Guida ai protocolli di comunicazione per gli encoder assoluti

L'automazione continua a rivoluzionare il nostro mondo. Non si tratta solo di automazione industriale e di Impresa 4.0 ma include anche i comparti commerciale e consumer. È qui che l'IoT in senso più ampio gioca un ruolo prominente automatizzando compiti che una volta erano fisici e che ora sono sempre più elettromeccanici.

In termini molto generali, i motori elettrici forniscono un modo di controllare il mondo fisico. Tuttavia, la maggior parte dei motori elettrici è relativamente semplice, il che significa che in genere non fornisce alcuna indicazione sulla loro posizione. Questo è particolarmente vero per i motori a basso costo utilizzati per spostare semplicemente un carico che possono, a sorpresa, includere applicazioni relativamente sofisticate, come i sedili delle auto che si regolano automaticamente di posizione in base alla chiave utilizzata per aprire e avviare il veicolo.

Questi motori di base ricevono l'intelligenza necessaria per sapere dove si trova il sedile e come regolarlo attraverso gli encoder. Mentre alcuni motori includono encoder, quelli che non lo fanno possono fare uso di encoder esterni progettati per il montaggio all'esterno dell'albero del motore. Ci sono vari tipi di encoder utilizzati in queste applicazioni, ognuno con il proprio modo di rilevare il movimento. Tra questi, gli encoder ottici che contano gli impulsi di luce quando un oggetto passa davanti alla sorgente luminosa o il conteggio degli impulsi generati da un interruttore a effetto Hall quando viene attraversato da un magnete.

Alcuni encoder, come la serie AMT di encoder assoluti di Same Sky, combinano l'alta risoluzione offerta da un encoder ottico con la robustezza di un encoder magnetico. Lo fanno attraverso la codifica capacitiva, che utilizza due piastre: un trasmettitore e un ricevitore, separati da una terza piastra montata sul rotore. Quando la piastra centrale ruota, interferisce con un segnale condotto capacitivamente tra il trasmettitore e il ricevitore. Poiché l'interferenza non dipende dal movimento, la posizione assoluta della piastra del rotore può essere rilevata anche quando non è in movimento.

Applicazioni comuni richiedono che l'encoder rilevi la velocità del motore o interpreti la posizione di ciò che il motore sta muovendo in base al numero di rotazioni. Può anche dover rilevare la direzione di marcia. Anche il modo in cui viene indicata la posizione può variare. Come già detto, un encoder rotativo assoluto non dipende dalla conoscenza della posizione precedente, poiché fornisce un valore unico per ogni posizione quantificabile del rotore. Questo può essere utile in applicazioni che devono sapere la posizione del motore dopo un ciclo di alimentazione, come quando una persona entra in un veicolo.

Protocolli utilizzati negli encoder rotativi

Qualunque sia il metodo usato per registrare il movimento fisico, le informazioni devono poi essere passate a un controller. Questo avviene con un altro livello di codifica, che legge gli impulsi grezzi e li traduce in un protocollo di trasmissione.

La connessione fisica influenza la scelta del protocollo e il suo funzionamento. In generale, il protocollo sarà sincrono, cioè utilizzerà un segnale di clock o asincrono (nessun segnale di clock). Inoltre, la connessione fisica può essere a terminazione singola o, per fornire maggiore robustezza, differenziale. Questa combinazione si traduce in quattro alternative e i protocolli più diffusi sono l'interfaccia periferica seriale o SPI (a terminazione singola, sincrona), RS-485, conosciuta anche come TIA/EIA-485 (differenziale, asincrona) e l'interfaccia seriale sincrona o SSI (differenziale, sincrona).

I protocolli sono scelti per molte ragioni. Anzitutto, forniscono un livello di interoperabilità ma aumentano anche la robustezza del canale di comunicazione, in particolare nelle applicazioni elettricamente rumorose, come il controllo dei motori industriali. Ma questo solleva la questione di quale sia il protocollo migliore per una data applicazione. Fortunatamente, la serie AMT include modelli che forniscono tutti e tre i protocolli di cui sopra. Pertanto, è utile guardare ciascuno un po' più da vicino per comprendere appieno i loro attributi relativi al fine di agevolare la selezione.

Il bus SPI

Essendo un bus sincrono, uno dei collegamenti su un bus SPI è un segnale di clock dedicato (SCLK). Il protocollo supporta anche il funzionamento full-duplex grazie a connessioni dedicate per il dispositivo master e quello slave. Poiché tutti gli scambi di dati sono coordinati dal segnale di clock, master e slave possono comunicare senza dover prima negoziare parametri come la velocità dei dati o la lunghezza del messaggio. Ogni slave avrà un pin chip-select (Figura 1), che permette al master di controllare con quale dispositivo comunicare in qualsiasi momento.

Come esempio, la serie AMT22 presenta un encoder SPI che può essere configurato per funzionare con un segnale di clock a 2 MHz. Questo significa che quando un master lo richiede, l'encoder può rispondere con la sua posizione attuale in appena 1500 ns. Anche la configurazione del cablaggio per il protocollo SPI è semplice con connessioni dedicate per Master Out, Slave In (MOSI) e Master In, Slave Out (MISO) su ogni dispositivo. Ciascuna di queste connessioni è inter-cablata, come mostrato nella Figura 1, mentre il master ha connessioni dedicate per i singoli pin chip-select.

Figura 1: Il protocollo SPI usa connessioni comuni per il clock e i dati, con connessioni dedicate per chip-select (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Essendo un bus a terminazione singola, il protocollo SPI è adatto a connessioni su distanze relativamente brevi di circa 1 metro o meno se si usa il clock ad alta velocità. Questa distanza può essere estesa se la velocità di clock è ridotta, per mantenere l'integrità del segnale. Questo rende il protocollo SPI estremamente versatile e adatto a diverse applicazioni.

Il bus RS-485

Se l'applicazione comporta distanze superiori a 1 metro, o se l'ambiente presenta una quantità significativa di rumore elettrico, un bus differenziale può essere un'opzione migliore. Questo perché un segnale differenziale è intrinsecamente più robusto di un segnale a terminazione singola. Un'altra tecnica che può aumentare la robustezza è quella di rimuovere il requisito di un segnale di clock pulito sul bus. È qui che il bus RS-485 e il protocollo associato possono essere una scelta appropriata.

L'interfaccia RS-485 utilizza un cablaggio a doppino intrecciato e, poiché è differenziale, ha bisogno di terminazioni adeguate a ciascuna estremità del cavo. Ma poiché è asincrono, non c'è un segnale di clock dedicato sul bus, quindi ha solo bisogno di due conduttori (Figura 2) e può raggiungere velocità di dati di 10 Mbit/s o anche superiori. Come un bus, supporta connessioni multiple, ma ognuna deve essere terminata e adattata all'impedenza del cavo. Per mantenere le prestazioni, ogni dispositivo dovrebbe essere collegato al bus usando un cavo il più corto possibile.

La serie AMT21 utilizza il bus/protocollo RS-485, richiedendo solo due connessioni per il doppino e altre due per l'alimentazione. Poiché è asincrono, tutti i dispositivi devono essere consapevoli del modo in cui è configurato il protocollo e, per impostazione predefinita, la serie AMT21 utilizza 8N1, che significa 8 bit di dati, nessuna parità e 1 bit di stop. In questa configurazione, i sei bit più significativi sono usati come indirizzo, quindi una connessione può supportare fino a 64 dispositivi indirizzabili individualmente. I due bit meno significativi sono utilizzati per l'istruzione. Quando vengono richiesti i dati di posizione, la serie AMT21 può rispondere entro tre microsecondi. Ci sono anche istruzioni per ripristinare l'encoder e impostare la posizione zero.

Figura 2: Il protocollo RS-485 supporta più dispositivi su un singolo doppino (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Il bus SSI

Nella sua configurazione standard, il bus SSI può essere considerato un'estensione del bus RS-485 attraverso l'aggiunta di una coppia differenziale che trasporta un segnale di clock accanto a una coppia differenziale per i dati. Questo significa che l'interfaccia standard SSI utilizza due coppie differenziali, o quattro connessioni, per il clock e i dati. Same Sky ha sviluppato una variazione di questo design, rimuovendo l'aspetto differenziale ma aggiungendo un pin chip-select. Questo riduce il numero di pin da quattro a tre per connessione e aggiunge la comodità di un chip-select dedicato (Figura 3).

Questa variante è compatibile con i controller SSI che supportano il chip-select e offre livelli di prestazioni simili a quelli di SPI. La serie AMT23 di Same Sky usa questa variante SSI e può essere configurata come mostrato nella Figura 3.

Figura 3: Questa variante SSI richiede meno fili ma supporta il chip-select (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Conclusione

L'uso dell'automazione non fa che aumentare. Gli encoder assoluti, progettati per essere montati sui motori elettrici, forniscono un controllo maggiore nelle applicazioni di automazione. La tecnologia di codifica capacitiva sviluppata da Same Sky e disponibile nella serie AMT fa uso di tre protocolli di comunicazione, ciascuno con le proprie caratteristiche e vantaggi. Questo dà agli ingegneri una maggiore libertà di progettazione nel selezionare la migliore tecnologia per un'applicazione.