Opas absoluuttisten enkooderien tiedonsiirtoprotokolliin

Automaatio mullistaa modernia maailmaa. Se laajenee teollisuusautomaation ja Teollisuus 4.0 -aloitteen ulkopuolelle, kaupalliselle sektorille ja kuluttajasektorille. Laajamittainen IoT automatisoi tällöin tehtäviä, jotka olivat aikanaan fyysisiä, mutta nykyään yhä useammin sähkömekaanisia.

Erittäin yleisellä tasolla ajateltuna sähkömoottorit tarjoavat keinon hallita fyysistä maailmaa. Valtaosa sähkömoottoreista on kuitenkin melko yksinkertaisia eli ne eivät yleensä anna mitään palautetta asennostaan. Tämä pätee etenkin edullisiin moottoreihin, joita käytetään yksinkertaisesti kuorman siirtämiseen jopa melko kehittyneissä sovelluksissa, kuten auton istuimissa, jotka hakeutuvat automaattisesti oikeaan asentoon oven avaamiseen ja ajoneuvon käynnistykseen käytettävän avaimen perusteella.

Perustason moottoreihin lisätään enkoodereilla ”älykkyyttä”, jota ne tarvitsevat istuimen sijainnin tietämiseen ja istuimen säätämisen. Enkooderi on joissakin moottoreissa sisäänrakennettuna, kun taas toisissa käytetään ulkoisia enkoodereita, jotka on tarkoitettu asennettavaksi akseliin moottorin ulkopuolelle. Tällaisiin käyttötarkoituksiin on saatavana monenlaisia enkoodereita, jotka tunnistavat liikkeen eri tavoin, esimerkiksi optiset enkooderit, jotka laskevat valopulsseja esineen liikkuessa valonlähteen edessä, tai laitteet, jotka laskevat Hallin ilmiöllä toimivan kytkimen pulsseja magneetin kulkiessa kytkimen läpi.

Same Sky ‑yhtiön absoluuttisten enkooderien AMT-sarjan kaltaiset enkooderit yhdistävät optisen enkooderin tarkan erotuskyvyn magneettisen enkooderin kestävyyteen. Tämä tapahtuu kapasitiivisella koodauksella, jossa käytetään kahta levyä – lähetintä ja vastaanotinta – ja niitä erottavaa kolmatta levyä, joka on kiinni roottorissa. Keskimmäinen levy aiheuttaa kiertäessään häiriöitä lähettimen ja vastaanottimen väliseen kapasitiivisesti johtuvaan signaaliin. Koska häiriö on liikkeestä riippumaton, roottorilevyn absoluuttinen sijainti voidaan tunnistaa, vaikka se ei liikkuisi.

Enkooderin yleisissä käyttökohteissa halutaan tunnistaa moottorin nopeus tai tulkita sen liikuttaman kohteen sijainti kierrosmäärän perusteella. Sitä saatetaan tarvita myös liikesuunnan tunnistamiseen. Myös sijainnin raportointitapa voi vaihdella. Kuten edellä todetaan, absoluuttinen kiertoenkooderi ei tarvitse tietoa aiemmasta sijainnista, koska se tuottaa yksikäsitteisen arvon roottorin jokaiselle kvantifioitavissa olevalle sijainnille. Tästä voi olla hyötyä sovelluksissa, joissa halutaan tietää moottorin sijainti tehosyklin jälkeen vaikkapa silloin, kun joku nousee ajoneuvoon.

Kiertoenkoodereissa käytettävät protokollat

Tieto täytyy pystyä siirtämään kontrollerille fyysisen liikkeen tunnistamiseen käytettävästä menetelmästä riippumatta. Siihen tarvitaan toista koodaustasoa, joka ottaa vastaan raakapulssit ja muuntaa ne käytettävän lähetysprotokollan mukaisiksi.

Fyysinen kytkentä vaikuttaa protokollan valintaan ja sen toimintatapaan. Protokolla on yleisesti ottaen joko synkroninen, jolloin se käyttää kellosignaalia, tai asynkroninen (ei kellosignaalia). Fyysinen kytkentä voi lisäksi olla epäsymmetrinen tai lisävarmuuden tuottamiseksi differentiaalinen. Näistä yhdistelmistä saadaan neljä kokoonpanovaihtoehtoa. Suosituimmat niissä käytettävät protokollat ovat SPI-rajapinta (Serial Peripheral Interface; epäsymmetrinen, synkroninen), RS-485 eli TIA/EIA-485 (differentiaalinen, asynkroninen) sekä SSI-rajapinta (Synchronous Serial Interface; differentiaalinen, synkroninen).

Monet tekijät vaikuttavat protokollan valintaan. Protokolla tarjoaa ensinnäkin yhteentoimivuustason, minkä lisäksi se parantaa tiedonsiirtokanavan robustisuutta etenkin käyttökohteissa, joissa esiintyy paljon sähköistä kohinaa, kuten teollisuusmoottoreiden ohjauksessa. Vielä täytyy kuitenkin päättää, mikä protokolla sopii parhaiten mihinkin sovellukseen. AMT-sarjaan kuuluu onneksi malleja, jotka tarjoavat kaikki kolme yllä mainittua protokollaa. Tutustutaanpa valintaprosessin tueksi hieman tarkemmin näihin vaihtoehtoihin ja niiden ominaisuuksiin.

SPI-väylä

Koska SPI on synkroninen väylä, yksi sen kytkennöistä on varattu kellosignaalille (SCLK). Tämä protokolla tukee myös kaksisuuntaista tiedonsiirtoa, sillä siinä on erilliset kytkennät isäntälaitteelle ja ohjattavalle laitteelle. Kellosignaali koordinoi kaiken tietojenvaihdon, joten isäntälaite ja ohjattava laite voivat viestiä suoraan sopimatta ensin parametreista, kuten tiedonsiirtonopeudesta tai sanoman pituudesta. Jokaisessa ohjattavassa laitteessa on siruvalintanasta (kuva 1), jonka avulla isäntälaite voi määrittää, minkä laitteen kanssa se kulloinkin viestii.

AMT22-sarjaan kuuluu esimerkiksi SPI-enkooderi, joka voidaan määrittää käyttämään 2 MHz:n kellosignaalia. Tämän ansiosta enkooderi voi vastata ja kertoa senhetkisen sijaintinsa jopa vain 1 500 ns:n sisällä siitä, kun se saa pyynnön isäntälaitteelta. Samoin SPI-protokollan johdotus on helppoa, koska siinä on jokaisessa laitteessa erilliset kytkennät Master Out, Slave In (MOSI) sekä Master In, Slave Out (MISO). Kytkennät johdotetaan yhteen kuvassa 1 esitetyllä tavalla. Isäntälaitteessa on puolestaan erilliset kytkennät sirujen siruvalintanastoille.

Kuva 1: SPI-protokolla käyttää yhteisiä johtimia sekä kellolle että datalle. Siruvalinnalle on erilliset johtimet (kuvan lähde: Same Sky).

SPI-protokolla soveltuu epäsymmetrisenä väylänä hyvin melko lyhyiden matkojen (enintään noin 1 metri) nopeaa kelloa hyödyntäviin kytkentöihin. Välimatkaa voidaan kasvattaa, jos kellon nopeutta hidastetaan signaalin eheyden säilyttämiseksi. SPI-protokolla onkin erittäin monipuolinen ja monenlaisiin sovelluksiin sopiva ratkaisu.

RS-485-väylä

Jos sovelluksessa tarvitaan yli 1 metrin etäisyyksiä tai jos ympäristössä on huomattavasti sähköistä kohinaa, differentiaaliväylä saattaa olla parempi vaihtoehto, koska differentiaalisignaali on luontaisesti robustimpi kuin epäsymmetrinen signaali. Robustisuutta voi parantaa myös poistamalla väylästä tarve kellosignaalille, jolloin RS-485-väylä ja siihen liittyvä protokolla voivat olla pätevä ratkaisu.

RS-485-rajapinta käyttää kierrettyjä parikaapeleita. Koska se on differentiaalinen, siihen on tehtävä kunnollinen terminointi kaapelin molempiin päihin, mutta koska se on asynkroninen, väylällä ei ole erillistä kellosignaalia, joten tiedonsiirtoon tarvitaan vain kaksi johdinta (kuva 2). Tiedonsiirtonopeus voi olla 10 Mb/s tai enemmän. Se tukee väylänä useita kytkentöjä, mutta jokainen kytkentä on terminoitava ja sen impedanssi on sovitettava kaapeliin. Suorituskyvyn säilyttämiseksi kukin laite tulisi kytkeä väylään mahdollisimman lyhyellä kaapelilla.

AMT21-sarja käyttää RS-485-väylää ja ‑protokollaa, joten siinä tarvitaan vain kaksi kierretyn parikaapelin kytkentää ja kaksi virtakytkentää. Asynkronisesta tiedonsiirrosta johtuen jokaisen laitteen täytyy tietää, miten protokolla on konfiguroitu. AMT21-sarjassa käytetään oletusarvoisesti 8N1-konfiguraatiota eli 8 databittiä, ei pariteettibittiä ja 1 päätösbitti. Tässä konfiguraatiossa kuutta tärkeintä bittiä käytetään osoitteena, joten yksi yhteys pystyy tukemaan jopa 64 laitetta, joilla on eri osoitteet. Kahta vähiten merkityksellistä bittiä käytetään ohjeiden antamiseen. AMT21-sarja pystyy vastaamaan kolmen mikrosekunnin kuluessa sijaintidatapyynnön saapumisesta. Protokollaan kuuluvat myös enkooderin nollauskäsky ja nollasijainnin asetuskäsky.

Kuva 2: CUI RS-485 ‑protokolla tukee useita yhteen kierrettyyn parikaapeliin kytkettyjä laitteita (kuvan lähde: Same Sky).

SSI-väylä

SSI-väylän peruskonfiguraatiota voidaan pitää RS-485-väylän laajennuksena, jossa on datan differentiaaliparin lisäksi kellosignaalia käsittelevä differentiaalipari. SSI-standardirajapinnassa käytetään siis kellolle ja datalle kahta differentiaaliparia eli neljää kytkentää. Same Sky on kehittänyt tästä mallista muunnelman, jossa differentiaalisuus on poistettu, mutta johon on lisätty siruvalintanasta. Kunkin yhteyden nastamäärä vähenee näin neljästä kolmeen ja käytettävissä on kätevä erillinen siruvalintamahdollisuus (kuva 3). 

Tämä muunnelma on yhteensopiva siruvalintaa tukevien SSI-kontrollerien kanssa, ja sillä saavutettavat suorituskykytasot vastaavat SPI-protokollaa. Same Sky AMT23-sarjassa käytetään tätä SSI-muunnelmaa, joka voidaan konfiguroida kuvan 3 mukaisesti.

Kuva 3: Tässä siruvalintaa tukevassa SSI-muunnelmassa tarvitaan vähemmän johtimia (kuvan lähde: Same Sky).

Yhteenveto

Automaation käyttö lisääntyy jatkuvasti. Automaatiosovelluksia voidaan hallita tarkemmin sähkömoottoreihin asennettavaksi suunnitelluilla absoluuttisilla enkoodereilla. Same Sky AMT-sarjan laitteissa käytetään yhtiön kehittämää kapasitiivista koodausteknologiaa, jossa hyödynnetään kolmea tiedonsiirtoprotokollaa. Niistä jokaisella on omat piirteensä ja etunsa, joten insinöörit voivat toteuttaa suunnitelmansa vapaammin ja valita sovellukseen parhaiten sopivan teknologian.