所有关于电路
工业文章

通信协议:查看编码器应用程序的选项

3月16日,2021年3月16日经过Jason Kelly,Cui器件

本文讨论了使用编码器,以确保电机转子轴的准确跟踪以及将基于不同参数选择编码器的关键因素。

越来越多地利用机器人,工业驱动器,工厂自动化系统,可再生能源发电场所等利用,近年来越来越多地与越来越多的节能运行的需求相结合,近年来导致旋转编码器使用量大升高。In Insight Partners’ recent report on this subject, the analyst firm forecast that the overall encoder market will experience a 10.2% compound annual growth rate (CAGR) in its worldwide revenue figures between now and 2027. Consequently, it is expected that this market will be worth $3.45 billion a year by the end of that period.

为了最大限度地提高电动机的运行效率水平,需要精确地跟踪其转子轴。这将允许在转子位置上获取恒定数据,以及其移动的速度和方向。这种功能可以通过在系统设计中包含某种形式的编码器来实现。但是,在决定将指定的编码器的性质上,您需要了解在一系列申请或后勤要求中影响该决定的关键因素。

绝对或增量?

选择编码器时有几种可能的选项。增量类型将有助于确定相对于参考点的位置,而绝对编码器将唯一代码分配给每个电位转子位置(图1)。

尽管增量式编码器更便宜,实现起来也更简单,但绝对式编码器有明显的操作优势。使用绝对编码器最显著的优点是它们具有即时响应(因为它们只需要识别特定的代码)。通过它们的使用,只要系统被激活,转子的位置就可以被确定。这在安全关键型应用程序场景中特别有利。

每个潜在的转子位置上的绝对编码器有一个独特的代码

图1.绝对编码器上的每个潜在转子位置都具有唯一的代码

应该使用哪种编码器类型?

还可以实现多种不同的方式,通过该方法可以实现编码机制。通常,采用光学感测。然而,这具有一定的缺点,特别是在重型工业环境中 - 作为污垢,润滑脂或油的存在可以模糊的编码盘的部分,从而使伴随的光传感器难以获得正确的结果。持续暴露于冲击或振动也可能导致磁盘变得损坏,需要更换。还需要确切对齐,这可能是迭代和耗时的过程。

磁性编码器摆脱了损害光学编码器的视线问题,但这些都有自己的缺点。它们相对令人振奋,并且无法支持高分辨率。由于这些原因,电容绝对编码器,如CUI设备中的特色AMT系列,现在正在看到大量的吸收。这些电容式编码器对灰尘,污垢和油脂的存在无瑕。

除此之外,他们对振动和极端温度有很强的弹性。它们提供持续的可靠性,具有漫长而无故障的工作寿命 - 与光学编码不同,它们不太容易发生机械磨损和撕裂。同时,它们可以提供比其磁性等同物更高的准确度(图2)。

对电容,光学和磁性编码器的编码器磁盘的比较

图2.对电容,光学和磁性编码器的编码器磁盘的比较

集成编码器

在编码器机制上决定,需要寻址的下一个元素正在与主机系统接口编码器。可以采用各种接口协议。因此,要了解它们之间的区别是重要的,以便选择最合适的选项。

串行接口通常用于工业系统的通信。RS-485、串行外围接口(SPI)和同步串行接口(SSI)是这些协议中最突出的。

SPI提供了一个能够支持全双工操作的双向界面。由于有许多具有直接融入SPI端口的主机微控制器单元(MCU),因此它是实现编码器系统的方便手段 - 占用最小的时间和精力。可以支持高升高的数据速率,并且也很容易调整此速率。

当涉及的互连距离相对较短(理想情况下小于一米)时,SPI的使用将是最佳的。较长的距离可以接受,但有必要降低数据速率以保持可接受的抗噪声能力。CUI设备'AMT22系列是一种这样的SPI编码器,其最大时钟速度为2 MHz。当需要时,编码器可以提供非常快速的位置反馈,在1500ns内,给主机微控制器。还可以通过SPI连接使用扩展命令来设置零点或重置编码器。

示例SPI配置具有共享时钟信号,MOSI和MISO和唯一芯片选择线

图3.示例SPI配置具有共享时钟信号,MOSI和MISO和唯一芯片选择线

比SPI更适合互连距离,或者在存在大量电噪声的情况下,RS-485是另一种选择。由于这是一个异步接口协议,它不需要时钟信号。其差分信令能够实现共模噪声抑制和所提供的强大噪声免疫意味着它可以部署在电磁干扰(EMI)普遍的极其具有挑战性的环境中。

与SPI不同,当距离扩大时,没有必要限制数据速率。使用专用的RS-485收发器,通信速度可以达到10mbps或更高,这取决于数据需要通过双绞线传输的距离。电缆两端的电阻等于特性阻抗。

RS-485的另一个主要福利是,几个编码器都可以连接到一个总线(图4)。基于RS-485技术的实现,AMT21编码器提供了一个解决方案。它的默认协议的8个数据位,没有奇偶校验,和一个停止位工作,有两个较低的位定义编码器命令与其他6位用作编码器地址。这意味着多达64个编码器可以共享同一总线——在复杂的大规模实现中提供优势。AMT21编码器还可以在3µs的时间内响应主机的定位请求。

RS-485配置的一个示例,具有连接到主机的多个编码器

图4。RS-485配置的一个示例,具有连接到主机的多个编码器

通过SSI传输的数据由参考公共时钟信号的发送器和接收器同步。这种单纯的单向通信协议依赖于差分信令,并提出了一个非常经济高效的接口解决方案。它可以处理与SPI相似的互连长度,并且也具有相当的噪声性能特征。

CUI设备'AMT23系列在选择了SSI接口的情况下提供了一个解决方案。CUI Devices的标准SSI协议变体带有一个包含芯片选择连接的三线SSI接口,它简化了安装并简化了主机和编码器之间的接口。芯片选择功能使主机激活总线上的特定编码器,而编码器通过简单地将位置数据放在总线上作出响应。

带芯片选择功能的3线SSI配置

图5.带芯片选择功能的三线SSI配置

结论

通过广阔的产品组合电容绝对编码器由CUI器件提供,以及这些单位支持的界面技术阵列,工程师将能够找到与其特定应用要求匹配的解决方案。在可能存在漫长的连接距离或需要减轻噪声水平的情况下,建议使用RS-485接口。

如果一个简单的实现是优先考虑的,那么带有SPI接口功能的编码器是一个很好的选择。这是由一个事实,它是支持的mcu来自许多不同的半导体供应商。当系统部署必须尽可能精简,成本保持在最低水平,占用的空间很小时,SSI可能是可行的方法。

行业文章是一种内容形式,它允许行业合作伙伴以编辑内容不太适合的方式与All About Circuits阅读器共享有用的新闻、消息和技术。所有的行业文章都受到严格的编辑指导,目的是为读者提供有用的新闻,技术专长,或故事。在行业文章中所表达的观点和意见是合作伙伴的观点,而不一定是所有关于电路或其作者的观点和意见。