizgenin otomatik kontroluna ola nak tanımaktadır.

Böyle dizgelerde, mekanik dizgenin çeşitli parçaları nın konumlarının belirlenmesi ve bunların uygun geri lim seviyesine dönüştürülüp, elektronik dizgenin anlı yacağı biçimde, kontrol dizgesine verilmesi gerekmek tedir. Konum çevirgeçleri ^position transducers) bu tür amaçlarla kullanılan ve konum bilgisini uygun ge rilim seviyelerine çeviren aygıtlardır.

Konum çevirgeçleri, çıkışları itibariyle, konum bilgi sini örneksel (analog) ve sayısal (digital) gerilim şekli ne dönüştürenler diye ikiye ayrılırlar.

1 ŞAFT KODLAY ICILARI

Konum çevirgeçlerinden biri olan şaft kodlayıcıları (shaft encoders), dönme şaftına tutturulan ve açısal şaft konumunu elektriksel voltaj dalga şekline dönüş türen elektromekanik çevirgeçlerdir.

Şaft kodlayıcıları üç gruba ayrılmaktadır:

i) Fırça Şaft Kodlayıcıları ii) Manyetik Şaft Kodlayıcıları iii) Optik Şaft Kodlayıcıları

1.1. Fırça Şaft Kodlayıcıları

Fırça şaft kodlayıcıları (brush shaft encoders) başlıca iki kısımdan oluşur: kodlanmış disk ve fırçalar birimi. İletken bir maddeden yapılmış olan kodlanmış diskin üzerinde, Şekil 2c'deki sayısallaştırıcı disk üzerindeki siyah bölgelere benzer yalıtkan kısımlar bulunur. Dis kin üzerinde dolaşıldığında bir iletken kısım, bir yalıt kan kısım olmak üzere iletken ve yalıtkan kısımlar bir birini takip eder. İletken (veya yalıtkan) kısımların sa yısı kadar iletken fırça diskin üstünde düzgün aralık larla yerleştirilmiştir. Bunlara ek olarak diğer bir fırça diskin öteki iletken yüzüne yerleştirilir. Disk döner ken iletken fırçalar iletken veya yalıtkan kısımlara değmekte ve diskin arka yüzündeki fırçayla elektrik sel devreyi kapayıp açarak her fırçadan kare dalga şeklinde gerilim elde edilmesini sağlamaktadırlar.

Şaft hızının sınırlı olması ve fırçaların çabuk yıpran ması gibi nedenlerden dolayı, fırça şaft kodlayıcıları günümüz endüstrisinde pek fazla kullanılmamaktadır lar. 1.2. Manyetik Şaft Kodlayıcıları

Manyetik şaft kodlayıcılarında (magnetiç shaft enco ders) diske gömülmüş mıknatıslanabilen maddeden

oluşmuş izler mevcuttur. Bu izlerin üzerine, izlerdeki maddenin manyetik doyum durumunu algılayan bir kafa yerleştirilir. Manyetik kafa üstündeki diğer sargı lar, izlerdeki maddelerin durumunu değiştirmek için kullanılır.

Manyetik şaft kodlayıcıları, değişik sıcaklık ve meka nik koşullarda daha iyi çalıştıkları için, genellikle, fır ça şaft kodlayıcılarına tercih edilmektedirler.

2 OPTİ K ŞAFT KODLAY ICILARI

Günümüzde en fazla kullanılan şaft kodlayıcıları olan optik şaft kodlayıcıları (optical shaft encoders) genel olarak üç ana kısımdan oluşmaktadırlar:

Sayısallaştırıcı (digitizer) disk Işık kaynağı Işık algılayıcı eleman Şekil l a ' d a genel görünümü verilen sayısallaştırıcı disk, birbirini takip eden, ışığı geçiren saydam (trans parent) ve ışığı geçirmeyen donut (opaque) dilimler den oluşmuştur. Şekil 1 i)'den görüldüğü gibi sayısal laştırıcı disk, ışık kaynağı ile ışığı algılayıcı eleman arasında yer almaktadır. Disk döndükçe saydam di limlerden geçen ışık, aygıt tarafından algılanmakta, buna karşın donut dilimler ışık kaynağının önünü ke serek ışığın karşıdaki eleman tarafından algılanmasına engel olmaktadır. Işığı algılayıcı eleman, belirli mik tarda ışığı algıladığı zaman, çıkışında daha değişik bir gerilim seviyesi göstererek sayısallaştırıcı diskin dönü şünün saptanmasına olanak tanımaktadır. Sayısallaştı rıcı diskin üzerindeki dilim sayısını arttırmak ayrışı mın (resolution) artmasına neden olmaktadır.

Şekil 2 a , 2.b ve 2.c'de üç değişik sayısallaştırıcı dis kin genel görünümü verilmektedir. Bu diskler yapılış larına göre ikiye ayrılmaktadırlar:

Mercek

I sık kaynağı

Işık algılayıcı aygıt

nrın

sayısallaştırıcı disk

2 dilim

(c)

Şekil 1 a) Sayısallaştırıcı disk b) Işık kaynağı,sayısallaştırıcı disk ve ışık algılayıcı elemanın birbirlerine göre konumları c) Bu optik şaft kodlayıcısının çıkış gerilim sekil

Şekil 2 a,b,c çeşitli sayısallaştırıcı disk örnekleri

Saydam maddeden yapılanlar: Bu tür diskler say dam maddeden yapıldığı için, saydam dilimler deği şiklik yapılmadan aynen kalmakta, sadece donut di limler siyah bir tabakayla kaplanarak oluşturulmakta dır. Şekil 2a ve 2.b'deki diskler bu türe örnektirler,

— Donut maddeden yapılanlar: Bu tür diskler donut maddeden yapıldığı için, donut dilimler değişiklik ya pılmadan aynen kalmakta, sadece saydam dilimler dis kin üzerinden o kısımlar kesilip alınarak oluşturul maktadır. Böyle bir diskin genel yapısı da Şekil 2.c'de görülmektedir.

Işık yansımalarını en aza indirip, ışık algılayıcı elema nın yanılmasını önlemek için sayısallaştırıcı diskler genellikle mümkün olduğu kadar ince yapılırlar. Dis kin böyle yapılması, tasarımlanan optik şaft kodlayı cısında, yüksek ayırışım elde edilebilmesi bakımından da önemlidir.

Günümüzde, optik şaft kodlayıcılarının yaygın kulla nım alanı bulması sonucu, bunlarda kullanılan ışık kaynağı ve ışık algılayıcı eleman piyasada tek bir bi rim üstüne yerleştirilmiş şekilde bulunabilir hale gel miştir. Bunlarda genellikle ışık kaynağı, ışık saçan di yot (LED), ışık algılayıcı eleman da foto transistor dur.

Sayısallaştırıcı disk, ışık kaynağı ile ışık algılayıcı fo to transistor arasındaki boşluktan geçecek şekilde yerleştirilir. Disk döndükçe diskin ışığı geçiren say dam ve geçirmeyen donut dilimleri, sırasıyla ışık kay nağının önünden geçmekte ve ışığı algılayıcı foto transistöre ışığın ulaşmasını sağlamakta veya engel ol maktadır. Böylece şaft döndükçe, foto transistöre ışık sırasıyla bir gelmekte bir gelmemektedir. Foto transistöre ışık gelirse transistor doyuma (saturation) ulaşmakta, ışık gelmezse kesim (off) durumunda kal maktadır. Bir elektronik devreye bağlanmış bulunan foto transistorun kollektörü ve emiteri arasından kare dalga şeklinde (genellikle OV ve SV'lik) bir çıkış elde edilmektedir.

Optik şaft kodlayıcılarının dönme ataleti (rotational inertia) diğer şaft kodlayıcılarınkine göre daha kü çüktür, dolayısıyla düşük dönme ataleti gerektiren iş lerde de rahatlıkla kullanılabilirler.

Optik şaft kodlayıcıları genel olarak üç gruba ayrıl maktadır:

i) Takometre Optik Şaft Kodlayıcıları ii) Artımsal Optik Şaft Kodlayıcıları iii) Mutlak Optik Şaft Kodlayıcıları 2.1. Takometre Optik Şaft Kodlayıcıları

Takometre optik şaft kodlayıcıları (tachometer opti cal shaft encoders) hareket/dönme miktarını algılar lar, fakat bu hareketin/dönüşün yönünü saptayamaz

lar. Bir tek çıkışı olan bu tür şaft kodlayıcılarının ge nel yapısı ve çıkış gerilim dalga şekli Şekil 3'te göste rilmektedir.

1 45V

Sekil 3 a) Bir takometre şaft kodlayıcısıntn sayısallaştırıcı diskinin genel yanıcı b) Takometre şaft kodlayıcısının çıkışı

Eğer dönüş tek bir yönde ise, bu şaft kodlayıcısının çıkışını bir elektronik sayıcıya vererek bir referansa göre konum bilgisini elde etmek mümkündür. Fakat ters yönde olan bir dönüş bu aygıt tarafından algılana mamaktadır. Bu durum da aynı yönde bir dönüş gibi çıkış verilmektedir. Dolayısıyla iki yönde olan hare ketler/dönüşler için bu tür şaft kodlayıcıları kullanıla mazlar. Tek yönlü dönüşlerde takometreler hız ölçümünde de kullanılır. Bunun için elektronik sayıcılar baştan sıfır lanır, sonra, sayıcının belirli bir süre ışığı algılayıcı ele manın çıkışından alınan 0V 5V'luk elektriksel darbe leri sayması beklenir ve bu belli süre sonunda sayıcı nın değerine göre hızın değeri saptanır. Takometre optik şaft kodlayıcıları, genellikle, tek yönlü olan hareketlerin/dönüşlerin hız ölçümünde ve kontrol uygulamalarında kullanılmaktadır

2.2. Artımsal Optik Şaft Kodlayıcıları Artımsal optik şaft kodlayıcıları (incremental optical shaft encoders) hareketin/dönüşün miktarı yanı sıra yönünü de algılarlar ve çıkış olarak verirler. Bu tür şaft kodlayıcılarının genel yapısı ve çıkış gerilim dalga şekillerinin bir kısmı Şekil 4'te görülmektedir. Şekil deki A ve B çıkışları, takometre şaft kodlayıcılarının çıkışı gibidirler ve hareket miktarını verirler. Bu iki çıkış, bir sayısal elektronik devreden geçirilerek hare ketin yönü elde edilir. Bu tür kodlayıcılarda, ileri ve geri sayabilen bir elektronik ileri geri sayıcısı (up

down counter) kullanılarak bir referansa göre net ha reket miktarı saptanabilir. Bu sayıcının girişine, hare ketin miktarını 0V 5V'luk darbeler (pulses) halinde veren artımsal optik şaft kodlayıcısınm çıkışı verilir. Sayıcının ileri veya geri sayması da şaft kodlayıcısınm yön çıkışıyla sağlanır.

Artımsal optik şaft kodlayıcılarmın, eğer varsa, sıfır

referans çıkışı bir referans noktası saptanmasında kul

lamlır

,

ışık algılayıcı

•J dilim aygıtlar

.

sını ışığa karşı kapamak durumundadır. Şekil 4.b ve 4.c'den de görüldüğü gibi, A ile B ışık algılayıcılarının çıkışları arasında sürekli olarak 90°'lik bir faz farkı vardır. Disk saat hareketi yönünde dönüyorsa, B ışık algılayıcısı çıkışı A algılayıcısı çıkışından 90° geri kal makta, disk saat hareketinin ters yönünde dönüyorsa 90° ileri gitmektedir. Yön bilgisinin saptanması, A ve B ışık algılayıcılarının çıkışlarını kullanan bir sayısal elektronik devreyle gerçekleştirilmektedir.

0J A r"

O 1

k (c)

4 dilim

(d)

Sekil 4 a) Bir artımsal şaft kodlayıcısınm sayısallaştırıcı diskinin genel yapısı b) Saat hareketinin ters yönündeki dönüşlerde A ve B çıkışı c) Saat hareketi yönündeki dönüşlerde A ve B çıkışı d) Sıfır referans çıkışı

Şekil 4'ten de görüldüğü gibi, dönüş yönü, sayısallaş tırıcı disk üzerinde birbirinden yarım dilim uzaklıkta yerleştirilmiş olan iki ışık algılayıcı eleman yardımıy la saptanmaktadır. Sayısallaştırıcı diskin saat hareketi yönünde dönüşü, önce A sonra da B ışık algılayıcı ele manını ışık kaynağına karşı kapamaktadır. Ters yön de dönüşte ise, disk önce B sonra da A ışık algılayıcı

Şekil 5 Başka bir artımsal şaft kodlayıcısınm sayısallaştırıcı diskinin genel yapısı

Şekil 5'te daha değişik bir artımsal optik şaft kodla yıcısınm genel yapısı verilmektedir. Şekilde de görül düğü gibi, bu artımsal optik şaft kodlayıcısı, değişik bir sayısallaştırıcı disk kullanır. Bu disk özel olarak kodlanmış ve ışık algılayıcıları, şekilde gösterildiği gi bi yerleştirilmiştir. Tablo 1 'den de görüldüğü gibi, dis kin sağa veya sola dönüşü, A ve B ışık algılayıcılarını farklı durumlara getirmektedir. Dolayısıyla, bir sayısal elektronik devreyle, A ve B ışık algılayıcıları çıkışla rından yön bilgisini elde etmek mümkün olmaktadır.

Artımsal optik şaft kodlayıcıları kontrol uygulamala rında yaygın olarak kullanılır. Elektronik dizgelerde, gerçek konum bilgisi bu tür şaft kodlayıcılarmın çı kışlarına göre sayan ileri geri sayıcılarla saptanmakta dır. Bilgisayar kontrollü dizgelerde ise, artımsal optik şaft kodlayıcısı çıkışları sürekli okunmakta ve yazı lımsal olarak gerçek konum bilgisi elde edilebilmekte dir.

2.3. Mutlak Optik Şaft Kodlayıcıları

Mutlak optik şaft kodlayıcılarında (absolute optical shaft encoders) sayısallaştırıcı disk öyle kodlanmıştır ki, mevcut ışık algılayıcı eleman çıkışlarından o anki konum bilgisi, doğrudan, ikili (binary) olarak okuna bilmektedir.

Şekil ö.a'da, 0 ile 9 arasında değer verebilecek şekilde ikili olarak kodlanmış bir sayısallaştırıcı disk görül mektedir. Şekilden de gözüktüğü gibi Aa elde edilebi lecek ayırışımı göstermektedir.

ikili sayılara karşılık gelen gray kodlar gösterilmekte dir. Bu tablodan, Şekil 7.b'deki gray kodla kodlanmış sayısallaştırıcı diskten ve Şekil 6.b den görüldüğü gibi, gray kodlamada ardışık iki değer arasında sadece tek bir hanede fark vardır. Dolayısıyla örnekteki gibi ha talar önlenmiş olmaktadır.

Tablo 1

a) Saat Hareketi Yönündeki Dönüşte A ve B Işık Algılayıcılarının Durumu

b) Saat Hareketinin Ters Yönündeki Dönüşte A ve B Işık Algılayıcılarının Durumu

(1>)

0: Işık Algılanmıyor 1: Işık Algılanıyor

ikili

gray

(binary) (b)

Şekil 6 a) O İle 9 arasında ikili olarak kodlanmış bir sayısal laştırıcı disk b) 0 ile 9 arasındaki sayıların ikili sayı ve gray kod karşılıkları

İkili olarak kodlanmış diskin dönmesi sırasında, sayı sallaştırıcı diskteki kodlamaların duyarlı olmamasın dan, ışık algılayıcılarının düzgün yerleştinlememesin den ya da diskin dönüş sonrasında iki ayrı kodlanmış bölgenin tam ortasında durması gibi nedenlerden, âz kadar bir dönüş sırasında, çıkışta istenmeyen sonuç lar görülebilir, örneğin, ikili kodlanmış bir diskin çı kışı 0011 iken 0100 olması yönünde diske bir dönüş hareketi verildiğinde (kısa bir süre için de olsa) çıkış ta 0111 okunabilir. (Bu, soldan ikinci haneye karşılık gelen ışık algılayıcısının yeni durumunu diğer üç algı layıcıdan daha önce algılaması durumunda olur). Bu, oldukça büyük bir hatayı gösterir. Olabilecek böyle hataları önlemek amacıyla gray koduyla kodlanmış sayısallaştırıcı diskler kullanılabilmektedir. Tablo 2'de

Tablo 2

Bazı Ondalık Sayıların İkil i Sayı ve Gray Kod Karşılıkları

Ondalık Sayı

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

İkili (Binary) Sayı

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010

Gray Kod

0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111

Mutlak optik şaft kodlayıcılarımn kapasitesini, mev cut dilim ve ışık algılayıcı eleman sayısını çoğaltarak arttırmak mümkündür. Kodlayıcılarla, ilgili mekanik dizgenin bağlantısı duyarlı dişlilerle ayarlanmaktadır.

Kapasiteyi arttırmanın diğer bir yolu da, kapasitesi 0 ile 9 arasında olan mutlak şaft kodlayıcılarımn 1/10' luk duyarlı dişlilerle, Şekil 8'de gösterildiği gibi, bir birine bağlanmasıdır. Elde edilebilecek duyarlılık, me kanik kısımda ulaşılabilecek duyarlılığa büyük ölçüde bağlı olacaktır.

Mutlak şaft kodlayıcıları, herhangi ek bir devreye ge rek kalmadan (elektronik sayıcı da kullanmadan) doğ rudan o anki konum bilgisini vermektedirler.

Şekil 7 a) O İle 7 arasında İkili olarak kodlanmış bir sayısallaştırıcı disk b) O İle 7 arasında Gray kodla kodlanmış bir sayısallaştırıcı disk

<cr

drıve

a) Şekil 6a'daki s?yısallaştırıcı disk b) 1/10'luk dişli

Şekil 8 1/10'luk dişlilerle ard arda bağlanan O ile 9 arasında kodlanmış, sayısallaştırıcı disklerin oluşturduğu bir mutlak şaft kodla yıcısı.

KAY NAKLAR

1. Hudson Charles, "A Guide to Optical Shaft Encoders", Instruments and Control Systems, May 1978. 2. Işık Talat, "Desing and Construction of a Prototype NC Milling Drilling Machine", M. Sc. Thesis, Department of Mechanical Engineering METU, 1981.

3. Norton Harry N., "Handbook of Transducers for Elec tronic Medsuring Systems", Prentice Hall, New Jersey, 1969.

4 özdamar S. Ferhat, "A Two Dimensional Digital Position Control System", M. Sc. Thesis, Department of Electrical Engineering METU, 1976.

5 Sanvar Javed, "A High Voltage Spark Gap VoltmetCr vvith Remote Control and Measurement", M. Sc. Thesis, Department of Electrical Engineering METU, 1983.