Een gids voor communicatieprotocollen voor absolute encoders

Automatisering blijft een revolutie in de moderne wereld. Het gaat verder dan industriële automatisering en Industrie 4.0 en omvat ook de commerciële en consumentendomeinen. Hier speelt het ruimere IoT een rol door taken te automatiseren die vroeger fysiek waren maar nu steeds meer elektromechanisch zijn.

In zeer algemene termen bieden elektromotoren een manier om de fysieke wereld te besturen. De meeste elektromotors zijn echter relatief eenvoudig, wat betekent dat zij doorgaans geen feedback geven over hun positie. Dit geldt met name voor goedkope motors die alleen worden gebruikt om een last te verplaatsen. Het is misschien verrassend om te beseffen, maar dit kan relatief geavanceerde toepassingen omvatten, zoals autostoelen die automatisch hun positie aanpassen op basis van de sleutel die wordt gebruikt om het voertuig te openen en te starten.

De manier waarop deze basismotors de nodige "slimmigheid" krijgen om te weten waar de stoel zich bevindt en hoe hij moet worden afgesteld, is door middel van encoders. Sommige motoren zijn uitgerust met encoders, terwijl andere gebruik kunnen maken van externe encoders die aan de buitenkant van de motoras worden gemonteerd. Er zijn verschillende soorten encoders die in deze toepassingen worden gebruikt, elk met hun eigen manier om beweging te detecteren. Dit kunnen optische encoders zijn die lichtpulsen tellen wanneer een voorwerp voor een lichtbron passeert, of het tellen van de pulsen die door een Hall-effectschakelaar worden gegenereerd wanneer een magneet er overheen gaat.

Sommige encoders, zoals de AMT-serie van absolute encoders van Same Sky, combineren de hoge resolutie van een optische encoder met de robuustheid van een magnetische encoder. Zij doen dit door middel van capacitieve codering, waarbij gebruik wordt gemaakt van twee platen: een zender en een ontvanger, gescheiden door een derde plaat die aan de rotor is bevestigd. Wanneer de centrale plaat draait, stoort zij een signaal dat capacitief wordt geleid tussen de zender en de ontvanger. Aangezien de interferentie niet afhankelijk is van de beweging, kan de absolute positie van de rotorplaat worden gedetecteerd, zelfs wanneer deze niet beweegt.

Gangbare toepassingen vereisen dat de encoder de snelheid van de motor detecteert of de positie interpreteert van wat de motor beweegt op basis van het aantal omwentelingen. Het kan ook nodig zijn om de rijrichting te detecteren. Ook de manier waarop de positie wordt gerapporteerd, kan verschillen. Zoals hierboven vermeld, is een absolute roterende encoder niet afhankelijk van de kennis van de vorige positie, aangezien hij een unieke waarde geeft voor elke kwantificeerbare positie van de rotor. Dit kan nuttig zijn in toepassingen waarbij de positie van de motor na een stroomcyclus bekend moet zijn, zoals wanneer iemand in een voertuig stapt.

Protocollen gebruikt in roterende encoders

Welke methode ook wordt gebruikt om de fysieke beweging vast te leggen, de informatie moet vervolgens aan een controller worden doorgegeven. Dit wordt bereikt door een ander coderingsniveau, dat de ruwe pulsen neemt en ze vertaalt in een protocol voor transmissie.

De fysieke verbinding beïnvloedt de keuze van het protocol en de manier waarop het werkt. In het algemeen zal het protocol ofwel synchroon zijn, hetgeen betekent dat het een kloksignaal gebruikt, ofwel asynchroon (geen kloksignaal). Bovendien kan de fysieke verbinding single-ended zijn, of om extra robuustheid te bieden, differentieel. Deze combinatie resulteert in vier mogelijke alternatieven en de meest populaire protocollen die deze bestrijken zijn de Serial Peripheral Interface, of SPI (single-ended, synchroon), RS-485, ook bekend als TIA/EIA-485 (differentieel, asynchroon), en de Synchronous Serial Interface, of SSI (differentieel, synchroon).

Protocollen worden om vele redenen gekozen. Zij zorgen voor een zekere mate van interoperabiliteit, maar zij verhogen ook de robuustheid van het communicatiekanaal, met name in toepassingen met veel elektrische ruis, zoals de besturing van industriële motoren. Maar dit werpt wel de vraag op welk protocol het beste is voor een bepaalde toepassing. Gelukkig omvat de AMT-serie modellen die alle drie de bovengenoemde protocollen bieden. Daarom is het nuttig elk van hen wat nader te bekijken om een volledig inzicht te krijgen in hun relatieve kenmerken en zo te helpen bij het selectieproces.

De SPI-bus

Als synchrone bus is een van de verbindingen op een SPI-bus een speciaal kloksignaal (SCLK). Het protocol ondersteunt ook full-duplex werking dankzij speciale verbindingen voor het Master-apparaat en het Slave-apparaat. Aangezien alle gegevensuitwisselingen door het kloksignaal worden gecoördineerd, kunnen Master en Slaves communiceren zonder eerst te hoeven onderhandelen over parameters zoals datasnelheid of berichtlengte. Elke slave heeft een Chip Select-pin (Afbeelding 1), waarmee de master kan bepalen met welk apparaat hij op een bepaald moment communiceert.

De AMT22-serie is bijvoorbeeld voorzien van een SPI-encoder die kan worden geconfigureerd om te werken met een kloksignaal van 2 MHz. Dit betekent dat wanneer een master daarom vraagt, de encoder binnen slechts 1500 ns kan antwoorden met zijn huidige positie. De bedradingsconfiguratie voor het SPI-protocol is eveneens eenvoudig met speciale aansluitingen voor Master Out, Slave In (MOSI), en Master In, Slave Out (MISO) op elk apparaat. Elk van deze aansluitingen is samen bedraad, zoals getoond in Afbeelding 1, terwijl de Master speciale aansluitingen heeft voor de afzonderlijke chip-select pennen.

Afbeelding 1: Het SPI-protocol maakt gebruik van gemeenschappelijke aansluitingen voor klok en gegevens, met specifieke aansluitingen voor chipselect (bron: Same Sky)

Als single-ended bus is het SPI-protocol zeer geschikt voor verbindingen over relatief korte afstanden van ongeveer 1 meter of minder bij gebruik van de hogesnelheidsklok. Deze afstand kan worden vergroot als de kloksnelheid wordt verlaagd, om de signaalintegriteit te behouden. Dit maakt het SPI-protocol uiterst veelzijdig en geschikt voor diverse toepassingen.

De RS-485 bus

Als de toepassing afstanden van meer dan 1 meter betreft, of als de omgeving een aanzienlijke hoeveelheid elektrische ruis vertoont, kan een differentiële bus een betere optie zijn. Dit komt omdat een differentieel signaal inherent robuuster is dan een single-ended signaal. Een andere techniek die de robuustheid kan verhogen is het wegnemen van de noodzaak van een zuiver kloksignaal op de bus. Dit is waar de RS-485 bus en het bijbehorende protocol een geschikte keuze kunnen zijn.

De RS-485 interface maakt gebruik van paarsgewijs getwiste bekabeling en aangezien deze differentieel is, moeten aan elk uiteinde van de kabel de juiste afsluitingen worden aangebracht. Maar omdat het asynchroon is, is er geen specifiek kloksignaal op de bus, zodat er slechts twee geleiders nodig zijn (Afbeelding 2), en kunnen datasnelheden van 10 Mbit/s of zelfs hoger worden bereikt. Als bus ondersteunt hij meerdere aansluitingen, maar elke aansluiting moet worden afgesloten en aan de impedantie van de kabel worden aangepast. Om de prestaties te handhaven, moet elk apparaat met de kortst mogelijke kabellengte op de bus worden aangesloten.

De AMT21-serie maakt gebruik van het RS-485 bus/protocol, waarvoor slechts twee aansluitingen voor het getwiste paar nodig zijn en nog eens twee voor de voeding. Aangezien het asynchroon is, moeten alle apparaten op de hoogte zijn van de manier waarop het protocol is geconfigureerd en standaard gebruikt de AMT21-serie 8N1, wat 8 databits, geen pariteit en 1 stopbit betekent. In deze configuratie worden de zes meest significante bits als adres gebruikt, wat betekent dat één aansluiting tot 64 individueel adresseerbare apparaten kan ondersteunen. De twee minst significante bits worden gebruikt voor de instructie. Wanneer de AMT21-serie opdracht krijgt positiegegevens te verstrekken, kan zij binnen drie microseconden reageren. Er zijn ook instructies om de encoder te resetten en de nulpositie in te stellen.

Afbeelding 2: Het RS-485 protocol ondersteunt meerdere apparaten op een enkel getwist paar (Afbeelding bron: Same Sky)

De SSI-bus

In zijn standaardconfiguratie kan de SSI-bus worden gezien als een uitbreiding van de RS-485-bus door de toevoeging van een differentieel paar dat een kloksignaal draagt naast een differentieel paar voor gegevens. Dit betekent dat de standaard SSI-interface twee differentiële paren, of vier aansluitingen, gebruikt voor klok en data. Same Sky heeft een variatie op dit ontwerp ontwikkeld, door het differentiële aspect te verwijderen maar een chip-select-pin toe te voegen. Hierdoor wordt het aantal pinnen per aansluiting teruggebracht van vier tot drie, terwijl het gemak van een speciale chip-selectie wordt toegevoegd (Afbeelding 3).

Deze variant is compatibel met SSI controllers die chip select ondersteunen en levert prestatieniveaus die vergelijkbaar zijn met SPI. De AMT23-serie van Same Sky maakt gebruik van deze SSI-variant en kan worden geconfigureerd als aangegeven in Afbeelding 3.

Afbeelding 3: Deze SSI-variant vereist minder draden maar ondersteunt chip select (Afbeelding bron: Same Sky)

Conclusie

Het gebruik van automatisering neemt alleen maar toe. Absolute encoders, die ontworpen zijn om op elektromotors te worden gemonteerd, zorgen voor een betere controle in automatiseringstoepassingen. De door Same Sky ontwikkelde capacitieve coderingstechnologie die beschikbaar is in de AMT-serie, maakt gebruik van drie communicatieprotocollen, die elk hun eigen kenmerken en voordelen hebben. Dit geeft ingenieurs meer ontwerpvrijheid bij de keuze van de beste technologie voor hun toepassing.