Position and speed control of shape memory alloys for usage as actuators
Şekil hafızalı alaşımların eyleyici olarak kullanılabilmeleri için konum ve hız kontrolü
- Tez No: 332860
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞENİZ ERTUĞRUL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Şekil hafızalı alaşımlar (ŞHA), ısıl işleme tabi tutulduklarında, daha önceden ?ezberlemiş? oldukları forma geri dönebilen alaşımlardır. Şekil hafızalı alaşımlar, östenit ve martenzit olmak üzere iki fazda bulunabilirler. Alaşımın sıcaklığı fazı belirler. Alaşım soğukken martenzit fazındadır. Bu fazda iken malzeme üzerinde uygulanan kuvvetler şekil değişimine sebep olur. Ancak malzeme sıcaklığı arttıkça, alaşım östenit fazına geçmeye başlar ve şekil değiştirmeden önceki formuna geri döner. Bu davranıştan yola çıkılarak şekil hafızalı alaşımları eyleyici olarak kullanmak mümkündür.Şekil hafızalı alaşımlar özellikle yüksek güç / kütle oranları sebebiyle dikkat çekmektedir. Günümüzde robotik alanında kullanılan eyleyicilerin en büyük sorunu kütle ve hacimlerinin, yaptıkları işe oranla yüksek olmasıdır. Örneğin bir robotik kolda, motorların kaldırması gereken ağırlığın önemli bir bölümü motorların kendi ağırlıklarıdır. Şekil hafızalı alaşımlar, düşük kütlelerine rağmen yüksek kuvvetler üretebilirler. Ancak faz değişimlerinin sıcaklığa bağlı olması ve davranışlarında belirgin histerizis olması kontrol edilebilmelerini zorlaştırmaktadır.Bu çalışmada, şekil hafızalı alaşımların konum ve hız kontrollerini gerçekleştirmek için deneyler yapılmasına imkan veren bir deney düzeneği oluşturulmuştur. Varılmak istenen nihai hedef, robotik uygulamalarında klasik elektrik motorlarının yerine kullanılabilecek, yüksek performans ile kontrol edilebilen, dış bozuculara dayanıklı bir eyleyici tasarlayabilmektir. Bu bağlamda, oluşturulan deney üzerinde çeşitli deneyler yapılmış ve sonuçlar elde edilmiştir.Deney düzeneği temel olarak mekanik, elektronik ve yazılım olmak üzere üç bölümden oluşmaktadır. Mekanik düzenek, dikey konumda tutulan bir raylı kızak üzerine iliştirilmiş, yukarı ve aşağı yönde tek eksen üzerinde hareket edebilen bir yük ve bu yüke bağlı bir LVDT'den oluşmaktadır. Yük, bir ŞHA teli tarafından asılarak sabitlenmiştir.Elektronik düzenek, ŞHA telinin üzerindeki akımı kontrol etmek ve telin direncini ölçebilmek amacıyla tasarlanmıştır. Telin üzerindeki akımı kontrol ederek, telin ısınması ve buna bağlı olarak da telin boyu kontrol edilebilmektedir. Bu bölüm LVDT'den ve düzeneğe ileriki çalışmalarda eklenmesi planlanan yük hücresinden gelecek verilerin okunmasında da görev almaktadır. Elektronik düzenek, kontrol algoritmasını barındıran yazılım ile fiziksel dünya arasında adeta bir çevirmen görevini üstlenir. Elektronik düzenek, ŞHA tel sürücüsü, gerilim sınırlandırıcısı, veri toplama kartı (ana kart) ve MAX232 kartlardan oluşmaktadır.ŞHA tel sürücü kartının ana görevi ŞHA teli üzerindeki akımı kontrol etmektir. Bu kartın ikinci görevi ise, ŞHA telinin direncini çalışma sırasında ölçmektir. Kart, ±15 volt besleme ile çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Bu tasarım sayesinde, azami 30 ohm dirence sahip ŞHA tellerine 0,5 ampere varan akımlar ile sürebilmektedir. Daha yüksek dirence sahip telleri de sürmek mümkündür ancak bu durumda verilebilecek azami akım miktarı da düşecektir. Kart tasarımında saf integral etkiden ibaret bir analog kontrolör kullanılmıştır. Kartın kabul ettiği referans sinyali 0 - 5 volt aralığındadır ve bu 0 - 0,5 amper aralığında bir akıma karşılık gelir. Bunu sağlayabilmek için kapalı çevrimin geri besleme hattına 10 değerinde bir kazanç konulmuştur. ŞHA teli sürücü devresi, istenilen akım referansına yaklaşık 20 mikrosaniye sürede ulaşabilir. ŞHA teli üzerindeki gerilim düşümü bir fark kuvvetlendiricisi ile ölçülür ve bu değerin 0 - 5 volt aralığında olmasını garanti altına almak için bu sinyal 3'e bölünerek zayıflatılır. ŞHA tel sürücü devresi ana veri toplama kartına bağlıdır.Gerilim sınırlayıcı devre, LVDT çıkışı üzerindeki bir doyum elemanı gibi çalışır. Normalde, düzenekte kullanılan LVDT 0 - 5 volt aralığında bir analog çıkış vermektedir. Bu sinyali okuyacak mikrodenetleyicinin analog girişleri de bu aralık ile uyumludur. Ancak, LVDT herhangi bir sebeple fiziksel ölçüm aralığını aştığında, çıkış sinyalinin gerilimi de öngörülen aralığın dışına çıkmaktadır. Böyle bir durumun mikrodenetleyici girişlerine zarar vermesini engellemek için gerilim sınırlayıcı devreye ihtiyaç duyulmuştur. Gerilim sınırlayıcı devre ±15 volt gerilim ile beslenir. Bu devre op-amp ve diyotlar yardımıyla giriş geriliminin, verilen iki adet referans gerilimi arasında kalmasını sağlar. Referans gerilimleri, devre üzerinde bulunan iki adet trimpot ile ayarlanabilir veya dışarıdan devreye verilebilir.Veri toplama kartı (ana kart), ŞHA teli sürücü kartları ve LVDT ile bilgisayar arasındaki bağlantıyı sağlar. Normal bir bilgisayarın sahip olduğu çevre birimleri, yani dış dünyaya açılan kapıları sınırlıdır. Bilgisayarlar genelde analog giriş ve çıkış birimlerine sahip değildirler. Veri toplama kartının görevi, bilgisayar yazılımının analog giriş ve çıkış sinyallerine ulaşmasına olanak sağlamaktır. Veri toplama kartı üzerinde 10 adet analog giriş ve 8 adet analog çıkış kanalı bulunmaktadır. Analog girişler 10 bit, analog çıkışlar ise 12 bit çözünürlüğe sahiptir. Veri toplama kartında 8 bitlik bir mikrodenetleyici olan, Microchip firması tarafından üretilmiş PIC18F2520 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Analog girişler, mikrodenetleyici üzerindeki donanımsal analog-dijital çevirici birimleri tarafından doğrudan yapılmaktadır. Ancak bu mikrodenetleyici analog çıkış için herhangi bir donanıma sahip olmadığından, bu iş için yine Microchip firmasının üretmiş olduğu MCP4922 kodlu harici dijital-analog çevirici tümleşik devresinden faydalanılmıştır. Bu tümleşik devre, iki adet dijital-analog çevirici içerir ve basit bir seri iletişim yöntemi olan SPI sayesinde mikrodenetleyici ile iletişim kurar. Mikrodenetleyicinin bilgisayarla olan iletişimi de oldukça yaygın bir seri iletişim yapısı olan RS232 ile sağlanır. Mikrodenetleyici ve bilgisayar için seri iletişimde kullanılan gerilim seviyeleri farklı olduğundan, bu dönüşümü yapmak için arada MAX232 tümleşik devresinin kullanımına ihtiyaç vardır. Bu devre, modülerliği arttırmak amacıyla ayrı bir kart üzerine yerleştirilerek elektronik düzeneğe eklenmiştir. Mikrodenetleyici ile bilgisayar 115200 bps hızında haberleşir. Bu hız, yaklaşık olarak 1 milisaniyede 10 byte veriye karşılık gelmektedir.Bilgisayar veri toplama kartına 3 tür komut gönderebilir. Bunlardan ilki olan get (al) komutu, mikrodenetleyiciden, toplamış olduğu verileri talep eder. Mikrodeneyleyici bu komutu aldığında, hafızasındaki tüm verileri bilgisayara gönderir. Bu veriler LVDT'den gelen konum verisi ve ŞHA tellerinin hesaplanmış direnç değerleridir. Diğer bir komut olan dac komutu, 8 analog çıkış kanalına istenilen çıkış değerlerinin yüklenmesini sağlar. Ancak yüklenen bu değerler hemen etkin hale gelmez. Bu değerler, bilgisayarın gönderebileceği üçüncü ve son komut olan latch komutu alındığında eş zamanlı olarak çıkışlara yansıtılır. Böylece, devrede bulunan 4 adet MCP4922 tümleşik devresinin çıkışlarını aynı anda güncellemesi sağlanır. Bilgisayardan herhangi bir komut gelmese dahi, mikrodenetleyici sürekli olarak analog girişlerindeki verileri okuyarak hafızasına kaydeder ve ŞHA telleri üzerindeki gerilim düşümlerinden ve kendisine son verilen akım referanslarından yola çıkarak ŞHA tellerinin dirençlerini hesaplar.Bilgisayar üzerindeki yazılımın ana görevi, ŞHA telinin üzerindeki akımı kontrol edecek algoritmanın çalıştırılmasıdır. Yazılım, farklı mimarideki bilgisayarlara kolay taşınabilir oluşu ve nesne yönelimli programlamayı desteklemesi sebebiyle C++ dili kullanılarak geliştirilmiştir. Yazılım, GNU/Linux tabanlı bir işletim sisteminde çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Kullanıcı arayüzü kütüphanesi olarak ise wxWidgets kütüphanesi tercih edilmiştir. Yazılım, istenilen kontrol algoritmasının kolaylıkla eklenebilmesine olanak sağlayacak şekilde nesne yönelimli ve modüler bir şekilde tasarlanmıştır. Grafiksel kullanıcı arayüzü sayesinde, çalışma sırasında kontrol parametrelerinin ve referansların değiştirilebilmesine olanak verir. Çalışma sırasında, istenilen verileri hem kullanıcı arayüzünde gösterir, hem de bu verileri daha sonra kullanılmak üzere kütük dosyalarına kaydeder. Takip edilmesi istenilen değişkenler, kodda yapılacak tek bir satırlık ekleme ile bu düzene dâhil edilebilmektedir. Programın çalışması sona erdikten sonra, kütük dosyalarındaki veriler gnuplot isimli yazılım ile grafiklere dönüştürülmektedir. Yazılım, açık çevrim, PID kontrolörü ile kapalı çevrim ve kapalı çevrimde frekans cevabı tespiti olmak üzere 3 farklı görevden istenilen seçilerek çalıştırılabilmektedir.Deneysel süreçte, iki farklı çapta ŞHA teli kullanılmıştır. Deneyler öncelikle 0,076 milimetre çapındaki ince tel ile yapılmış, 0,15 milimetre çapındaki kalın tel ise daha sonra deneylere dâhil edilmiştir. Yaklaşık olarak 30 santimetre uzunluğundaki tellerle yapılan deneylerde öncelikle telin açık çevirimdeki davranışı incelenmiş; uzama, direnç ve akım değerleri arasındaki ilişkiler ortaya konulmaya çalışılmıştır. Daha sonra ise kapalı çevrimde PID kontrolör uygulanmış ve tercih edilen PID kontrolör için ince ve kalın tellerin frekans cevapları incelenmiştir. Son olarak ise, ŞHA tellerinin soğuması sırasında istenilen referansa gitmeleri engellenerek sonuçlar gözlenmiştir.PID kontrolörün katsayılarının belirlenmesinde öncelikle Ziegler - Nichols yöntemi denenmiştir. Ancak, ŞHA tellerinin göstermiş olduğu histerizis sebebiyle, bir çalışma bölgesine göre ayarlanan kontrolör katsayılarının başka bir çalışma bölgesinde tatmin edici sonuç vermedikleri gözlenmiştir. Ayrıca, bu yöntemle elde edilen katsayıların sinüs ve üçgen referansları izlemede de başarısız oldukları tespit edilmiştir. Daha sonra el ile yapılan ince ayarlar sonucunda ise bir miktar iyileşme sağlansa da, istenilen sonuca ulaşılamamıştır. Genel olarak, basamak cevap karşısında bir aşım durumu gözlenmektedir.Deney verileri incelendiğinde, aşım sorununun erkenden biriken integral terimden kaynaklanabileceği düşünülerek, integratör katsayısı üzerinde bir değişiklik yapılmıştır. Yapılan değişiklik ile integral katsayısı, hataya ters orantılı olacak şekilde değişken bir forma sokulmuş, böylelikle erkenden birikerek doyuma gitmesi engellenmiştir. Yeni tasarım ile hem basamak, hem de sinüs ve üçgen dalga referanslar karşısında tatmin edici sonuçlar alınmıştır. İnce tel ile yapılan denemelerin ardından, aynı yöntem kalın tele de uygulanmıştır. Katsayılar bir miktar değiştirilerek, kalın tel ile de istenilen sonuçlar elde edilmiştir.İki farklı kalınlıktaki telin frekans cevaplarının tespit edilebilmesi ve buna bağlı olarak Bode diyagramlarının çizilebilmesi amacıyla, bilgisayar yazılımı 0,05 - 4 Hz aralığında sinüs referans sinyali verecek şekilde düzenlenmiştir. Sistem 0,05 Hz`ten başlayarak 4 tur sinüs sinyali yollamakta, daha sonra ise frekansı 1,2 katına çıkarmaktadır. Bu işlem azami frekans olan 4 Hz'e varılana kadar devam etmektedir. İşlem sırasında yazılım, hem referans hem de ölçülen konum sinyallerinin tepe ve dip noktaları ile bunların zamanlarını tespit ederek, kazanç, faz farkı ve frekans bilgilerini hesaplamakta ve bunları bir kütük dosyasına kaydetmektedir. Bu dosya daha sonra Bode diyagramlarının çizilmesine olanak vermektedir. Testler iki tel için de 3 farklı çalışma bölgesinde yapılmıştır. Sonuçlar arasında en dikkat çekici nokta, kalın telin bant genişliğinin ince tele göre çok daha düşük oluşudur. Aradaki oran çalışma bölgesine göre değişmekle birlikte, yaklaşık olarak 4 kat civarındadır.Son olarak, ŞHA telinin soğuması sırasında, istenilen referansa gitmesi bir cisim ile engellenerek teldeki bollaşma durumu gözlenmiştir. Teldeki bollaşma istenmeyen bir durumdur. Bu durum özellikle tellerin paralel çalıştırılmaları durumunda birbirlerine değmelerine, dolayısıyla kısa devre durumlarına yol açabilir. Bunun engellenebilmesi için bu bollaşmanın tespit edilebilmesi gerekmektedir. Teldeki bollaşmanın direnç - konum eğrisi üzerinde olağan dışı bir etkisinin olduğu gözlenmiştir. Bollaşma olduğu durumlarda, normal şartlarda doğrusal karakter gösteren bu eğrinin eğiminde ciddi bir değişim olmaktadır. Bu konudaki çalışmalar tamamlanmamakla birlikte, direnç - konum eğrisinden yola çıkılarak bollaşmanın tespit edilebileceği ve engellenebileceği öngörülmektedir.
Özet (Çeviri)
Shape memory alloys (SMA) are the materials that can return their previous shape when a heat process is applied. They can be one of two phases: Austenite or martensite. The temperature of the material determines the phase ratio. When the material is cold, it is in martensite phase. Forces applied on the material at this stage cause plastic deformation and shape change. When the material is heated, it experiences a phase change towards the austenite phase and it returns to its previous undeformed shape. This behavior can be utilized to build actuators.Shape memory alloys draw attention mainly because of their high power to mass ratio. Today, one of the biggest problems in robotics is the high mass and volume of the classical actuators, compared to their power. For example, a noticeable part of the total mass of a robotic arm is the mass of the electrical motors themselves. Shape memory alloys on the other hand, can generate high forces even though they have low mass. However, their temperature dependent and hysteretic behavior makes them harder to control.In this study, an experimental setup allowing experiments on the shape memory alloys is built. The main goal of this study is to develop an SMA actuator system that can replace the conventional electric motors used in robotic applications. In this concern, various experiments are performed and results are obtained on the experimental setup.The experimental setup consists of mainly 3 parts: Mechanical, electronical and software. The mechanical part consists of a test load that is fixed on a linear guide positioned vertically. An LVDT is attached to the test load to measure its position. The SMA wire is connected to the load to provide actuation.Electronic part is the bridge between the mechanical part and the software running on the computer. It consists of SMA wire drivers, the data acquisition card (main board), voltage limiter board and MAX232 board. The SMA wires and the LVDT are connected to the electronic part.The main function of the SMA wire driver board is to control the current passing through the SMA wire. Measuring the resistance of the SMA wire during the operation is the secondary function of the SMA driver. The board is powered by a ±15 volt power supply. It can drive the SMA wires with up to 0.5 amperes of current if the wire has a resistance of maximum 30 ohms. The driver controls the current with an analog controller having a pure integral action. It accepts a reference signal between 0 - 5 volts to provide a current between 0 - 0.5 amperes. The controller has approximately 20 microseconds settling time. The voltage drop on the SMA wire is measured with a difference amplifier and multiplied by 0.3 to be sure that it is in 0 - 5 volt interval, which can be measured by the main board.The voltage limiter board is used as a saturation element connected to the LVDT. Normally, the output signal of the LVDT is rated to be in 0 - 5 volt interval. However, it can excess these values when its shaft physically moved outside of its limits. To prevent possible damage to the main board in these cases, this board is placed between the LVDT and the main board.The data acquisition card (main board) connects the desktop computer with the LVDT and the SMA wire drivers. It has 10 analog input channels and 8 analog output channels. Analog inputs have 10-bit resolution where the analog outputs have 12-bit resolution. The heart of the main board is PIC18F2520, which is an 8-bit microcontroller from Microchip Technology Inc. The analog inputs are processed by the microcontroller as it contains 10-channel analog-digital converter. However, it lacks the analog output capabilities. Digital-analog converters are added to the board by using an external hardware: MCP4922, which is a 2-channel 12-bit digital-analog converter IC. Its communication with the microcontroller is done with SPI. Microcontroller communicates the computer via RS232 interface with a speed of 115200 bps.The computer can give 3 types of commands to the data acquisition card: get, dac and latch. The get command requests the data collected by the microcontroller. This data consists of the position data from the LVDT and the calculated resistance values of the SMA wires. The dac commands shifts the new current reference values into the MPC4922 array. The outputs of the MCP4922 array are not updated until the reception of the latch command. This gives the ability of synchronous update of all analog output channels. The microcontroller scans all of its analog input channels and calculates the resistance values by using the last given current reference values and stores them in its memory even though it does not receive any command from the computer.The software running on the computer is responsible of running the control algorithm to control the current passing through the SMA wire to position the test load in the desired location. The software is written in C++ language and wxWidgets library is used for GUI functions. The software allows user to access the parameters of the controller. The software also shows the desired variables on the screen and it logs the data on the log files for later inspection. A software called gnuplot can process these log files to obtain offline plots. The software can be run on 3 different modes: Open-loop, closed-loop with PID controller and frequency response test mode.In the experimental procedure, 2 SMA wires with different diameter are used. Experiments performed on the wire with 0.076 millimeter diameter first, then they are repeated on the wire with 0.15 millimeter diameter. The wires are approximately 30 centimeters long. The relations between strain, resistance and current are observed in the open loop tests. Then PID controller is tested in closed loop tests, and the PID controllers with suitable coefficients are tested in frequency response tests to determine the bandwidth of the SMA wires. The last test performed is the obstacle detection test.For the PID tuning, Ziegler - Nichols tuning method is tested. This method does not give satisfactory results, due to the hysteretic behavior of the SMA wires. Although manual tuning results in some improvement on the performance, it is not able to give satisfactory results either. The main problem of the controller is overshoot.Examining the experimental results, it is concluded that the overshoot problem may be caused by the premature accumulation and saturation of the integral term. The integrator coefficient is modified to be inversely proportional to the error to prevent it accumulating prematurely. The results are satisfactory both the thin and thick SMA wires.To be able to plot the Bode diagrams of the both SMA wires, frequency tests are performed between 0.05 Hz and 4 Hz. The tests are performed in 3 different operating zones. The computer software keeps track of both the reference and output signals and calculates the gain, phase and the frequency values. These values are stored in a log file. gnuplot is used to obtain Bode diagrams from these log files. It is observed that, the bandwidth of the thin wire is approximately 4 times of the bandwidth of the thick wire.The last experiment is performed by introducing an obstacle during the cooling cycle of the SMA wire to prevent it reaching its desired position and the SMA wire is observed to be loosened. This situation is not desired, as it can cause short circuit problems if the wires are used in parallel. The loosening in the wire also affects the position - resistance graph of the SMA wire. This relation is normally quite linear. However, when the obstacle is encountered and the wire loosens, the slope of this line shows sudden changes. It is believed that this behavior can be used to determine a loosening situation and prevent it from happening.
Benzer Tezler
- Düşük bir hızlarında konuşma kodlama ve uygulamaları
Low bit rate speech coding and applications
TARIK AŞKIN
Doktora
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. GÜNSEL DURUSOY
- Kredi kartları ve Türkiye'deki uygulaması: karşılaşılan sorunlar ve çözüm önerileri
Başlık çevirisi yok
BEDİ TÜRETKEN
- Laparoskopik cerrahide akıllı eyleyicili ameliyat aletlerinin tutucu kuvvet kontrolü ve doku ile etkileşmi
Grasping force control and tissue interaction of smart actuated surgical tools in laparoscopic surgery
MİTHAT CAN ÖZİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLKER MURAT KOÇ
DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLSAY SÜMER
- Uluslararası fon piyasaları ve döviz kredileri mekanizması (analitik bir yaklaşım)
A Short history of the foreign exchange markets
ADNAN YİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
BankacılıkMarmara ÜniversitesiUluslararası Bankacılık ve Finans Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLHAN ULUDAĞ
- Dönel simetrik elemanların modüler tasarımı CAM-CNC integrasyonu ve simülasyonu
Modular design, CAM-CNC integration and simulation of rotational parts
HAKAN MESTÇİ