En guide till kommunikationsprotokollen för absolutencodrar

Automation fortsätter att revolutionera den moderna världen. Detta går längre än till industriell automation, och Industry 4.0 kommer inkludera handel- och konsumentfält. Det är här det bredare IoT spelar in, genom att automatisera uppgifter som en gång var fysiska men nu alltmer elektromekaniska.

I mycket allmänna termer ger elmotorer en möjlighet att styra den fysiska världen. De flesta elmotorer är dock relativt enkla, vilket innebär att de vanligtvis inte ger någon feedback om sin position. Detta gäller särskilt för billiga motorer som används för att helt enkelt flytta en last. Det kanske låter förvånande, men detta kan inkludera relativt sofistikerade tillämpningar, såsom bilsäten som automatiskt justerar sin position baserat på nyckeln som används för att öppna och starta fordonet.

Dessa basmotorer får den nödvändiga "smartheten" för att veta var sätet är och hur det ska justeras genom encodrar. Vissa motorer innehåller encodrar, men de som inte gör det kan använda externa encodrar som är utformade för att monteras på motoraxelns utsida. Det finns olika typer av encodrar som används i tillämpningar som dessa. Var och en har sitt eget sätt att upptäcka rörelse. Detta kan inkludera optiska encodrar som räknar ljuspulser när ett objekt passerar framför en ljuskälla eller som räknar pulserna som genereras av en Hall-effektbrytare när en magnet passerar över den.

Vissa encodrar, såsom absolutencodrarna i AMT-serien från Same Sky, kombinerar den höga upplösningen som erbjuds av en optisk encoder med robustheten hos en magnetisk encoder. De gör detta genom kapacitiv kodning, vilken använder två plattor: en sändare och en mottagare, åtskilda av en tredje platta fäst vid rotorn. När den centrala plattan roterar interfererar den med en signal som leds kapacitivt mellan sändaren och mottagaren. Eftersom störningen inte är beroende av rörelse, kan rotorplattans absoluta läge detekteras även när den inte rör sig.

Vanliga tillämpningar kräver att encodern detekterar motorns hastighet eller tolkar positionen för vad motorn förflyttar baserat på antalet varv. Den kan också behöva upptäcka körriktningen. Det sätt på vilket positionen rapporteras kan också variera. Som nämnts ovan är en absolut roterande encoder inte beroende av att känna till den tidigare positionen, eftersom den ger ett unikt värde för varje kvantifierbar position på rotorn. Detta är användbart i tillämpningar som behöver känna till motorns position efter en driftcykel, exempelvis när någon kommer in i ett fordon.

Protokoll som används i roterande encodrar

Oavsett vilken metod som används för att registrera den fysiska rörelsen, måste informationen sedan skickas till en styrenhet. Detta sker genom en ytterligare nivå av kodning, som översätter råpulserna till ett överföringsprotokoll.

Den fysiska anslutningen påverkar valet av protokoll och hur det fungerar. I allmänhet kommer protokollet vara antingen synkront, vilket innebär att det använder en klocksignal, eller asynkront (ingen klocksignal). Dessutom kan den fysiska anslutningen vara enledad eller, för att ge extra robusthet, differentierad. Denna kombination resulterar i fyra möjliga alternativ och de mest populära protokollen som täcker dessa är Serial Peripheral Interface eller SPI (enledad, synkront), RS-485, även känt som TIA/EIA-485 (differentiellt, asynkront) och Synchronous Serial Interface eller SSI (differentiellt, synkront).

Olika protokoll väljs av många anledningar. Till att börja med ger de en nivå av driftskompatibilitet, men de ökar också kommunikationskanalens robusthet, särskilt i elektriskt brusiga tillämpningar, som industriella motorstyrningar. Men detta väcker frågan om vilket protokoll som är bäst för en given tillämpning. Lyckligtvis innehåller AMT-serien modeller som erbjuder alla tre ovannämnda protokoll. Därför är det användbart att titta på var och en lite närmare för att förstå deras relativa attribut till fullo för att hjälpa till i urvalsprocessen.

SPI-bussen

Som en synkron buss är en av anslutningarna på en SPI-buss en dedikerad klocksignal (SCLK). Protokollet stöder också full duplex-funktion tack vare separata anslutningar för masterenheten och slavenheten. Eftersom alla datautbyten koordineras av klocksignalen, kan master och slavar kommunicera utan att först behöva förhandla om parametrar som datahastighet och meddelandelängd. Varje slav kommer att ha ett chip select-stift (Figur 1), som gör det möjligt för mastern att styra vilken enhet den ska kommunicera med vid varje given tidpunkt.

Exempelvis har AMT22-serien en SPI-encoder som kan konfigureras till att fungera med en 2 MHz klocksignal. Detta innebär att när en master begär det, kan kodaren svara med sin nuvarande position på så lite som 1500 ns. Anslutningskonfigurationen för SPI-protokollet är också enkel med separata anslutningar för Master Out, Slave In (MOSI) och Master In, Slave Out (MISO) på varje enhet. Var och en av dessa anslutningar är hopkopplade så som visas i figur 1, medan mastern har separata anslutningar för de enskilda chip select-pinnarna.

Figur 1: SPI-protokollet använder vanliga anslutningar för klocka och data, med separata anslutningar för chip select (Bildkälla: Same Sky)

Som en enledad buss passar SPI-protokollet väl för anslutningar över relativt korta avstånd på cirka 1 meter eller mindre om du använder höghastighetsklockan. Detta avstånd kan utökas om klockhastigheten minskas för att behålla signalen intakt. Detta gör SPI-protokollet extremt mångsidigt och lämpligt i många tillämpningar.

RS-485-bussen

Om tillämpningen inbegriper större avstånd än 1 meter, eller om miljön har en betydande mängd elektriskt brus, kan en differentiell buss vara ett bättre alternativ. Detta beror på att en differentiell signal i sig är mer robust än en enledad signal. En annan teknik som kan öka robustheten är att ta bort behovet av en ren klocksignal på bussen. Det är här RS-485-bussen och tillhörande protokoll kan vara ett lämpligt val.

RS-485-gränssnittet använder tvinnade kablar och eftersom det är differentiellt behöver det ordentliga termineringar i båda ändar av kabeln. Men eftersom den är asynkron finns det ingen dedikerad klocksignal på bussen, så den behöver bara två ledare (Figur 2) och den kan nå datahastigheter på 10 Mbit/s eller ännu högre. Som buss stöder den flera anslutningar, men var och en måste termineras och impedansmatchas till kabeln. För att upprätthålla prestandan bör varje enhet anslutas till bussen med kortast möjliga kabellängd.

AMT21-serien använder RS-485-bussen och dess protokoll, vilket bara kräver två anslutningar för det tvinnade paret och ytterligare två för strömförsörjningen. Eftersom det är asynkront måste alla enheter vara medvetna om hur protokollet är konfigurerat. Som standard använder AMT21-serien 8N1, vilket betyder 8 databitar, ingen paritet och 1 stoppbit. I denna konfiguration används de sex viktigaste bitarna som en adress, vilket innebär att en anslutning kan stödja upp till 64 individuellt adresserbara enheter. De två minst signifikanta bitarna används för instruktionen. När AMT21-serien instrueras att tillhandahålla positionsdata kan den svara inom tre mikrosekunder. Det finns också instruktioner för att återställa encodern och ställa in nollpositionen.

Figur 2: RS-485-protokollet stödjer flera enheter på ett enda tvinnat par (Bildkälla: Same Sky)

SSI-bussen

I sin standardkonfiguration kan SSI-bussen ses som en förlängning av RS-485-bussen genom att denna kompletterats med ett differentiellt par som bär en klocksignal tillsammans med ett differentiellt par för data. Det betyder att SSI-standardgränssnittet använder två differentiella par, eller fyra anslutningar, för klocka och data. Same Sky har utvecklat en variant av denna konstruktion genom att ta bort den differentiella principen men lägga till ett chip-select-stift. Detta minskar stiftantalet från fyra till tre per anslutning samtidigt som det ger bekvämligheten med ett separat chip-select (Figur 3).

Denna variant är kompatibel med SSI-styrenheter som stöder chip select och levererar prestandanivåer som liknar dem för SPI. AMT23-serien från Same Sky använder denna SSI-variant och kan konfigureras så som visas i figur 3.

Figur 3: Denna SSI-variant kräver färre ledningar men stöder chip select (Bildkälla: Same Sky)

Slutsats

Graden av automation ökar hela tiden. Absoluta encoders, konstruerade för att monteras på elmotorer, ger större kontroll i automationstillämpningar. Den kapacitiva encodertekniken som utvecklats av Same Sky och finns tillgänglig i AMT-serien använder sig av tre kommunikationsprotokoll, som alla har sina egna funktioner och fördelar. Detta ger ingenjörer större konstruktionsfrihet i att välja den bästa tekniken för att använda i sina tillämpningar.