Uitvoersignalen van encoders begrijpen als hulp bij apparaatselectie

Elektronische motorregelaars moeten gewoonlijk zijn voorzien van een encoder om de positie en/of snelheid van de rotor te detecteren. Om een geschikt apparaat te kiezen moet een technicus meerdere aspecten overwegen, allereerst of de toepassing een incrementele, absolute of commutatie-encoder vereist. Nadat deze beslissing is genomen moeten andere parameters worden overwogen, zoals resolutie, montagepatroon en motorasmaat.

Het kiezen van het meest geschikte type uitgangssignaal is niet altijd eenvoudig en wordt vaak over het hoofd gezien. De drie meest gebruikte types zijn open collector, push-pull en differentiële-lijndriver. In dit artikel wordt uitleg gegeven over elk type om technici in staat te stellen een geschikt apparaat te kiezen op basis van de toepassingsvereisten.

Eerste principes

De uitgangssignalen van alle encoders zijn digitaal, of het nu gaat om de kwadratuuruitvoer van een incrementele encoder, de motorpooluitvoer van een commutatie-encoder of een seriële uitvoer die aan een specifiek protocol voldoet. Bij een 5 V encoder wisselen de signalen bijvoorbeeld doorlopend tussen dicht bij 0 V en dicht bij 5 V, overeenkomend met een logische nul of 1. De uitvoer van een incrementele encoder is dus een basale blokgolf, zoals getoond in Afbeelding 1.

Afbeelding 1: Typische blokgolfuitvoer van een digitale encoder. (Bron afbeelding: Same Sky)

Open-collectoruitvoer

Een open-collectoruitvoer (Afbeelding 2) is het meest voorkomende type bij roterende encoders. Als het ingangssignaal hoog is, wordt de collectorpen op de transistor open gelaten of uitgeschakeld. Als de uitvoer laag moet zijn, wordt deze naar de massa geleid.

Afbeelding 2: Schema van open-collectoruitvoer. (Bron afbeelding: Same Sky)

Omdat de uitvoer wordt uitgeschakeld als het signaal hoog is, is een externe "optrekweerstand" vereist om te verzekeren dat de spanning bij de collector hoog genoeg is om een logische 1 aan te geven. Dit biedt technici de flexibiliteit om systemen met verschillende spanningen te laten samenwerken. De collector kan naar een hogere of lagere spanning worden getrokken dan de bedrijfsspanning van de encoder (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De collectoruitvoer kan naar een geschikt spanningsniveau worden getrokken om interactie met een extern systeem mogelijk te maken. (Bron afbeelding: Same Sky)

Aan de andere kant heeft deze interface enkele nadelen. Optrekweerstanden, die in veel standaardcontrollers al zijn ingebouwd, trekken stroom en zorgen zo voor energieverspilling. Bovendien kan de weerstand, in combinatie met de parasitaire capaciteit van het circuit, de overgang van de uitvoer tussen de hoge en lage spanningen vertragen. De helling van de overgang (Afbeelding 4) wordt de variatiesnelheid genoemd.

Afbeelding 4: De optrekweerstand vertraagt de overgang van de uitvoer tussen de hoge en lage spanningen. (Bron afbeelding: Same Sky)

Door de verlaging van de variatiesnelheid beperkt de optrekweerstand de bedrijfssnelheid van de encoder, wat de resolutie van een incrementele encoder kan verminderen. Verlaging van de weerstandswaarde kan de schakelsnelheid verhogen, maar vergroot ook de energieverspilling doordat meer stroom wordt getrokken als het signaal laag is.

Push-pulluitvoer

Een push-pulluitvoer met twee transistors in plaats van één (Afbeelding 5) kan de hierboven beschreven nadelen van een open-collectorinterface ondervangen. De bovenste transistor vervangt de optrekweerstand en trekt bij inschakeling de spanning op naar de rail met een minimale weerstand, waardoor de variatiesnelheid hoger blijft. Doordat de transistor wordt uitgeschakeld als het uitgangssignaal laag is, wordt bij dit actieve optrekken ook minder energie verspild dan bij het open-collectorcircuit. Dit kan resulteren in veel langere werktijden voor batterijaangedreven apparaten.

Afbeelding 5: Push-pull-uitgang (Bron afbeelding: Same Sky)

Dezelfde Sky AMT-familie van single-ended encoders bevatten allemaal push-pull-uitgangen en hebben dus geen pull-up weerstanden nodig voor de interface met externe circuits. Naast een hogere snelheid en minder energieverspilling biedt push-pull-uitgang ook een vereenvoudiging van tests en prototypering. De AMT-encoders hebben ook CMOS-uitgangen. Omdat de hoge en lage spanningswaarden van apparaat tot apparaat verschillen, moet u het informatieblad bekijken om te bepalen hoe de uitvoerspanningen moeten worden geïnterpreteerd.

Differentiële-lijndriveruitvoer

Hoewel encoders met push-pull-uitgangan sommige nadelen van het open-collectortype ondervangen, zijn beide single-ended uitvoeren die beperkingen hebben bij gebruik met grotere kabelafstanden of in omgevingen met veel elektrische ruis en verstoringen.

Bij grotere kabelafstanden neemt de signaalamplitude af en verlopen de signaalovergangen trager door capacitieve effecten. Als bij een single-ended signaal het verzonden signaal wordt afgezet tegen de massa, kan deze achteruitgang fouten veroorzaken die leiden tot slechte systeemprestaties.

In omgevingen met veel elektrische ruis kunnen ongewenste spanningen van uiteenlopende grootte inwerken op de kabels, met als gevolg dat de ontvanger in een single-ended systeem de signaalspanningen onjuist decodeert.

Same Sky raadt differentiële signalering aan als de kabellengte meer dan een meter moet bedragen. Een encoder die een differentiële-lijndriver bevat genereert twee uitvoersignalen: één is gelijk aan het originele signaal, en het andere is een exact tegenovergesteld of complementair signaal. Het verschil tussen de twee wordt verdubbeld ten opzichte van het oorspronkelijke single-ended signaal, waardoor de door spanningsval en capaciteit veroorzaakte achteruitgang wordt ondervangen (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De differentiële-lijndriver ondervangt de signaalachteruitgang. (Bron afbeelding: Same Sky)

Bovendien kan de ruis die in beide signalen aanwezig is worden verwijderd door een aftrekbewerking, zodat het ontvangende systeem deze kan negeren (Afbeelding 7). Differentiële-lijndriverinterfaces worden breed gebruikt in industriële en voertuigtoepassingen vanwege hun uitstekende ruiswerende eigenschappen. Veel Same Sky-encodermodellen worden aangeboden met de optie van een differentiële lijndriveruitgang voor gebruik in veeleisende toepassingen.

Afbeelding 7: De differentiële ontvanger negeert de ruis die in beide signalen optreedt. (Bron afbeelding: Same Sky)

Deze korte uitleg over de uitvoertypen van encoders en hun voor- en nadelen is bedoeld om technici te helpen het juiste apparaat te kiezen voor hun toepassing door een optimale energiezuinigheid te combineren met betrouwbare communicatie over de betreffende afstand en geschikte ruisimmuniteit.