CONTACTLESS ROTARY JOINT DESIGN WITH CAPACITIVELY COUPLED ETHERNET TRANSMISSION
KAPASİTİF KUPLAJLI ETHERNET VERİ İLETİMİ İÇEREN TEMASSIZ DÖNER EKLEM TASARIMI
- Tez No: 633659
- Danışmanlar: DR. TUFAN COŞKUN KARALAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Analog tasarım, Baskı devre kartları, Sayısal elektronik, Analog design, Printed circuit boards, Digital electronic
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kayar Bilezik, dönen platform ile sabit platform arasında güç/veri iletimi sağlanması amacıyla tasarlanan elektriksel bağlantı elemanıdır. Bu elektromekanik cihaz,“elektriksel döner bağlantı”veya“döner eklem”' olarak da bilinmektedir. Elektriksel kayar bilezikler, dönü esnasında zamanla oluşması beklenen kabloların bükülmesi ve kırılması gibi sorunların aksine sınırsız dönü kabiliyetine sahiptirler. Kayar bilezikler askeri, sağlık, uzay, enerji gibi birçok farklı sektörde yoğun olarak kullanılmaktadır. En yaygın olarak kullanılan kayar bilezik yapıları özel fırça yapısı kullanılan tasarımlardır. Her kayar bilezik uygulamasında göz önünde bulundurulan özel gereksinimler, kayan kontaklı yapının en uygun teknoloji olduğunu göstermektedir. Bu yapı, kayan kontakların (fırçaların), iletken halkalara temas etmesi ve dönme hareketi boyunca fırçaların halkalara basması mantığı ile çalışır. Bir taraf, -özellikle fırçalar- sabitken, diğer taraf, -genellikle iletken halkalar- dönen taraf olarak tasarlanır. Dönen taraf ile sabit taraf arası veri ve güç iletimi temaslı şekilde yapıldığı için temas bölgelerinde ürünlerin kullanım süresine bağlı olarak tortu oluşur ve ürün performansı bu durumdan olumsuz etkilenir. Temaslı yapılar doğası gereği ömürleri boyunca periyodik bakım gerektirirler. Savunma sanayi uygulamalarındaki döner eklemler genellikle sistemlerin bakım onarım için ulaşılması zor olan bölgelerinde konumlandırılmaktadır. Bu durum temaslı döner eklemlerin periyodik bakım onarım işlemlerini zorlaştırmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda, çalışma ömrü ve veri transfer oranının eskiye göre daha da artmasına bağlı olarak temassız güç ve veri aktarımı için çeşitli yöntemler ortaya çıkmıştır. Yüksek verimli, endüstriyel temassız güç iletiminin geliştirilmesiyle, fırçalı yapıdaki kayar bilezikte karşılaşılan problemler büyük ölçüde azaltılmıştır. Bazı kayar bilezik üreticileri tasarladıkları temassız kayar bilezikler ile güç ve veri hatlarının sabit ve döner platform arasında herhangi bir konvansiyonel kayar bilezik veya fırça kullanmadan iletimini sağlayabilmektedir. Bu cihazlarda, sabit yapı ile dönen yapı arasında fiziksel bir kontak bulunmamaktadır. Temassız kayar bileziklerde veri iletimi için endüktif iletim, kapasitif iletim, fiber optik iletim gibi yöntemler kullanılmaktadır. Kontaklı yapının yanında, fırçasız iletim yöntemlerinden biri olan kapasitif iletim yöntemi 10 Gbps'ye kadar yüksek hızlı iletim sağlayabilmesi ve bakım gerektirmeden uzun ömürlü olması gibi nedenlerle tercih edilmektedir. Endüktif ve RF iletim teknolojilerine göre yüksek geçiren (high pass) niteliğinde olması sayesinde daha avantajlıdır. Bit başına düşük güç tüketimi temel alındığında ise, kapasitif yöntem ile iletim, Optik yöntem ile iletime göre daha tercih edilir olmaktadır. Optik yöntem hassas üretim ve özel korumalı çalışma ortamı gerektirdiği için savunma sanayi uygulamarında genellikle tercih edilmemektedir. Bu çalışmada kapasitif kuplaj yöntemi ile 1 Gbps veri hızında çift yönlü veri iletimi sağlayan içi boşluklu döner eklem tasarlanarak labaratuvar ortamında çalıştırılmıştır. Tezin temel amacı içi boşluklu tasarlanan döner eklem ile kabul edilebilir seviyede düşük bit hatasıyla döner platformla sabit platform arasında temassız şekilde 10/100/1000 Mbps Ethernet veri iletimini çift yönlü olarak sağlamaktır. Kapasitif kuplajlı veri iletimi sağlayan döner eklem ürünleri genel olarak içi boşluklu şekilde piyasada bulunmaktadır. İçi boşluklu yapı kullanılmasının sebebi birçok farklı tipte döner eklemin sistem seviyesinde birleştirildiği hibrit döner eklemler içerisindeki özellikle RF ve fiber optik döner eklemlerin geçebileceği boşluk yaratmaktır. Ayrıca sistem içerisindeki kablo gibi fiziksel arayüzlerin geçişi de genellikle hibrit döner eklemlerin iç eksen bölgesinde yapıldığı için kapasitif döner eklemler iç boşluklu şekilde tasarlanmaktadır. Temassız veri iletimi için döner eklemin iki tarafındaki dış dünyaya bağlı Ethernet işaretlerine döner eklem içerisinde karakter kodlaması ve paralelden seriye çevrim işlemi yapılarak DC dengeye sahip sayısal işaretler oluşturulmuştur. Bu işaretler yarım daire yapıdaki iki iletim yolu üzerinden karşı tarafa kapasitif kuplaj yöntemiyle aktarılmıştır. Kuplaj sonrası alıcı girişindeki genliği sönümlenmiş işaretler otomatik kazanç döngüsüne sokularak istenilen tepe genlik seviyesine getirilip karşılaştırıcı üzerinden algılanmıştır. Elde edilen sayısal işaretler karakter kod çözme ve seriden paralele çevirme işlemlerinden geçirilerek dış dünyaya Ethernet işaretleri olarak iletilmiştir. Tez kapsamında döner eklemin gerçeklenmesi için iki adet PCB tasarımı yapılmıştır. Aselsan'ın askeri veya sivil sistemlerinde kullanmak üzere devre elemanları seçilirken elektriksel özelliklerine dikkat edilirken boyut olarak ufak boyutlardaki devre elemanları tercih edilmiştir. PCB tasarımları Mentor Xpedititon VX.2.6 güncelleme 4 kullanılarak yapılmıştır. PCB tasarım aşamalarında işaret bütünlüğü konusunda mümkün olan her türlü önlem alınmaya çalışılmıştır. Simülasyonlar yardımıyla tasarımın olgunluğa erişmesi sağlanmıştır. Temassız veri iletimi için tasarlanan kuplaj bloğunun analitik modeli ve tasarım parametreleri hesaplamaları verilmiştir. İlgili parametrik değişimlere göre 3D elektromanyetik benzetim ortamındaki (CST) benzetim sonuçları eklenmiştir. Alıcı tarafındaki otomatik kazanç döngüsü tasarım adımları verilmiştir. İşaret bütünlüğü ve kapasitif kuplaj benzetimleri için Mentor Hyperlynx VX2.6 SI/PI, Hyperlynx VX2.6 DRC, CST 2019 EDA/SI ve CST Microwave Studio programları kullanılmıştır. PCB'lerin stackup tasarımı için Hyperlynx VX.2.6 ve ICD Design Integrity 2019 programı kullanılmıştır. Empedans kontrollü iletim hatları tasarımı için QUCS Studio 2.5.7, Mentor Hyperlynx VX.2.6, CST Microwave Studio programları kullanılmıştır. Üretilen PCB'lerin empedans ölçümlerinin benzetim sonuçlarıyla tolerans limitleri içinde yakın olduğu gözlenmiştir. Döner eklemin içinin açılması gerekmeden belli seviyeye kadar sürekli bütünleşik testlerinin yapılabilmesi için PCB'lerdeki mikrodenetleçler üzerinde yazılımlar oluşturulmuştur. Kartlar üzerindeki pasif devrelerin empedans uyumlama ve kayıp benzetimleri Keysight Genesys 2018 programı ile yapılmıştır. Genel devre benzetimleri LTSpice programı ile yapılmıştır. Yazılımlar Atmel Start ve Atmel Studio 7 programları ile hazırlanmıştır. Döner eklemin mekanik arayüzleri ve RPM test düzeneği Siemens NX programı ile hazırlanmıştır. Kartların kuplaj ölçümleri tasarlanan mekanik arayüz sayesinde 12 farklı açısal pozisyonda ve farklı kuplaj mesafelerinde ölçülmüştür. Bu ölçümlere göre açısal pozisyon 5 ve 11 için kuplaj değerinin diğer pozisyonlara göre yaklaşık 3dB daha kötü sonuç verdiği gözlenmiştir. Bunun sebebi ilgili açısal bölgelerin iletim hatlarının kör noktaları sayılabilecek başlangıç ve bitiş noktalarına denk gelmesi ve kuplaj bölgesinde fiziksel süreksizlik yerleri oluşturmasıdır. Alıcı tarafındaki otomatik kazanç döngüsü bu açısal pozisyonların görece daha kötü kuplaj değerlerini tolere edebilmektedir. Açısal dönüş testlerinin ayarları Festo motor kontrol arayüzü ile yapılmıştır. Kart tasarımları sırasındaki benzetim sonuçlarının çıktıları kartlar üretildikten sonraki ölçümler ile doğrulanmıştır. Tez kapsamında tasarlanan döner eklemin 1Gbps veri iletim bit hata testleri 60 RPM açısal hızda yapılmış ve test sonucu olarak ölçülen bit hatası değerinin kabul edilebilir seviyede olduğu gözlenmiştir. Tez kapsamında yapılan çalışma ile daha geniş iç boşlukta temassız kapasitif döner eklem tasarımının da mümkün olduğu görülmüş ve ilgili tasarıma başlanmıştır. İç çapın büyümesi kartların içindeki iletim hatlarının boylarını etkilemektedir. Bu boylar için limit değer temassız iletilen işaretin dalgaboyu ile sınırlandırılmaktadır. 360 derecelik kuplaj bölgesi istenilen sayıda parçaya bölünerek her parçanın belli bir açısal pozisyon alanını kapsamasıyla daha geniş iç çaplara iletim hatlarının boylarını dalga boyu limitini aşmayacak şekilde ayarlayarak çıkmak mümkündür.
Özet (Çeviri)
Slip ring is an electrical connection element designed to provide power/data transfer between a rotating platform and a fixed platform. This electromechanical device is also known as“electrical rotary joint”or“rotary joint”. Electrical sliding rings have unlimited rotation capability, unlike the problems such as bending and breaking of cables that are expected to occur over time during rotation. The most widely used slip ring structures are designs that use a special brush structure. The specific requirements considered in each slip ring application show that the sliding contact structure is the most suitable technology. This structure works based on the principle that the sliding contacts (brushes) touch the conductive rings and the brushes press the rings during the rotational movement. One side - especially the brushes - is fixed, while the other side - usually conductive rings - is designed as the rotating side. In industrial applications, various methods have emerged for contactless power and data transfer due to the longer life time and higher data transfer rate. With the development of highly efficient, industrial non-contact power transmission, the problems encountered in the brushed sliding ring have been greatly reduced. Some sliding ring manufacturers can provide the transmission of non-contact sliding rings and power and data lines between the fixed and rotating platform without using any conventional sliding rings or brushes. In these devices, there is no physical contact between the fixed structure and the rotating structure. In contactless rotary joints, methods such as inductive transmission, capacitive transmission, fiber optic transmission are used for data transmission. Besides the contact structure, capacitive transmission method, which is one of the brushless transmission methods, is preferred for reasons such as high-speed transmission up to 10 Gbps and long life time with no maintenance. It is more advantageous due to its high pass quality compared to inductive and RF transmission technologies. Based on the low power consumption per bit, transmission with capacitive method is more preferred than transmission with Optical method. In this study, a hollow rotary joint that provides bidirectional data transmission at 1 Gbps data rate with capacitive coupling method was designed and operated in a laboratory environment. The main purpose of the thesis is to provide bidirectional 10/100/1000 Mbps Ethernet data transmission between the rotary platform and the fixed platform without any bit error with the designed hollow rotary joint. For non-contacting data transmission, digital signals with DC balance have been created by applying encoding and parallel-to-serial conversion to Ethernet signals connected to the external world on both sides of the rotating joint. These signals are transmitted to the other side via capacitive coupling method over two transmission ways in a semicircular structure. After the coupling region, the attenuated signals at the receiver input were inserted into the automatic gain control loop in order to achieve the desired peak amplitude level. Then they are detected with high-speed comparator with proper output structure. The obtained digital signals then transmitted to the outside world as Ethernet signals by passing through the decoding and serial to parallel conversion operations. Within the scope of the thesis, two PCBA's were designed to implement the hollow rotary joint. During circuit component selection phase, small form factor elements were preferred while taking into account electrical characteristics. PCBA's were designed using Mentor Xpedititon VX.2.6 update 4. In the PCBA design stages, all possible precautions have been taken for signal integrity. Mentor Hyperlynx VX2.6 SI / PI, Hyperlynx VX2.6 DRC, CST 2019 EDA / SI and CST Microwave Studio programs were used for signal integrity and capacitive coupling simulations. Hyperlynx VX.2.6 and ICD Design Integrity 2019 programs were used for the stackup design of PCBs. QUCS Studio 2.5.7, Mentor Hyperlynx VX.2.6, CST Microwave Studio programs were used to design impedance-controlled transmission lines. Using microcontrollers on PCBAs, a firmware has been created to enable continuous integrated tests to a certain level without opening the rotary joint. The impedance matching and attenuation simulations of the passive circuits on the PCBs were made with the Keysight Genesys 2018 program. General circuit simulations were done with the LTSpice program. The Firmware was prepared with Atmel Start and Atmel Studio 7 programs. The mechanical interfaces of the rotary joint and the RPM test setup were prepared with the Siemens NX program. RPM test mechanishm is controlled using Festo motor controller GUI.
Benzer Tezler
- Açık işletmelerde uygun delme-patlatma şartlarını veren bir modelin geliştirilmesi
The development of a model to obtain suitable drilling and blasting conditions in open pit mines and quarries
SAİR KAHRAMAN
Doktora
Türkçe
1997
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NUH BİLGİN
- Design and implementation of magnetic bearings in rotary blood pump
Dönel kan pompasında manyetik rulmanların tasarlanması ve uygulanması
HARIS SHEH ZAD
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER TUNGA ERDOĞAN
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- GLİ açık ocak işletmelerinde delici makine performansını etkileyen parametrelerin incelenmesi
Investigation of parameters affecting on drilling machine performance in GLI open pit mine
SELMA ÜNLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMÜR ACAROĞLU ERGÜN
- İnce boyutlu kromit konsantrelerinden ön redüklenmiş pelet üretimi
Başlık çevirisi yok
DURSUN ŞİRVANCI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ GÜNEY