Yenilikçi ve yüksek performanslı kapasitif döner enkoder geliştirilmesi
Development of innovative and high-performance capacitive rotary encoder
Yazar: EMREHAN YAVŞAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET KARALI ; PROF. DR. MEHMET AKİF ERİŞMİŞ
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Enkoderler pozisyon bilgisine ulaşılması gereken uygulamalarda akla ilk gelen kritik geri besleme elemanlarıdır. Kapasitif algılayıcı teknolojisiyle çeşitli alanlara kolayca uyarlanabilen enkoderler geliştirilebilir. Böylece uygulamaya özel algılayıcı ihtiyacı azaltılabilir. Bu çalışmada minimalist tasarım, yüksek kazanç, esnek kullanım ve uygulanabilirlik kaygısıyla yenilikçi ve yüksek performanslı bir kapasitif enkoder geliştirilmiştir. 
Kapasitif enkoder çalışmalarının çoğunda geliştirme sürecinin baştan sona işletilmediği ve aktarılmadığı görülmüştür. Yine bu çalışmalarda yüksek maliyetli düzenekler ve elektronik devre elemanları kullanılarak geliştirilen uygulanabilirlikten uzak kapasitif enkoderlere rastlanmıştır. Burada ise kapasitif enkoder geliştirme süreci, algılayıcı mekaniğinden elektroniğine genel bir mimari içinde değerlendirilerek ayrıntılarıyla sunulmuştur. Kapasitif enkoderin minimalist tasarımı korunarak algılayıcı mekaniğinde yapılan yenilikle yüksek kazanç sağlanmıştır. Algılayıcı elektroniği olabildiğince dijitalleştirilerek kapasitif enkodere esneklik kazandırılmış ve enkoderin performansı artırılmıştır. Uygun fiyatlı düzeneklerle az sayıda analog devre elemanı kullanılarak maliyet düşürülmüş, sinyal-gürültü oranı artırılmış ve minimalist tasarım desteklenmiştir. Geliştirilen kapasitif enkoder, endüstriyel bir motorda test edilerek uygulanabilirlik sağlanmıştır.
Sunulan kapasitif enkoder geliştirme sürecinde ayrıntılı tasarım, başarılı modelleme, kombine üretim ve test aşamalarından geçilerek ticari ürüne yakın bir prototip ortaya konmuştur. Modelleme aşamasında mevcut çalışmalardaki yaygın kullanımın aksine elektrotlar arası boşluk parametresinde ilgi çekici sonuçlara rastlanmıştır. Bu parametrenin enkoder kazancını optimum yapan sıfırdan farklı bir değerinin olduğu, yapılan araştırmalara göre ilk defa bu çalışmayla gösterilmiştir. Kapasitif enkoder, sıfırdan kurulan uygun fiyatlı ve hassas test düzeneğinde çeşitli testlerden geçirilerek $\%$0.26 doğrusallık hatası ve 0.02$^\circ$ çözünürlük değerlerine ulaşılmıştır. Doğrusallık hatası, önerilen hata indirgeme yöntemiyle $\%$0.12'ye düşürülmüştür. Bu çalışmayla ulusal en performanslı kapasitif enkoderin geliştirilmesinin yanında benzer tip algılayıcıların geliştirilebilmesi için de rehber niteliğinde bir çalışma gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Encoders are critical feedback elements in applications where position information is required. Capacitive encoders can easily be adopted to various applications where other encoder types are currently in use. In this way, the use of application-specific sensors can be reduced. In this paper, an innovative and high performance capacitive encoder has been developed with the motivation of miniaturized design, high gain, flexibility and applicability. The flexibility and performance of the capacitive encoder have been increased by digitizing the sensor electronics as much as possible.
It is seen that a generic design method for the capacitive encoders is lacking in most of the studies in the literature. In this study, a generic design method is constructed to fill this gap. In the development process presented here, the capacitive encoder was evaluated within a general architecture from sensor mechanics to electronics. By protecting the miniaturized design of the capacitive encoder, high gain has been achieved with the innovation in sensor mechanics. By using affordable mechanical setups and a minimum number of analog circuit elements, the cost was reduced, the signal-to-noise ratio was increased, and miniaturized design was supported. The capacitive encoder developed in this study has been applied to an industrial motor to ensure applicability.
During the presented capacitive encoder development process, detailed design, successful modeling, combined production and testing phases were passed and a prototype close to a commercial product was achieved. In the modeling phase, non-intuitive results were obtained about the inter-electrode gap parameter contrary to the common belief based on recent research. According to the literature research, this study has shown for the first time that the inter-electrode gap parameter has a non-zero value that maximizes the gain. The capacitive encoder was tested in a low cost and precise test setup built from scratch and reached 0.26$\%$ non-linearity error and 0.02$^\circ$ resolution values. The non-linearity error has been reduced to 0.12$\%$ with the proposed error minimization algorithm. With this study, besides the development of the national highest performance capacitive encoder, a guide was carried out for the development of similar type sensors.