Protocolos de comunicação:Revisão das opções para aplicativos do codificador

Este artigo discute o uso de um codificador para garantir o rastreamento contínuo e preciso do eixo do rotor de um motor e os principais fatores que ajudarão na seleção do codificador com base em parâmetros diferentes.

O uso crescente de motores em robótica, drives industriais, sistemas de automação de fábrica, locais de geração de energia renovável e assim por diante, combinado com uma necessidade crescente de operação com maior eficiência energética, causou um grande aumento no uso de codificadores rotativos nos últimos anos. No recente relatório da Insight Partners sobre este assunto, a empresa de analistas previu que o mercado geral de codificadores experimentará uma taxa de crescimento anual composta de 10,2% (CAGR) em seus números de receita mundial entre agora e 2027. Consequentemente, espera-se que este mercado valer $ 3,45 bilhões por ano até o final desse período.

Para maximizar os níveis de eficiência operacional de um motor, é necessário um rastreamento contínuo e preciso do eixo do rotor. Isso permitirá que dados constantes sejam adquiridos sobre a posição do rotor, além da velocidade e direção de seu movimento. Essas funções podem ser alcançadas pela inclusão de alguma forma de um codificador no projeto do sistema. No entanto, antes de decidir sobre a natureza do codificador que será especificado, você precisa entender os principais fatores que influenciarão essa decisão, dado um conjunto de requisitos de aplicação ou logísticos.

Absoluto ou Incremental?

Existem várias opções possíveis disponíveis ao escolher um codificador. Um tipo incremental ajudará a determinar a posição relativa a um ponto de referência, enquanto um codificador absoluto atribui um código único para cada posição potencial do rotor (Figura 1).

Embora os codificadores incrementais sejam mais baratos e simples de implementar, os codificadores absolutos têm vantagens operacionais claras associadas a eles. A vantagem mais notável de usar codificadores absolutos é o fato de que eles têm uma resposta imediata (pois precisam apenas identificar o código específico). Por meio de seu uso, a posição do rotor pode ser determinada assim que o sistema for ativado. Isso é particularmente vantajoso em cenários de aplicação de segurança crítica.

Figura 1. Cada posição potencial do rotor em um codificador absoluto tem um código único

Qual tipo de codificador deve ser usado?

Existem também várias maneiras diferentes pelas quais o mecanismo de codificação pode ser implementado. Freqüentemente, o sensoriamento óptico é empregado. No entanto, isso tem certas desvantagens, especialmente em ambientes industriais pesados ​​- como a presença de sujeira, graxa ou óleo pode obscurecer partes do disco codificador, tornando difícil para o fotossensor que acompanha obter resultados corretos. A exposição contínua a choques ou vibrações também pode fazer com que o disco seja danificado e precise ser substituído. O alinhamento exato também é necessário, o que pode ser um processo iterativo e demorado.

Embora os codificadores magnéticos eliminem o problema da linha de visão que prejudica os codificadores ópticos, eles têm suas próprias desvantagens. Eles consomem relativamente muita energia e não são capazes de suportar altas resoluções. É por essas razões que os codificadores absolutos capacitivos, como aqueles apresentados na série AMT dos dispositivos CUI, agora estão tendo uma grande aceitação. Esses codificadores capacitivos são insusceptíveis à presença de poeira, sujeira e graxa.

Paralelamente, eles têm forte resiliência a vibrações e temperaturas extremas. Eles oferecem confiabilidade contínua, com uma vida útil longa e sem problemas - pois, ao contrário dos codificadores ópticos, eles são menos sujeitos a desgastes mecânicos. Ao mesmo tempo, eles podem fornecer graus de precisão muito mais altos do que seus equivalentes magnéticos (Figura 2).

Figura 2. Uma comparação dos discos codificadores para codificadores capacitivos, ópticos e magnéticos

Integração de um codificador

Tendo decidido o mecanismo do codificador, o próximo elemento que precisa ser endereçado é a interface do codificador com o sistema host. Há uma grande variedade de protocolos de interface que podem ser empregados. Portanto, é importante entender as distinções entre eles para selecionar a opção mais adequada.

As interfaces seriais são comumente usadas para comunicação em sistemas industriais. RS-485, interface periférica serial (SPI) e interface serial síncrona (SSI) estão entre os mais proeminentes desses protocolos.

O SPI fornece uma interface bidirecional capaz de suportar operação full-duplex. Como há muitas unidades de microcontrolador host (MCUs) que possuem uma porta SPI diretamente incorporada, é um meio conveniente para implementar um sistema de codificador - consumindo o mínimo de tempo e esforço. Taxas de dados elevadas podem ser suportadas e é fácil ajustar essa taxa também.

O uso de SPI será ideal quando as distâncias de interconexão envolvidas forem relativamente curtas (idealmente abaixo de um metro). Distâncias maiores podem ser acomodadas, mas será necessário reduzir a taxa de dados para manter uma imunidade a ruído aceitável. A série AMT22 dos dispositivos CUI é um desses codificadores SPI, com uma velocidade de clock máxima de 2 MHz. Quando solicitado, o codificador pode fornecer feedback de posição extremamente rápido, dentro de 1500 ns, para o microcontrolador host. Comandos estendidos também podem ser usados ​​na conexão SPI para definir o ponto zero ou redefinir o codificador.

Figura 3. Exemplo de configuração de SPI com sinal de relógio compartilhado, MOSI e MISO e linha de seleção de chip exclusiva

Mais adequado para distâncias de interconexão maiores do que o SPI, ou para uso em situações onde há ruído elétrico substancial presente, o RS-485 é outra opção. Como este é um protocolo de interface assíncrona, não requer nenhum sinal de clock. Sua sinalização diferencial permite a rejeição de ruído de modo comum e a forte imunidade a ruído oferecida significa que ele pode ser implantado em ambientes extremamente desafiadores onde a interferência eletromagnética (EMI) é predominante.

Ao contrário do SPI, não é necessário reduzir a taxa de dados quando a distância é estendida. Com um transceptor RS-485 dedicado, a velocidade de comunicação pode chegar a 10 Mbps ou mais, dependendo da distância que os dados precisam percorrer em um cabo de par trançado. O cabo é então terminado em cada extremidade com uma resistência igual à impedância característica.

Outro grande benefício do RS-485 é que vários encoders podem ser conectados a um barramento (Figura 4). Para implementações baseadas na tecnologia RS-485, o codificador AMT21 oferece uma solução. Seu protocolo padrão de oito bits de dados, sem paridade e um bit de parada funciona fazendo com que os dois bits inferiores definam o comando do codificador com os outros 6 bits usados ​​como um endereço do codificador. Isso significa que até 64 codificadores podem compartilhar o mesmo barramento - proporcionando vantagens em implementações complexas em grande escala. Os codificadores AMT21 também podem responder às solicitações de posicionamento do host em um período de 3µs.

Figura 4. Um exemplo de uma configuração RS-485 com vários codificadores conectados ao host

Os dados transportados via SSI são sincronizados pelo transmissor e pelo receptor, ambos fazendo referência a um sinal de relógio comum. Este protocolo de comunicação simplex unidirecional depende de sinalização diferencial e apresenta uma solução de interface muito econômica. Ele pode lidar com comprimentos de interconexão semelhantes ao SPI e também possui características de desempenho de ruído comparáveis.

A série AMT23 dos dispositivos CUI oferece uma solução em situações em que SSI é a interface escolhida. A variação dos dispositivos CUI de um protocolo SSI padrão vem com uma interface SSI de três fios incorporando uma conexão de seleção de chip, que agiliza a instalação e simplifica a interface entre o host e os codificadores. O recurso de seleção de chip permite que o host ative codificadores individuais específicos no barramento, enquanto o codificador responde simplesmente colocando dados de posição no barramento.

Figura 5. A configuração SSI de três fios com recurso de seleção de chip

Conclusão

Por meio do amplo portfólio de codificadores absolutos capacitivos fornecidos pela CUI Devices e da variedade de tecnologias de interface que essas unidades suportam, os engenheiros poderão encontrar uma solução que atenda aos seus requisitos de aplicação específicos. Em situações em que pode haver longas distâncias de conexão envolvidas ou os níveis de ruído precisam ser mitigados, será aconselhável utilizar uma interface RS-485.

Se uma implementação direta for uma prioridade, um codificador com funcionalidade de interface SPI é uma boa opção. Isso é reforçado pelo fato de ser suportado por MCUs de uma grande variedade de fornecedores de semicondutores. Quando a implantação do sistema deve ser o mais simplificada possível, com custos reduzidos ao mínimo e muito pouco espaço ocupado, então o SSI pode ser o caminho a percorrer.

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