En guide til kommunikationsprotokoller for absolutte encodere

Automatisering fortsætter med at revolutionere den moderne verden. Det går ud over industriel automatisering og Industri 4.0 at inkludere det kommercielle domæne og forbrugerdomæner. Det er her, den bredere IoT spiller ved at automatisere opgaver, der engang var fysiske, men som nu i stigende grad er elektromekaniske.

I meget generelle vendinger giver elmotorer en måde at kontrollere den fysiske verden på. Imidlertid er størstedelen af elektriske motorer relativt basale, hvilket betyder at de typisk ikke giver feedback på deres position. Dette gælder især for billige motorer, der bruges til simpelthen at flytte en belastning. Det kan være overraskende at indse, men dette kan omfatte relativt sofistikerede applikationer, såsom bilsæder, der automatisk justerer deres position baseret på nøglen, der bruges til at åbne og starte køretøjet.

Den måde, hvorpå disse grundlæggende motorer får de nødvendige 'smarts' for at vide, hvor sædet er, og hvordan man justerer det, er gennem encodere. Mens nogle motorer indeholder encodere, kan de ikke bruge eksterne encodere designet til at blive monteret på ydersiden af motorakslen. Der er forskellige typer encodere, der bruges i disse applikationer, hver med sin egen måde at detektere bevægelse. Dette kan omfatte optiske encodere, der tæller lysimpulser, når et objekt passerer foran en lyskilde, eller tæller de impulser, der genereres af en Hall-effektkontakt, når en magnet passerer over den.

Nogle encodere, som f.eks AMT-serien af absolutte encodere fra Same Sky , kombiner den høje opløsning, der tilbydes af en optisk encoder, med robustheden af en magnetisk encoder. De gør dette gennem kapacitiv encodning, som bruger to plader: En sender og en modtager adskilt af en tredje plade, der er fastgjort til rotoren. Når den centrale plade roterer, interfererer den med et signal, der ledes kapacitivt mellem senderen og modtageren. Da interferensen ikke er afhængig af bevægelse, kan rotorpladens absolutte position registreres, selv når den ikke bevæger sig.

Almindelige applikationer kræver, at encoderen registrerer motorens hastighed eller fortolker positionen for, hvad motoren bevæger sig ud fra antallet af omdrejninger. Det kan også være nødvendigt at registrere kørselsretningen. Den måde, hvorpå stillingen rapporteres, kan også variere. Som nævnt ovenfor er en absolut drejeencoder ikke afhængig af at kende den forrige position, da den giver en unik værdi for enhver kvantificerbar position af rotoren. Dette kan være nyttigt i applikationer, der har brug for at kende motorens position efter en strømcyklus, f.eks. Når nogen kommer ind i et køretøj.

Protokoller, der anvendes i roterende encodere

Uanset hvilken metode der bruges til at fange den fysiske bevægelse, skal informationen derefter sendes til en controller. Dette opnås ved et andet kodningsniveau, som tager de rå impulser og oversætter dem til en protokol til transmission.

Den fysiske forbindelse påvirker valget af protokol og hvordan den fungerer. Generelt vil protokollen enten være synkron, hvilket betyder at den bruger et clock-signal eller asynkron (intet ursignal). Derudover kan den fysiske forbindelse være single-ended, eller for at give ekstra robusthed, differentieret. Denne kombination resulterer i fire mulige alternativer, og de mest populære protokoller, der dækker disse, er Serial Peripheral Interface eller SPI (single-ended, synkron), RS-485, også kendt som TIA / EIA-485 (differentiel, asynkron) og Synkron serielt interface eller SSI (differentiel, synkron).

Protokoller vælges af mange grunde. De giver et niveau af interoperabilitet for en ting, men de øger også kommunikationskanalens robusthed, især i elektrisk støjende applikationer såsom industriel motorstyring. Men dette rejser spørgsmålet om, hvilken protokol der er bedst til en given applikation. Heldigvis inkluderer AMT-serien modeller, der leverer alle de tre ovennævnte protokoller. Derfor er det nyttigt at se lidt nærmere på hver enkelt for at forstå deres relative egenskaber fuldt ud for at hjælpe med udvælgelsesprocessen.

SPI-bussen

Som en synkron bus er en af forbindelserne på en SPI-bus et dedikeret clock-signal (SCLK). Protokollen understøtter også fuld duplex-drift takket være dedikerede forbindelser til master- og slave-enheden. Da al dataudveksling koordineres af clock-signalet, kan master og slaver kommunikere uden først at skulle forhandle parametre såsom datahastighed eller meddelelseslængde. Hver slave vil have en Chip Select-pin (figur 1), som gør det muligt for masteren at kontrollere, hvilken enhed den kommunikerer med til enhver tid.

Som et eksempel er AMT22-serien. Den har en SPI-encoder, der kan konfigureres til at fungere med et 2 MHz clock-signal. Dette betyder, at når en master anmoder om det, kan encoderen svare med sin aktuelle position i så lidt som 1500 ns. Ledningskonfigurationen til SPI-protokollen er også enkel med dedikerede forbindelser til master-out, slave-in (MOSI) og ,master-in, slave-out (MISO) på hver enhed. Hver af disse forbindelser er kablet sammen, som vist i figur 1, mens masteren har dedikerede forbindelser til de enkelte chipvalg-stifter.

Figur 1: SPI-protokollen bruger almindelige forbindelser til ur og data med dedikerede forbindelser til chipvalg (billedkilde: Same Sky)

Som en bus med en ende er SPI-protokollen velegnet til forbindelser over relativt korte afstande på omkring 1 meter eller mindre, hvis du bruger en højhastighedsclock. Denne afstand kan udvides, hvis urets hastighed reduceres for at bevare signalintegriteten. Dette gør SPI-protokollen ekstremt alsidig og velegnet til flere applikationer.

RS-485-bussen

Hvis applikationen involverer afstande større end 1 meter, eller hvis miljøet udgør en betydelig mængde elektrisk støj, kan en differentiel bus være en bedre mulighed. Dette skyldes, at et differentielt signal i sagens natur er mere robust end et signal med en ende. En anden teknik, der kan øge robustheden, er at fjerne behovet for et rent clock-signal på bussen. Det er her, RS-485-bussen og tilhørende protokol kan være et passende valg.

RS-485-interfacet bruger kabler med snoet par, og da den er differentieret, har den brug for ordentlige afslutninger i hver ende af kablet. Men fordi det er asynkront, er der intet dedikeret clock-signal på bussen, så det har kun brug for to ledere (figur 2), og det kan nå datahastigheder på 10 Mbit/s eller endnu højere. Som bus understøtter den flere forbindelser, men hver skal afsluttes og impedans-matches til kablet. For at opretholde ydeevnen skal hver enhed tilsluttes bussen med den kortest mulige kabellængde.

AMT21-serien bruger RS-485 bus/protokol, der kun kræver to tilslutninger til det snoede par og to mere til strøm. Da det er asynkront, skal alle enheder være opmærksomme på den måde, protokollen er konfigureret på, og som standard bruger AMT21-serien 8N1, hvilket betyder 8 databits, ingen paritet og 1 stopbit. I denne konfiguration bruges de seks mest betydningsfulde bits som en adresse, hvilket betyder, at en forbindelse kan understøtte op til 64 individuelt adresserbare enheder. De to mindst signifikante bits bruges til instruktionen. Når AMT21-serien bliver bedt om at levere positionsdata, kan den reagere inden for tre mikrosekunder. Der er også instruktioner om at nulstille encoderen og indstille nulpositionen.

Figur 2: RS-485-protokollen understøtter flere enheder på et enkelt snoet par (billedkilde: Same Sky)

SSI-bussen

I sin standardkonfiguration kan SSI-bussen ses som en forlængelse af RS-485-bussen gennem tilføjelsen af et differentielt par, der bærer et clock-signal sammen med et differentielt par til data. Dette betyder, at standard SSI-interface bruger to forskellige par eller fire forbindelser til ur og data. Same Sky har udviklet en variation på dette design ved at fjerne det differentiale aspekt, men tilføje en chip-select pin. Dette reducerer antallet af stifter fra fire til tre pr. Forbindelse, samtidig med at bekvemmeligheden ved en dedikeret chip-select tilføjes (figur 3).

Denne variant er kompatibel med SSI-controllere, der understøtter chipvalg og leverer ydelsesniveauer, der svarer til SPI. AMT23-serien fra Same Sky bruger denne SSI-variant og kan konfigureres som vist i figur 3.

Figur 3: Denne SSI-variant kræver færre ledninger, men understøtter chipvalg (billedkilde: CUI-enheder)

Konklusion

Brugen af automatisering øges kun. Absolutte encodere, designet til at blive monteret på elmotorer, giver større kontrol i automatiseringsapplikationer. Den kapacitive encodnings-teknologi udviklet af Same Sky og tilgængelig i AMT-serien gør brug af tre kommunikationsprotokoller, som hver har sine egne funktioner og fordele. Dette giver ingeniører større designfrihed, når de vælger den bedste teknologi til deres anvendelse.