Communicatieprotocollen:de opties voor encodertoepassingen bekijken

In dit artikel wordt het gebruik van een encoder besproken om ervoor te zorgen dat de rotoras van een motor continu nauwkeurig wordt gevolgd en de belangrijkste factoren die helpen bij de selectie van de encoder gebaseerd op verschillende parameters.

Toenemend gebruik van motoren in robotica, industriële aandrijvingen, fabrieksautomatiseringssystemen, opwekkingslocaties voor hernieuwbare energie, enzovoort, gecombineerd met een groeiende behoefte aan meer energie-efficiënte werking, heeft de afgelopen jaren geleid tot een grote toename van het gebruik van roterende encoders. In het recente rapport van Insight Partners over dit onderwerp voorspelt het analistenbureau dat de totale markt voor encoders tussen nu en 2027 een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 10,2% (CAGR) zal ervaren in zijn wereldwijde omzetcijfers. tegen het einde van die periode $ 3,45 miljard per jaar waard zijn.

Om de operationele efficiëntieniveaus van een motor te maximaliseren, is nauwkeurige continue tracking van de rotoras nodig. Hierdoor kunnen constante gegevens worden verkregen over de positie van de rotor, plus de snelheid en richting van zijn beweging. Dergelijke functies kunnen worden bereikt door een vorm van een encoder in het systeemontwerp op te nemen. Voordat u echter een beslissing neemt over de aard van de encoder die wordt gespecificeerd, moet u de belangrijkste factoren begrijpen die deze beslissing zullen beïnvloeden, gegeven een reeks toepassings- of logistieke vereisten.

Absoluut of incrementeel?

Er zijn verschillende opties mogelijk bij het kiezen van een encoder. Een incrementeel type helpt bij het bepalen van de positie ten opzichte van een referentiepunt, terwijl een absolute encoder een unieke code toewijst aan elke potentiële rotorpositie (Figuur 1).

Hoewel incrementele encoders goedkoper en eenvoudig te implementeren zijn, hebben absolute encoders duidelijke operationele voordelen. Het meest opvallende voordeel van het gebruik van absolute encoders is het feit dat ze onmiddellijk reageren (omdat ze alleen de specifieke code hoeven te identificeren). Door hun gebruik kan de rotorpositie worden bepaald zodra het systeem wordt geactiveerd. Dit is met name voordelig in veiligheidskritieke toepassingsscenario's.

Figuur 1. Elke potentiële rotorpositie op een absolute encoder heeft een unieke code

Welk type encoder moet worden gebruikt?

Er zijn ook verschillende manieren waarop het coderingsmechanisme kan worden geïmplementeerd. Vaak wordt optische detectie gebruikt. Dit heeft echter bepaalde nadelen, vooral in zware industriële omgevingen - aangezien de aanwezigheid van vuil, vet of olie delen van de encoderschijf kan verdoezelen, waardoor het moeilijk wordt voor de bijbehorende fotosensor om correcte resultaten te verkrijgen. Voortdurende blootstelling aan schokken of trillingen kan er ook toe leiden dat de schijf beschadigd raakt en moet worden vervangen. Exacte afstemming is ook vereist, wat een iteratief en tijdrovend proces kan zijn.

Hoewel magnetische encoders het zichtlijnprobleem oplossen dat optische encoders schaadt, hebben deze hun eigen nadelen. Ze verbruiken relatief veel stroom en zijn niet in staat om hoge resoluties te ondersteunen. Het is om deze redenen dat capacitieve absolute encoders, zoals die in de AMT-serie van CUI Devices, nu veel ingang vinden. Deze capacitieve encoders zijn ongevoelig voor de aanwezigheid van stof, vuil en vet.

Daarnaast zijn ze sterk bestand tegen trillingen en extreme temperaturen. Ze bieden blijvende betrouwbaarheid, met een lange en probleemloze levensduur - omdat ze, in tegenstelling tot optische encoders, minder gevoelig zijn voor mechanische slijtage. Tegelijkertijd kunnen ze een veel hogere nauwkeurigheid bieden dan hun magnetische equivalenten (Figuur 2).

Afbeelding 2. Een vergelijking van de encoderschijven voor capacitieve, optische en magnetische encoders

Een encoder integreren

Nadat het encodermechanisme is gekozen, is het volgende element dat moet worden aangepakt de koppeling van de encoder met het hostsysteem. Er is een grote verscheidenheid aan interfaceprotocollen die kunnen worden gebruikt. Het is daarom belangrijk om de verschillen tussen hen te begrijpen om de meest geschikte optie te selecteren.

Seriële interfaces worden vaak gebruikt voor communicatie in industriële systemen. RS-485, seriële perifere interface (SPI) en synchrone seriële interface (SSI) behoren tot de meest prominente van deze protocollen.

SPI biedt een bidirectionele interface die full-duplexwerking kan ondersteunen. Aangezien er veel host-microcontroller-eenheden (MCU's) zijn waarin een SPI-poort direct is ingebouwd, is dit een handig middel om een ​​encodersysteem te implementeren - dat minimale tijd en moeite kost. Verhoogde datasnelheden kunnen worden ondersteund, en het is ook gemakkelijk om deze snelheid aan te passen.

Het gebruik van SPI zal optimaal zijn wanneer de betrokken interconnect-afstanden relatief kort zijn (idealiter minder dan een meter). Langere afstanden zijn mogelijk, maar het zal nodig zijn om de datasnelheid te verlagen om een ​​acceptabele ruisimmuniteit te behouden. De AMT22-serie van CUI Devices is zo'n SPI-encoder, met een maximale kloksnelheid van 2 MHz. Op verzoek kan de encoder extreem snelle positiefeedback geven, binnen 1500 ns, aan de host-microcontroller. Uitgebreide commando's kunnen ook via de SPI-verbinding worden gebruikt om het nulpunt in te stellen of de encoder te resetten.

Afbeelding 3. Voorbeeld SPI-configuratie met gedeeld kloksignaal, MOSI en MISO en unieke chipselectielijn

Beter geschikt voor langere interconnect-afstanden dan SPI, of voor gebruik in situaties waar er aanzienlijke elektrische ruis aanwezig is, is RS-485 een andere optie. Omdat dit een asynchroon interfaceprotocol is, is er geen kloksignaal nodig. De differentiële signalering maakt common-mode ruisonderdrukking mogelijk en de sterke ruisimmuniteit die wordt geboden, betekent dat het kan worden ingezet in extreem uitdagende omgevingen waar elektromagnetische interferentie (EMI) veel voorkomt.

In tegenstelling tot SPI is het niet nodig om de datasnelheid te beteugelen wanneer de afstand wordt vergroot. Met een speciale RS-485-transceiver kan de communicatiesnelheid 10 Mbps of hoger bereiken, afhankelijk van de afstand die de gegevens nodig hebben om over een twisted pair-kabel te reizen. De kabel wordt dan aan elk uiteinde afgesloten met een weerstand die gelijk is aan de karakteristieke impedantie.

Een ander groot voordeel van RS-485 is dat er meerdere encoders op één bus kunnen worden aangesloten (Figuur 4). Voor implementaties op basis van RS-485 technologie biedt de AMT21 encoder uitkomst. Het standaardprotocol van acht databits, geen pariteit en één stopbit werkt doordat de twee onderste bits het encodercommando definiëren en de andere 6 bits worden gebruikt als encoderadres. Dit betekent dat maximaal 64 encoders dezelfde bus kunnen delen, wat voordelen biedt bij complexe, grootschalige implementaties. AMT21-encoders kunnen ook binnen een periode van 3 µs reageren op positioneringsverzoeken van de host.

Afbeelding 4. Een voorbeeld van een RS-485-configuratie met meerdere encoders die op de host zijn aangesloten

Gegevens die via SSI worden getransporteerd, worden gesynchroniseerd door de zender en ontvanger, beide verwijzend naar een gemeenschappelijk kloksignaal. Dit simplex eenrichtingscommunicatieprotocol is gebaseerd op differentiële signalering en biedt een zeer kosteneffectieve interface-oplossing. Het kan vergelijkbare verbindingslengtes aan als SPI en heeft ook vergelijkbare ruisprestatiekenmerken.

De AMT23-serie van CUI Devices biedt een oplossing in situaties waarin SSI de gekozen interface is. De variant van CUI Devices van een standaard SSI-protocol wordt geleverd met een driedraads SSI-interface met een chip-select-verbinding, die de installatie stroomlijnt en de interface tussen host en encoders vereenvoudigt. Met de chip-select-functie kan de host specifieke individuele encoders op de bus activeren, terwijl de encoder reageert door simpelweg positiegegevens op de bus te zetten.

Afbeelding 5. De driedraads SSI-configuratie met chipselectiefunctie

Conclusie

Dankzij het uitgebreide portfolio van capacitieve absolute encoders geleverd door CUI Devices, en de reeks interfacetechnologieën die deze units ondersteunen, kunnen technici een oplossing vinden die past bij hun specifieke toepassingsvereisten. In situaties waar lange verbindingsafstanden nodig zijn of geluidsniveaus moeten worden beperkt, is het raadzaam om een ​​RS-485-interface te gebruiken.

Als een eenvoudige implementatie prioriteit heeft, dan is een encoder met SPI-interfacefunctionaliteit een goede optie. Dit wordt versterkt door het feit dat het wordt ondersteund door MCU's van een groot aantal verschillende halfgeleiderleveranciers. Als de systeemimplementatie zo gestroomlijnd mogelijk moet zijn, de kosten tot een minimum moeten worden beperkt en er zeer weinig ruimte nodig is, dan is SSI misschien de juiste keuze.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.