アブソリュート・エンコーダーの統合 - SPI、RS-485、およびSSIの各プロトコルの概要

2019年8月27日 Jason Kelly

アブソリュート・エンコーダーの統合 - SPI、RS-485、およびSSIの各プロトコルの概要

より優れた産業生産性、よりスマートな生活、そしてさらなるエネルギー効率の向上を求めて、電気駆動の自立型モビリティと高度な自動化の機会は増大し続けています。エンコーダーはこれらのアプリケーションにおいて、モーターがより精密な追跡位置とモーションを要することから、大きな役割を担うことができます。ただし、市場には複数のエンコーダー・タイプと通信プロトコルが存在します。どのようなオプションがあるか、そして異なる設計要件に基づいて最も効果的な性能を発揮するのはどれかを理解することが大切です。

適切なエンコーダーを選択する

アプリケーションによっては、コントローラーまたは速度可変電動モータドライブがロータ速度、位置、および方向の任意の組み合わせを測定する必要がある場合があります。このような目的では回転エンコーダーを選ぶのが正解で、参照ポイントに対する位置を提供するインクリメンタルタイプ、または各回転位置に対する独自のコードを表示するアブソリュート・エンコーダーのいずれかになります。両タイプは類似した原理に従って原則に従って動作しますが、アブソリュート・エンコーダーはシステムを起動してすぐに、イニシャライズなしに回転位置を特定することができ、予想外の電源喪失の際もその位置の追跡を維持するができます。

位置検出は、通常、光学感知(コードホイール上のマークをカウントして比較する)または電気感知(コードホイールが回転するにつれ異なる静電容量を検知する)のいずれかを使用しておこなわれます。CUIのAMTシリーズアブソリュート・エンコーダーのような静電容量エンコーダーを選択することで、コードホイール上の汚れやグリースによって生じる光学エラーや不正確性、またはスプリアスライトを排除できます。CUIの特許取得済み容量技術は、高い信頼性を誇り、メンテナンスの必要性を最低限に抑えます。

エンコーダー通信プロトコルの各オプション

もう1つ重要な側面は、エンコーダーがホストシステムに接続する方法、特に最も適切な通信インターフェースについて検討することです。サプライヤは、シンプルなTTL出力から産業用イーサネット、あるいは独自の基準に至るまで、幅広い出力を持つ部品を提供することができます。RS-485(TIA/EIA-485とも呼ばれます)、SPI(シリアル周辺機器インターフェース)、SSI(同期式シリアル・インターフェース)を含む見慣れたシリアル・インターフェース基準は、最も人気が高く、広く使用されています。設計者の選択は、ホストシステムで利用可能なインターフェースのみならず、プロトコルのレイテンシー、最大データレート、エンコーダーとホスト間の接続距離、必要なノイズイミュニティのレベルによって制御できます。

シリアル・ペリフェラル・インターフェース(SPI)

SPIは、クロック信号によって調整された双方向同期式接続をサポートします。同期式通信は、一般的なデータレートまたは伝送されるビット数を確立するためのあらゆる必要性を排除することで、マスタとスレーブ間の相互作用を簡素化します。マスタ・アウト・スレーブ・イン(MOSI)およびマスタ・イン・スレーブ・アウト(MISO)のデータ接続により、全二重通信が可能になります。多くのホストコントローラーには、SPIポートがすでに内蔵されています。これがデータレートを調整する機能と組み合わさり、SPIを必要とされる最小限の追加的ネットワーク回路を使った実装をおこなうための極めて使いやすい接続にします。

マスタは適切なチップ選択信号をアサートすることにより特定スレーブからのデータを要求し、スレーブは即座に応答できます。これにより、CUIのAMT22シリーズのようなSPIエンコーダーが、位置情報のフィードバックをホストに極めて迅速に提供できるようになります。AMT22は、SPI接続でアクセスされた際に現在位置を提供し、ゼロ点を設定する、または拡張コマンドでエンコーダーをリセットするように指示を与えることができます。2 Mhzの最大クロック速度は、1500 ns以内に読み出しを開始するためにデータを入力バッファにシフトすることができます。

共有クロック信号、MOSI、MISO、および固有のチップ選択ラインを持つ典型的なSPI構成の図。
共有クロック信号、MOSI、MISO、および固有のチップ選択ラインを持つ典型的なSPI構成。

SPI接続は片端接地でメーター下の短い接続に最も最適です。ただし、データレートを動的に調整する能力により、デバイスはより遅い速度でより長い距離でも実行できます。

RS-485

エンコーダーがホストから長距離で配置されている、または動作環境に深刻な電気ノイズが存在する場合、RS-485 差動シグナリングがエラーまたは干渉に対する耐性を高めることができます。RS-485通信は非同期であるため、従ってクロック信号は不要です。専用のRS-485トランシーバを必要とし、距離に応じて最大10 Mbps以上の通信速度を実現できます。

データはツイストペア・ケーブルで交換されます。このケーブルは、ケーブルの特性インピーダンスに相当する抵抗値を使用して正しく終端処理されている必要があり、通常はケーブルの各端に配置されています。複数のエンコーダーをRS-485シリアルバスに、理想的にはケーブルとエンコーダー間で可能な最短の接続を使用することが理想的です。

ホストと複数エンコーダーを備えたRS-485構成
ホストと複数エンコーダーを備えた典型的なRS-485構成

CUIのAMT21シリーズエンコーダーは、1つのRS-485シリアルバスと接続するように設計されており、電力、接地、2つの差動接続から構成される4本のピンを使用して接続されます。デフォルトのプロトコルは8N1(8データビット、パリティなし、1ストップビット)で、ここでは2つの下方ビットがエンコーダーに与えるコマンドを定義し、残りのビットにエンコーダーのアドレスが含まれます。これにより最大64のエンコーダーがバスを共有できます。コントローラーが位置データ(マルチ回転エンコーダーでは回転数)を読むためにバス上でエンコーダーのアドレスとコマンドに配置されると、そのターゲットエンコーダーは3マイクロ秒以内に応答します。ゼロ位置の設定とエンコーダーをリセットするための2つの拡張コマンドもあります。

同期式シリアル・インターフェース(SSI)

SSIは通常、差動シグナリングを使用する同期式シンプレックスの単一方向マスタ・スレーブ通信プロトコルであり、チップ選択信号は持っていません。これにより、エンコーダーへのシンプルかつ低コストの接続が可能になります。差動接続の高ノイズ抵抗からメリットを得ながら、動的な速度調整によりエンコーダーへのシンプルかつ低コストの接続が可能になります。

CUIのAMT23シリーズアブソリュート・エンコーダーは、シングルエンド通信を搭載し、ホストがバス上の個々のエンコーダーをアクティブ化できるようにチップ選択接続を使用することで、ワイヤを1本節約できるSSIの様々なバリエーションを実装しています。SPIとは異なり、ホストはコマンドを送信しません。このエンコーダーは、純粋に位置データをバス上に配置することによって応答し、ホストとエンコーダー間のインターフェースを簡素化します。CUIのSSIインターフェースは、チップ選択を特徴とした在庫販売のSSIコントローラーと互換性があります。通常の接続長とノイズ性能はSPIと同様です。

共有クロックとデータライン。および固有のチップ選択ラインを持つ一般的な3線式SSI構成の図
共有クロックとデータライン、および固有のチップ選択ラインを持つ一般的な3線式SSI構成

結論

CUIのアブソリュート・エンコーダーは、設計者がアプリケーション用の適切なエンコーダーを選択し、ホストシステムへの相互接続を簡素化するためのフレキシブルなオプションを提供します。RS-485差分インターフェースは、接続距離が長い、または高いノイズ耐性が必要な場合に最適な選択肢です。同時に、高速通信も実現します。一方、SPIはネットワーク要件が比較的少ないため実装しやすく、多数の在庫販売の汎用マイクロコントローラーにネイティブで対応しています。最後に、SSIの同期式通信と削減された配線もエンコーダーにとってシンプルで低価格のオプションとなり、さらにその差動シグナリングによるノイズ耐性というメリットも加わります。

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Jason Kelly

モーションコントロール設計とアプリケーションエンジニア

CUIのAMTエンコーダーとモーションコントロール製品の設計エンジニアとして、 Jason Kellyはサポートアクセサリやソフトウェアインターフェイス、顧客ツールの作成を含む、広範囲の新しいエンコーダーデザインに取り組んでいます。CUIの革新的なAMTエンコーダーとその分野の顧客に対するサポートで彼が重視しているのは、エンジニアリング設計とプラクティスです。彼がラボで設計していないときは、自宅を改造したりトラックの修理をしたり、また彼の妻や家族と一緒に米国北東部の人に知られていない大自然を探索したりして過ごします。

 
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