En guide til kommunikasjonsprotokoller for absolutt-pulsgivere (absolutt-enkodere)

Automasjon fortsetter å revolusjonere den moderne verden. Det går utover industriautomasjon og industri 4.0 for å inkludere de kommersielle og forbrukerområdene. Det er her IoT spiller ved å automatisere oppgaver som en gang var fysiske, men som nå blir stadig mer elektromekaniske.

Generelt sett gir elektriske motorer en måte å styre den fysiske verden på. De fleste elektriske motorer er imidlertid relativt grunnleggende, noe som betyr at de vanligvis ikke gir noen tilbakemelding på sin posisjon. Dette gjelder spesielt for lavprismotorer som bare brukes til å flytte en last. Det kan være overraskende å innse, men dette kan inkludere relativt avanserte utrustninger, for eksempel bilseter som automatisk justerer sin posisjon basert på nøkkelen som brukes til å åpne og starte kjøretøyet.

Måten disse grunnleggende motorene gis den nødvendige «smartheten» for å vite hvor setet er og hvordan du justerer det gjennom kodere. Mens noen motorer inkluderer pulsgivere (enkodere), kan de som ikke gjør det, benytte eksterne pulsgivere (enkodere) konstruerte for å monteres på utsiden av motorakselen. Det finnes forskjellige typer pulsgivere (enkodere) som brukes i disse utrustningene, hver med sin egen måte å oppdage bevegelse på. Dette kan inkludere optiske pulsgivere (enkodere) som teller lyspulser når et objekt passerer foran en lyskilde, eller teller pulsene generert av en Hall-effektbryter når en magnet passerer over den.

Noen pulsgivere (enkodere), som AMT-serien av absolutt-pulsgivere (absolutt-enkodere) fra Same Sky, kombinerer den høye oppløsningen som tilbys av en optisk pulsgiver (enkoder) med robustheten til en magnetisk pulsgiver (enkoder). De gjør dette gjennom kapasitiv koding, som bruker to plater: en sender og en mottaker, adskilt av en tredje plate som er festet til rotoren. Når den midtre platen roterer, forstyrrer den et signal som er kapasitivt ledet mellom senderen og mottakeren. Ettersom interferensen ikke er avhengig av bevegelse, kan rotorplatens absolutte posisjon detekteres (oppdages) selv når den ikke beveger seg.

Vanlige utrustninger krever at pulsgiveren (enkoderen) oppdager hastigheten til motoren eller tolker posisjonen til det (hva det skulle være) motoren beveger, basert på antall rotasjoner. Den kan også trenge å detektere bevegelsesretningen. Måten posisjonen rapporteres på kan også variere. Som nevnt ovenfor er en absolutt rotasjonspulsgiver (enkoder) ikke avhengig av å kjenne den forrige posisjonen, da den gir en unik verdi for hver kvantifiserbare posisjon til rotoren. Dette kan være nyttig i utrustninger som trenger å vite posisjonen til motoren etter en motorsyklus, for eksempel når noen setter seg i et kjøretøy.

Protokoller brukt i roterende pulsgivere (enkodere)

Uansett hvilken måte som brukes til å fange opp den fysiske bevegelsen, må informasjonen deretter sendes til en styring (kontroller). Dette oppnås ved et annet nivå av koding, som tar de rå pulsene og oversetter dem til en protokoll for overføring.

Den fysiske tilkoblingen påvirker valget av protokoll og hvordan den fungerer. Generelt sett vil protokollen enten være synkron, noe som betyr at den bruker et klokkesignal, eller asynkron (intet klokkesignal). I tillegg kan den fysiske tilkoblingen være ensrettet, eller, for å gi ekstra robusthet, differensial. Denne kombinasjonen resulterer i fire mulige alternativer, og de mest populære protokollene som dekker disse er det serielle perifere grensesnittet, eller SPI (enkelt-endet, synkron), RS-485, også kjent som TIA/EIA-485 (differensial, asynkron), og det synkrone serielle grensesnittet, eller SSI (differensial, synkron).

Protokoller er valgt av mange grunner. De gir et nivå av interoperabilitet, for det første, men de øker også robustheten til kommunikasjonskanalen, spesielt i elektrisk støyende utrustninger, for eksempel industrimotorstyring. Men dette reiser spørsmålet om hvilken protokoll som er best for en gitt utrustning. Heldigvis inkluderer AMT-serien modeller som gir alle de tre protokollene nevnt ovenfor. Derfor er det nyttig å se litt nærmere på hverandre for fullt ut å forstå deres relative attributter for å hjelpe til i valgprosessen.

SPI-bussen

Som en synkron buss er en av tilkoblingene på en SPI-buss et dedikert klokkesignal (dedicated clock signal – SCLK). Protokollen støtter også full dupleksdrift takket være dedikerte tilkoblinger for hovedenheten (master) og slaveenheten. Ettersom alle datautvekslinger koordineres av klokkesignalet, kan hoved (master) og slaver kommunisere uten først å måtte forhandle parametere som datahastighet eller meldingslengde. Hver slave vil ha en chip-select-pinne (figur 1), som gjør det mulig for hoved (master) å kontrollere hvilken enhet den kommuniserer med til enhver tid.

Som et eksempel har AMT22-serien en SPI-pulsgiver (enkoder) som kan konfigureres til å fungere med et 2 MHz-klokkesignal. Dette betyr at når en hoved (master) ber om det, kan pulsgiveren (enkoderen) svare med gjeldende posisjon på så lite som 1500 ns. Kabelkonfigurasjonen for SPI-protokollen er også enkel med dedikerte tilkoblinger for hoved ut, slave inn (Master Out, Slave In – MOSI) og hoved inn, slave ut (Master In, Slave Out – MISO) på hver enhet. Hver av disse tilkoblingene er koblet sammen, som vist i figur 1, mens hoved-en (masteren) har dedikerte tilkoblinger for de enkelte chip-select-pinnene.

Figur 1: SPI protokollen bruker vanlige tilkoblinger for klokke og data, med dedikerte tilkoblinger for chip-select (Bildekilde: Same Sky)

Som en ensidig jordet buss er SPI-protokollen godt egnet for tilkoblinger over relativt korte avstander på rundt 1 meter eller mindre hvis du bruker høyhastighetsklokken. Denne avstanden kan forlenges hvis klokkehastigheten reduseres, for å bevare signalintegriteten. Dette gjør SPI-protokollen ekstremt allsidig og egnet i flere utrustninger.

RS-485-bussen

Hvis utrustningen involverer avstander på mer enn 1 meter, eller hvis miljøet utgjør en betydelig mengde elektrisk støy, kan en differensialbuss være et bedre alternativ. Dette er fordi et differensialsignal i seg selv er mer robust enn et enkeltendesignal. En annen teknikk som kan øke robustheten, er å fjerne behovet for et rent klokkesignal på bussen. Det er her RS-485-bussen og tilhørende protokoll kan være et passende valg.

RS-485-grensesnittet bruker tvunnet parkabel, og da det er differensielt, trenger det riktige avslutninger i hver ende av kabelen. Men fordi den er asynkron, er det ikke noe dedikert klokkesignal på bussen, så den trenger bare to ledere (figur 2), og den kan nå datahastigheter på 10 Mbit/s eller enda høyere. Som buss støtter den flere tilkoblinger, men hver må avsluttes og impedanstilpasses kabelen. For å opprettholde ytelsen bør hver enhet kobles til bussen ved hjelp av kortest mulig kabellengde.

AMT21-serien bruker RS-485-bussen/-protokollen, som krever bare to tilkoblinger for det tvunnede paret og to til for strøm. Ettersom den er asynkron, må alle enheter være klar over måten protokollen er konfigurert på, og som standard bruker AMT21-serien 8N1, noe som betyr 8 databits, ingen paritet og 1 stoppbit. I denne konfigurasjonen brukes de seks viktigste bitene som adresse, noe som betyr at én tilkobling kan støtte opptil 64 individuelt adresserbare enheter. De to minst signifikante bitene brukes til instruksjonen. Når du blir bedt om å oppgi posisjonsdata, kan AMT21-serien svare innen tre mikrosekunder. Det er også instruksjoner for å tilbakestille pulsgiveren (enkoderen) og angi nullposisjonen.

Figur 2: RS-485-protokollen støtter flere enheter på et enkelt tvunnet par (Bildekilde: Same Sky)

SSI-bussen

I standardkonfigurasjonen kan SSI-bussen sees som en forlengelse av RS-485-bussen gjennom tillegg av et differensialpar som bærer et klokkesignal sammen med et differensialpar for data. Dette betyr at standard SSI-grensesnitt bruker to differensialpar, eller fire tilkoblinger, for klokke og data. Same Sky har utviklet en variasjon på denne utformingen, ved å fjerne differensialaspektet, men legge til en chip-select-stift. Dette reduserer pinnetallet fra fire til tre per tilkobling samtidig som det legger til bekvemmeligheten ved et dedikert brikkevalg (figur 3).

Denne varianten er kompatibel med SSI-kontroller som støtter chip-select og leverer ytelsesnivåer som ligner på SPI. AMT23-serien fra Same Sky bruker denne SSI-varianten og kan konfigureres som vist i figur 3.

Figur 3: Denne SSI varianten krever færre ledninger, men støtter chip-select (Bildekilde: Same Sky)

Konklusjon

Bruk av automatisering bare øker. Absolutt-pulsgivere (absolutt-enkodere), konstruerte for å monteres på elektriske motorer, gir større kontroll i automatiseringsutrustninger. Den kapacitive kodingsteknologien utviklet av Same Sky og tilgjengelig i AMT-serien gjør bruk av tre kommunikasjonsprotokoller, som hver har sine egne funksjoner og fordeler. Dette gir ingeniører og designere større designfrihet når de velger den beste teknologien for utrustningen sin.