Ein Leitfaden zu Kommunikationsprotokollen für Absolutwertgeber

Die Automatisierung revolutioniert weiterhin die moderne Welt. Es geht über die industrielle Automatisierung und Industrie 4.0 hinaus und umfasst auch den kommerziellen und Verbraucherbereich. Hier kommt das breitere IoT ins Spiel, indem es Aufgaben automatisiert, die früher physisch waren, heute aber zunehmend elektromechanisch sind.

Ganz allgemein gesagt, bieten Elektromotoren eine Möglichkeit, die physikalische Welt zu steuern. Die meisten Elektromotoren sind jedoch relativ einfach aufgebaut, d. h. sie geben in der Regel keine Rückmeldung über ihre Position. Dies gilt insbesondere für kostengünstige Motoren, die nur zum Bewegen einer Last verwendet werden. Es mag überraschen, aber dies kann relativ ausgeklügelte Anwendungen umfassen, wie z. B. Autositze, die ihre Position automatisch anpassen, basierend auf dem Schlüssel, der zum Öffnen und Starten des Fahrzeugs verwendet wird.

Die Art und Weise, wie diese einfachen Motoren die nötige „Intelligenz“ erhalten, um zu wissen, wo sich der Sitz befindet und wie er eingestellt werden muss, ist durch Encoder. Einige Motoren sind bereits mit Encodern ausgestattet, während bei anderen Motoren externe Encoder verwendet werden können, die außen an der Motorwelle angebracht werden. Es gibt verschiedene Arten von Encodern, die in diesen Anwendungen eingesetzt werden, jeder mit seiner eigenen Art der Bewegungserkennung. Dazu können optische Encoder gehören, die Lichtimpulse zählen, wenn ein Objekt vor einer Lichtquelle vorbeiläuft, oder die Impulse zählen, die von einem Hall-Effekt-Schalter erzeugt werden, wenn ein Magnet über ihn hinweggeht.

Einige Drehgeber, wie die Absolutwertgeber der AMT-Serie von Same Sky, kombinieren die hohe Auflösung eines optischen Drehgebers mit der Robustheit eines magnetischen Drehgebers. Sie tun dies durch kapazitive Kodierung, die zwei Platten verwendet: einen Sender und einen Empfänger, getrennt durch eine dritte Platte, die am Rotor befestigt ist. Wenn sich die zentrale Platte dreht, stört sie ein Signal, das kapazitiv zwischen Sender und Empfänger geleitet wird. Da die Interferenz nicht bewegungsabhängig ist, kann die absolute Position des Rotorblechs auch dann erfasst werden, wenn es sich nicht bewegt.

Übliche Anwendungen erfordern, dass der Encoder die Geschwindigkeit des Motors erfasst oder die Position dessen, was der Motor bewegt, anhand der Anzahl der Umdrehungen interpretiert. Eventuell muss er auch die Fahrtrichtung erkennen. Auch die Art und Weise, wie die Position gemeldet wird, kann variieren. Wie bereits erwähnt, ist ein absoluter Drehgeber nicht von der Kenntnis der vorherigen Position abhängig, da er für jede quantifizierbare Position des Rotors einen eindeutigen Wert liefert. Dies kann in Anwendungen nützlich sein, die die Position des Motors nach einer Stromunterbrechung kennen müssen, z. B. wenn jemand in ein Fahrzeug einsteigt.

In Drehgebern verwendete Protokolle

Unabhängig davon, welche Methode zur Erfassung der physikalischen Bewegung verwendet wird, müssen die Informationen anschließend an eine Steuerung weitergeleitet werden. Dies wird durch eine weitere Kodierungsebene erreicht, die die Rohimpulse in ein Übertragungsprotokoll umwandelt.

Die physikalische Verbindung beeinflusst die Wahl des Protokolls und dessen Funktionsweise. Im Allgemeinen wird das Protokoll entweder synchron sein, d. h. es verwendet ein Taktsignal, oder asynchron (kein Taktsignal). Außerdem kann die physikalische Verbindung referenzbezogen oder, um zusätzliche Robustheit zu gewährleisten, differenziell sein. Aus dieser Kombination ergeben sich vier mögliche Alternativen und die gängigsten Protokolle, die diese abdecken, sind das „Serial Peripheral Interface“ oder SPI (referenzbezogen, synchron), RS-485, auch bekannt als TIA/EIA-485 (differenziell, asynchron), und das „Synchronous Serial Interface“ oder SSI (differenziell, synchron).

Protokolle werden aus vielen Gründen gewählt. Sie sorgen zum einen für ein gewisses Maß an Interoperabilität, zum anderen erhöhen sie die Robustheit des Kommunikationskanals, insbesondere in elektrisch verrauschten Anwendungen, wie z. B. der industriellen Motorsteuerung. Es stellt sich jedoch die Frage, welches Protokoll für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist. Glücklicherweise umfasst die AMT-Serie Modelle, die alle drei der oben genannten Protokolle bereitstellen. Daher ist es sinnvoll, die einzelnen Komponenten etwas näher zu betrachten, um ihre jeweiligen Eigenschaften besser zu verstehen und so die Auswahl zu erleichtern.

Der SPI-Bus

Als synchroner Bus ist eine der Verbindungen an einem SPI-Bus ein eigenes Taktsignal (SCLK). Das Protokoll unterstützt auch den Vollduplex-Betrieb durch dedizierte Verbindungen für das Master-Gerät und das Slave-Gerät. Da alle Datenaustausche durch das Taktsignal koordiniert werden, können Master und Slaves kommunizieren, ohne vorher Parameter wie Datenrate oder Nachrichtenlänge aushandeln zu müssen. Jeder Slave verfügt über einen Chip-Select-Pin (Abbildung 1), mit dem der Master steuern kann, mit welchem Gerät er zu einem bestimmten Zeitpunkt kommuniziert.

Die Serie AMT22 verfügt beispielsweise über einen SPI-Encoder, der für den Betrieb mit einem 2-MHz-Taktsignal konfiguriert werden kann. Das bedeutet, dass der Geber auf Anfrage eines Masters in nur 1500 ns mit seiner aktuellen Position antworten kann. Die Verdrahtungskonfiguration für das SPI-Protokoll ist ebenfalls einfach mit dedizierten Anschlüssen für Master Out, Slave In (MOSI) und Master In, Slave Out (MISO) an jedem Gerät. Alle diese Anschlüsse sind miteinander verdrahtet, wie in Abbildung 1 dargestellt, während der Master über dedizierte Anschlüsse für die einzelnen Chip-Select-Pins verfügt.

Abbildung 1: Das SPI-Protokoll verwendet gemeinsame Verbindungen für Takt und Daten, mit dedizierten Verbindungen für Chip Select (Bildquelle: Same Sky)

Als referenzbezogener Bus eignet sich das SPI-Protokoll gut für Verbindungen über relativ kurze Entfernungen von etwa 1 Meter oder weniger, wenn der Hochgeschwindigkeitstakt verwendet wird. Dieser Abstand kann verlängert werden, wenn die Taktfrequenz reduziert wird, um die Signalintegrität zu erhalten. Dies macht das SPI-Protokoll extrem vielseitig und in verschiedenen Anwendungen einsetzbar.

Der RS-485-Bus

Wenn die Anwendung Entfernungen von mehr als 1 Meter umfasst oder wenn die Umgebung ein erhebliches Maß an elektrischem Rauschen aufweist, ist ein Differenzsignalbus möglicherweise die bessere Option. Dies liegt daran, dass ein Differenzsignal von Natur aus robuster ist als ein referenzbezogenes Signal. Eine weitere Technik, die die Robustheit erhöhen kann, besteht darin, die Notwendigkeit eines sauberen Taktsignals auf dem Bus zu beseitigen. Hier kann der RS-485-Bus und das zugehörige Protokoll eine geeignete Wahl sein.

Die RS-485-Schnittstelle verwendet eine verdrillte Zweidrahtleitung und benötigt, da es sich um eine Schnittstelle für Differenzsignale handelt, geeignete Abschlüsse an jedem Ende des Kabels. Da er aber asynchron ist, gibt es kein dediziertes Taktsignal auf dem Bus, so dass er nur zwei Leiter benötigt (Abbildung 2) und Datenraten von 10 Mbit/s oder noch höher erreichen kann. Als Bus unterstützt er mehrere Anschlüsse, die jedoch jeweils abgeschlossen und impedanzmäßig an das Kabel angepasst werden müssen. Um die Performance beizubehalten, sollte jedes Gerät mit der kürzest möglichen Kabellänge an den Bus angeschlossen werden.

Die AMT21-Serie verwendet den/das RS-485-Bus/Protokoll und benötigt nur zwei Anschlüsse für die verdrillte Zweidrahtleitung und zwei weitere für die Stromversorgung. Da es sich um ein asynchrones Protokoll handelt, müssen alle Geräte wissen, wie das Protokoll konfiguriert ist. Standardmäßig verwendet die AMT21-Serie 8N1, was 8 Datenbits, keine Parität und 1 Stoppbit bedeutet. In dieser Konfiguration werden die sechs höchstwertigen Bits als Adresse verwendet, d. h. ein Anschluss kann bis zu 64 individuell adressierbare Geräte unterstützen. Die beiden niederwertigsten Bits werden für die Anweisung verwendet. Auf die Anweisung, Positionsdaten zu liefern, kann die AMT21-Serie innerhalb von drei Mikrosekunden reagieren. Außerdem gibt es Anweisungen zum Zurücksetzen des Encoders und zum Setzen der Nullposition.

Abbildung 2: Das RS-485-Protokoll unterstützt mehrere Geräte an einer einzigen verdrillten Leitung (Bildquelle: Same Sky)

Der SSI-Bus

In seiner Standardkonfiguration kann der SSI-Bus als eine Erweiterung des RS-485-Busses durch ein zusätzliches differentielles Paar gesehen werden, das ein Taktsignal neben einem Paar Differenzsignalen für Daten führt. Das bedeutet, dass die Standard-SSI-Schnittstelle zwei Differenzsignalpaare bzw. vier Verbindungen für Takt und Daten verwendet. Same Sky hat eine Variation dieses Designs entwickelt, indem der Differenzsignalaspekt entfernt, aber ein Chip-Select-Pin hinzugefügt wurde. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Pins von vier auf drei pro Anschluss, während gleichzeitig ein dedizierter Chip-Select zur Verfügung steht (Abbildung 3).

Diese Variante ist kompatibel zu SSI-Controllern, die Chip-Select unterstützen, und liefert ähnliche Performancewerte wie SPI. Die AMT23-Serie von Same Sky verwendet diese SSI-Variante und kann wie in Abbildung 3 gezeigt konfiguriert werden.

Abbildung 3: Diese SSI-Variante benötigt weniger Drähte, unterstützt aber Chip Select (Bildquelle: Same Sky)

Fazit

Der Einsatz von Automatisierung nimmt immer mehr zu. Absolute Drehgeber, die für den Anbau an Elektromotoren konzipiert sind, ermöglichen eine bessere Kontrolle in Automatisierungsanwendungen. Die von Same Sky entwickelte kapazitive Kodierungstechnologie, die in der AMT-Serie verfügbar ist, nutzt drei Kommunikationsprotokolle, von denen jedes seine eigenen Merkmale und Vorteile hat. Dies gibt Ingenieuren eine größere Designfreiheit bei der Auswahl der besten Technologie für ihre Anwendung.