Encoderin çalışma mantığını anlayabilmemiz için önce kısaca optokuplörü hatırlayalım.

Optokuplör aynı kılıfa konmuş bir adet led ve ışığa duyarlı yarı iletken (foto diyot, foto transistör, foto tristör, foto triyak gibi) elemandan oluşmaktaydı.
 

Şekil 1: Optokuplör

Led'e gerilim verildiğinde ledin ışığından etkilenen diğer eleman iletime geçmekte ve bağlı bulunduğu devrede işlem yapmaktaydı.Optokuplör'e en güzel örnek olarak toplu farelerin içerisindeki çatal izalatörler (led ve optik elemanın arası açılmış optokuplör) gösterilebilir.
 

Şekil 2: Toplu Farenin İç Yapısı

Burada iki eksende top makaraları döndürmekte ve makara uçlarındaki yarıklı diskler led ve optik eleman arasından ışığı kesip-vererek sinyal üretmektedir.
 

Şekil 3: Çatal Optik İzolatör

Motor miline bağlı olan bir encoder mil konumunu çözünürlüğü hassasiyetinde verir. Çözünürlükten kastedilen encoderin bir turun kaçta kaçını ölçebildiğidir. Şekil 4'te encoderlerde kullanılan standart çözünürlükler verilmiştir.

Şekil 4: Encoderlerde Kullanılan Standart Çözünürlükler

Örneğin buradaki çözünürlüğün 4200 olması (360/4200= 0,0857 derece) encoderin milin her 0,0857 derecelik hareketini ölçebileceği anlamına gelir.


Encoderler, algılama tenolojisine göre ikiye ayrılır;

1) Optik Algılamalı Encoder
2) Manyetik Algılamalı Encoder

Encoderler, çıkış tipine göre ikiye ayrılır;

1) Incremental (Artımsal) Encoder
2) Absolute (Mutlak) Encoder

 

► İlginizi Çekebilir: Motor Sürücüleri | 2. Bölüm | Kontrollü Kaynaklar

Mutlak Encoderler de kendi içinde aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir;

Haberleşme teknolojisine göre ;

1) Paralel tip
2) Seri tip

Paralel tip; tek turlu ve çok turlu olarak ikiye ayrılır. Her bir çıkış için ayrı iletken vardır. Örneğin 8 bitlik çıkış için 8 iletken kullanılır.

Seri tip de tek turlu ve çok turlu olarak ikiye ayrılır. Bu haberleşme teknolojisinde çıkış verileri değişik elektronik protokollerle yapılır ve iki iletken kullanılır. Örneğin Seri Senkron Interface (SSI), Seri Asenkron Interface, Interbus, Profibus, Canbus gibi.
 

Bir turunda çözünürlüğü oranında sinyal üretir. Örneğin çözünürlüğü 3600 olan incremental encoder bir turunda sürücüye 3600 adet pals yollar ve sürücü bu palsleri toplayarak konum bilgisine dönüştürür. Motor her iki yöne dönüşünde de bu pals üretilecektir. Yönü ayırt etmek ve sıfır geçiş noktalarını tespit için İncremental encoder sürücüye üç adet sinyal gönderir.

Şekil 5'de A, B ve Z sinyali gözükmektedir. Z sinyali sıfır geçiş sinyali olup bir turda sadece bir kez çıkış verir. Şekilde A ve B sinyallerinin birbirinden 90 derece faz farklı olduklarına dikkat edin. Bu sinyaller dönüş yönünü ayırt etmek için faz farklı olarak çıkış vermektedir.
 

Şekil 5: Incremental Encoder Çıkış Sinyalleri

Motorun ileri yönde dönüşünde A sinyali B sinyalinden önce çıkış verecektir. Motor yönü değiştiğinde bu sefer B sinyali A sinyalinden önce çıkış verecektir. Sinyallerin önceliğine göre sürücü yön bilgisi sağlayacaktır. 
 

Şekil 6: Incremental Encoder Yön Bilgisi

Sıfır sinyali gereksiz gibi gözükse de encoderin testi açısından önemlidir. Encoder bir turda çözünürlüğü oranında pals vermesi gerekmektedir. Eğer iki sıfır geçişi arasında encoder çözünürlüğü kadar pals vermiyor ise bunun anlamı ya encoder içerisindeki optik devrede bir arıza meydana gelmiştir ya da encoderi sürücüye bağlayan kablo üzerinde oluşan manyetik gürültüler (veya bağlantı gevşeklikleri) sinyallerin bozulmasına neden olmaktadır.
 

Ayrıca sıfır geçiş noktası sayıların sadeleşmesini sağlamaktadır. Şöyle ki;

Çözünürlüğü 7200 olan bir encoderin 15,5 tur attığını düşünelim. Üretilen pals sayısı 7200x15,5=111600 gibi büyük bir değerdir ve sürücü bu büyüklükteki sayıların hesabı ile uğraşacaktır. Eğer sıfır geçişlerde pals sayısı sıfırlanıp tur sayısıda tutulacak olursa 15,5 tur 15 sıfır sinyali + (0,5x7200=3600) 3600 pals olacaktır.

Şekil 7: Sinyalleri Karşılaştırarak Parazit Algılama

Yine çalışma sırasında güvenilirliği sağlama ve sinyalleri çek etmek için A, B, ve Z (C) sinyallerinin değilleri (tersleri) de sürücüye verilir. Encoder kablosunda veya iletim hattında oluşan parazitler her iki sinyalde de oluşacağı için sürücü parazitleri algılayarak hatalı ölçüm yapmayacaktır.
 

Şekil 8: Open Kolektör Çıkış Devresi 

Yapı olarak encoder miline bağlı bir diksin üzerine A, B ve Z sinyalleri için yarıklar açılmıştır. Diskin bir tarafında ışık kaynağı olarak led ve diğer tarafında ledin ışığını algılayan optik eleman bulunmaktadır. Optik eleman ledin ışığı her görüşünde çıkış palsi üretecektir.
 

Şekil 9: Push-Pull Çıkış Devresi 

Incremental encoderlerin çıkış elektronikleri NPN, PNP ve Open Collector devrelerinin yanında Push-Pull (NPN+PNP), Line Driver gibi devrelerde de üretilmektedir. Open kolektör encoderin çıkışları sürücüye direkt bağlanamazlar. Sürücüye bağlanabilmeleri için A, B ve Z sinyal çıkışlarına katalogunda verilen çıkış yük dirençlerinin bağlanması gerekir. 

 

Şekil 10: Line Driver Çıkış Devresi



Şekil 11: Incremental Encoder Optik Verici ve Alıcı




Şekil 12: Incremental Encoder Disk Yapısı



Şekil 13: Incremental Encoder Sinyali




Şekil 14: Incremental Encoder

 

Çözünürlüğünün düşük olması nedeni ile çok fazla tercih edilmeseler de varlığının bilinmesi açısından kısaca bahsedelim.

Manyetik encoder, optik incremental encoderin manyetik olanıdır diyebiliriz. Miline bağlı manyetik disk (rotor) üzerinde birçok N-S sabit mıknatıs kutupları sıralanmıştır. Mil ile birlikte bu kutuplar dönmekte ve manyetik alana duyarlı hall elemanının her önünden geçişlerinde hall elamanı bir gerilim üretmektedir. Bu gerilim manyetik encoderin elektronik devresinde yükseltilerek palsler şeklinde sürücüye verilmektedir.

 

Şekil 15: Manyetik Encoder
 

 

Daha önce anlattığımız incremental encoder bir turda palsler vermekte ve mil konumu bu palslerin sayılması ile bulunmaktaydı. Absolute encoder ise milin gerçek konumunu vermektedir. Absolute encoderin yapısı anlatıldığında çalışma prensibi daha rahat anlaşılacaktır. Örneğin mile bağlı diski 9 parçaya (konuma ) bölelim ve her konumda 4 trak oluşturalım. Her konumdaki trakları ışık geçiren - geçirmeyen bölgeler ile binary kod oluşturacak şekilde dizelim. Işığı geçiren bölgeler çıkışa 0 geçirmeyenler 1 sinyali verdiğinde binary sayının değerine göre konum bilgisi elde edilecektir.

Örneğin absolute encoderin çıkışında “1101” sinyali alınıyorsa milin 6. konumda olduğu bilgisine ulaşılır.

Şekil 16:  Rotor Konumunun Binary Karşılığı

Şekil 17'de, 4 bitlik absolute encoder görülmektedir. 4 bit aslında encoderin çözünürlüğünüde vermektedir.

Şekil 17: 4 Bit Absolute Encoder

Encoder çıkışındaki 1101 bilgisi bu rotorun 5. konumda olduğunu gösterir.
 

Şekil 18: Rotor Konumunun Binary Karşılığı

4 bit ile binary sayı kodunda elde edebileceğiniz en büyük değer 20+21+22+23=15 sıfır ile 16 konumdur. Milin 16 konuma bölünmesi 360/16=22,5 derecelik bir hassasiyet sağlar. Bir encoder için bu değer oldukça kabadır. Yukarıda verilen örnekler ve disk şekilleri, konunun anlaşılması açısından verilmiş olup gerçekte absolute encoderleri çözünürlüğü bundan çok daha büyüktür. Tablo 1'de absolute encodere ait çözünürlükler ve açısal hassasiyetler verilmiştir.
 

Tablo 1: Encoder Çözünürlüğüne Göre Konum Hassasiyeti

 

Görüleceği üzere 16 bitlik bir absolute encoder 0.0055 derecelik hasiyette ölçüm yapabilmektedir. Absolute encoderler binary kodunda çıkış verdikleri gibi grey kodundada çıkış verecek şekilde imal edilebilirler. Grey kodunda çıkış veren encoderlerin disklerindeki 0 ve 1 alanları bu koda göre yerleştrilmektedir.
 

Şekil 19:  Binary Kodunda Çıkış Veren Absolute Encoderler




Şekil 20: Grey Kodunda Çıkış Veren Absolute Encoderler

Grey kodunun tercih sebebi veri iletişim güvenliğinin binary koda göre daha iyi oluşudur.

Hatırlatma: Grey Kodu

Bu kodda bir bitten bir sonraki bite geçişteki değişime bakılır. Bir bitten sonraki kendisini takip eden bittede eğer aynı sayı varsa bunun gray kodu 0, eğer farklı bir sayı varsa bunun gray kodu ise 1'dir. 56 sayısının gray kodunu bulalım

(56) dec = (?) gray
(56) dec=(111000) bin



(56) dec= (100100) gray

Absolute encoderlerin imalatı incremental encoderlere göre oldukça ince bir teknoloji gerektirmektedir. Bu ise absolute encoderin incremental encoderlere göre daha pahalı olmasına neden olmaktadır. Uygulamalarda genellikle incremental encoderler tercih edilse de gerçek konum bilgisinin önemli olduğu uygulamalar absolute encoderi gerektirmektedir. Uygulama sırasında elektriklerin kesilmesi veya sürücünün arızaya geçmesi durumunda incremental encoderlerin yollamış olduğu pals sayısı dolayısı ile konum bilgisi sürücü hafızasından silineceği için elektrikler geldikten sonra sistemin sıfır noktasına (Zero point–Hard limit ) getirilmesi ve uygulamaya tekrar başlanması gerekir.

Şekil 21:  Incremental ve Absolute Encoder Diskleri 

Absolute encoderlerde ise elektrikler geldiğinde encoderlerden gelen sinyal gerçek konum bilgisini vereceği için uygulama kaldığı yerden devam ettirilebilir. Eğer elektriklerin gelmesinden sonra sistem kaldığı yerden çalışmasını sürdürebiliyorsa veya elektrikler geldikten sonra sıfır noktasına gelinmesi çok vakit kaybına neden olacaksa ve sıfır noktasına geçerken sistemde önceden kalan, ıskartaya atılacak malzeme maliyeti arttıracaksa bu durumda absolute encoderler kullanılmalıdır. Aslında bu iki encoderin karışımı olan ama absolute değer veren bir encoder daha vardır. Bu encoder incremental çalışır fakat üzerine takılı bir mikroişlemci ile pil palsleri sayarak gerekli hesaplamaları yapar ve sürücüye absolute değer gönderir. 


 

Şekil 22: Absolute Encoder



Şekil 23: Absolute Encoder Optik Yapısı

Bir sonraki yazımızda “Kapalı Döngü Elemanları - Resolver” konusunu işleyeceğiz...

Kaynak:
► www.kumanda.org