Průvodce komunikačními protokoly pro absolutní enkodéry

Automatizace pokračuje v revoluci moderního světa. Přesahuje již rámec průmyslové automatizace a Průmyslu 4.0 a vstupuje do komerční a spotřebitelské domény. Jde o oblasti, ve kterých hraje širší IoT roli automatizace úkolů, které byly kdysi fyzické, ale nyní jsou čím dál častěji elektromechanické.

Obecně lze říci, že elektromotory zajišťují způsob ovládání fyzického světa. Většina elektromotorů je však relativně základní, což znamená, že obvykle neposkytují žádnou zpětnou vazbu o své poloze. To platí zejména pro levné motory používané k jednoduchému přemisťování zátěže. Může být překvapivé, když si uvědomíme, že mohou zahrnovat relativně sofistikované aplikace, jako jsou sedadla vozidel, která automaticky upravují svou polohu na základě klíče použitého k otevření a nastartování vozidla.

Jde o způsob, jakým jsou těmto základním motorům poskytovány potřebné „chytré“ prvky, aby věděly, kde je sedadlo a jak jej nastavit pomocí enkodérů. Zatímco některé motory enkodéry obsahují, ty, které jej nemají, mohou využívat externí enkodéry určené k montáži na vnější stranu hřídele motoru. V těchto aplikacích se používají různé typy enkodérů, z nichž každý má svůj vlastní způsob detekce pohybu. To může zahrnovat optické enkodéry, které počítají světelné impulzy, když objekt prochází před světelným zdrojem, nebo počítají impulzy generované spínačem Hallova jevu, když magnet prochází napříč zdrojem světla.

Některé enkodéry, například řada AMT absolutních enkodérů AMT společnosti Same Sky, kombinují vysoké rozlišení nabízené optickým enkodérem s robustností magnetického enkodéru. Pracují na základě kapacitního kódování, které používá dvě desky: vysílač a přijímač, oddělené třetí deskou připojenou k rotoru. Jak se centrální deska otáčí, narušuje signál, který je kapacitně vedený mezi vysílačem a přijímačem. Protože rušení nezávisí na pohybu, lze absolutní polohu desky rotoru detekovat, i když se nepohybuje.

Běžné aplikace vyžadují, aby enkodér detekoval rychlost motoru nebo interpretoval polohu libovolného pohybu motoru na základě počtu otáček. Může být také nutné detekovat směr pohybu. Způsob, jakým je pozice hlášena, se také může lišit. Jak je uvedeno výše, absolutní rotační enkodér není závislý na znalosti předchozí polohy, protože pro každou měřitelnou polohu rotoru poskytuje jedinečnou hodnotu. To může být užitečné v aplikacích, které potřebují znát polohu motoru po výkonovém cyklu, například když někdo nastoupí do vozidla.

Protokoly používané v rotačních enkodérech

Bez ohledu na to, jaká metoda se k zachycení fyzického pohybu používá, je nutné předat informace řídicí jednotce. Provede se to další úrovní kódování, která pracuje s nezpracovanými impulzy a překládá je pro přenos do protokolu.

Fyzické připojení ovlivňuje výběr protokolu a jeho fungování. Obecně platí, že protokol bude buď synchronní, což znamená, že používá taktovací signál, nebo asynchronní (bez taktovacího signálu). Kromě toho může být fyzické připojení s jedním koncem nebo pro zajištění větší robustnosti diferenciální. Tato kombinace vede ke čtyřem možným alternativám. Nejpopulárnějšími protokoly, které je pokrývají, jsou SPI („Serial Peripheral Interface“, s jedním koncem, synchronní), RS-485, také známý jako TIA/EIA-485 (diferenciální, asynchronní) a SSI („Synchronous Serial Interface“, diferenciální, synchronní).

Protokoly se volí z mnoha důvodů. Poskytují jednak určitou úroveň spolupráce, ale také zvyšují robustnost komunikačního kanálu, zejména v aplikacích s elektrickým šumem, jako je průmyslové řízení motoru. Vyvstává ale otázka, který protokol je pro danou aplikaci nejlepší. Naštěstí zahrnuje řada AMT modely, které poskytují všechny tři výše uvedené protokoly. Proto bude užitečné podívat se na každý z nich trochu blíže, abychom plně porozuměli jeho relativním atributům a napomohli tak se rozhodnout.

Sběrnice SPI

Sběrnice SPI je synchronní a jedním ze spojení na sběrnici je vyhrazený taktovací signál (SCLK). Protokol také podporuje plně duplexní provoz díky vyhrazeným připojením pro hlavní zařízení a podřízené zařízení. Protože všechny datové výměny jsou koordinovány taktovacím signálem, mohou spolu hlavní a podřízené zařízení komunikovat, aniž by musela nejprve vyjednávat parametry, jako je datová rychlost nebo délka zprávy. Každé podřízené zařízení bude vybaveno pinem pro výběr čipu (obrázek 1), který hlavnímu zařízení umožňuje ovládat, se kterým zařízením v daném okamžiku komunikuje.

Příkladem je řada AMT22 vybavená enkodérem SPI, který lze konfigurovat pro provoz s taktovacím signálem 2 MHz. Když tedy hlavní zařízení odešle požadavek, může enkodér reagovat se svou aktuální pozicí do pouhých 1 500 ns. Konfigurace zapojení pro protokol SPI je také jednoduchá díky vyhrazeným připojením pro výstup hlavního zařízení a vstup podřízeného zařízení („ Master Out, Slave In“, MOSI) a vstup hlavního zařízení a výstup podřízeného zařízení (MISO) na každém zařízení. Jednotlivá připojení jsou zapojena dohromady, jak je znázorněno na obrázku 1, ale hlavní zařízení má vyhrazená připojení pro jednotlivé piny pro výběr čipů.

Obrázek 1: Protokol SPI používá pro taktovací impulzy a data běžné připojení a má vyhrazená připojení pro výběr čipu (zdroj obrázku Same Sky)

Protokol SPI je jako sběrnice s jedním koncem vhodný pro připojení na relativně krátké vzdálenosti kolem 1 metru nebo méně, pokud se používá vysokorychlostní taktování. Tuto vzdálenost lze prodloužit, pokud se sníží rychlost taktování, aby se zachovala integrita signálu. Díky tomu je protokol SPI extrémně univerzální a vhodný pro několik aplikací.

Sběrnice RS-485

Pokud aplikace zahrnuje vzdálenosti větší než 1 metr, nebo pokud prostředí představuje značné množství elektrického šumu, může být lepší volbou diferenciální sběrnice. Je to proto, že diferenciální signál je ze své podstaty robustnější než signál s jedním koncem. Další technikou, která může zvýšit robustnost, je odstranit nutnost čistého taktovacího signálu na sběrnici. Zde může být vhodnou volbou sběrnice RS-485 a související protokol.

Rozhraní RS-485 používá kroucenou dvoulinku a, protože je diferenciální, vyžaduje na obou koncích kabelu správné zakončení. Protože je však asynchronní, na sběrnici není žádný vyhrazený taktovací signál, takže potřebuje pouze dva vodiče (obrázek 2) a může dosáhnout datových rychlostí 10 Mbit/s nebo i vyšších. Jako sběrnice podporuje více připojení, ale každé musí být ukončeno a impedance musí odpovídat kabelu. K zachování výkonu by mělo být každé zařízení připojeno ke sběrnici pomocí nejkratší možné délky kabelu.

Řada AMT21 využívá sběrnici/protokol RS-485 vyžadující pouze dvě připojení pro kroucenou dvojlinku a další dvě pro napájení. Jelikož je asynchronní, všechna zařízení si musí být vědoma způsobu konfigurace protokolu. Řada AMT21 používá ve výchozím nastavení 8N1, což znamená 8 datových bitů, žádnou paritu a 1 stop bit. V této konfiguraci se šest nejvýznamnějších bitů používá jako adresa, což znamená, že jedno připojení může podporovat až 64 jednotlivě adresovatelných zařízení. Pro pokyn se používají dva nejméně významné bity. Na pokyn k poskytnutí údajů o poloze může řada AMT21 reagovat do tří mikrosekund. Existují také pokyny k resetování enkodéru a nastavení nulové polohy.

Obrázek 2: Protokol RS-485 podporuje na jedné kroucené dvojlince více zařízení (zdroj obrázku: společnost Same Sky).

Sběrnice SSI

Ve standardní konfiguraci lze sběrnici SSI považovat za rozšíření sběrnice RS-485 vzniklou přidáním diferenciálního páru, který spolu s diferenciálním párem pro data přenáší taktovací signál. To znamená, že standardní rozhraní SSI používá pro taktovací signál a data dva diferenciální páry nebo čtyři připojení. Společnost Same Sky vyvinula variantu této konstrukce tak, že odstranila rozdílový aspekt, ale přidala pin pro výběr čipu. Tím se na jedno připojení sníží počet pinů ze čtyř na tři a zároveň se zvýší pohodlí vyhrazeného výběru čipů (obrázek 3).

Tato varianta je kompatibilní s řídicími jednotkami SSI, které podporují výběr čipu a nabízejí úrovně výkonu podobné sběrnici SPI. Řada AMT23 společnosti Same Sky používá tuto variantu SSI a lze ji nakonfigurovat, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3: Tato varianta SSI vyžaduje méně vodičů, ale podporuje výběr čipu (zdroj obrázku: společnost Same Sky).

Závěr

Využití automatizace neustále roste. Absolutní enkodéry určené k montáži na elektromotory poskytují v automatizačních aplikacích lepší ovládání. Technologie kapacitního kódování vyvinutá společností Same Sky a dostupná v řadě AMT využívá tři komunikační protokoly, z nichž každý má své vlastnosti a výhody. To dává konstruktérům větší svobodu designu při výběru nejlepší technologie pro danou aplikaci.