Guía de protocolos de comunicación para codificadores absolutos

Por Jason Kelly, Electromechanical Design Engineer, CUI Devices

La automatización sigue revolucionando el mundo moderno. Va más allá de la automatización industrial y la Industria 4.0 para incluir los ámbitos comercial y de consumo. Aquí es donde entra en juego el IoT más amplio, al automatizar tareas que antes eran físicas, pero que ahora son cada vez más electromecánicas.

En términos muy generales, los motores eléctricos proporcionan una forma de controlar el mundo físico. Sin embargo, la mayoría de los motores eléctricos son relativamente básicos, lo que significa que no suelen proporcionar ninguna información sobre su posición. Esto es especialmente cierto en el caso de los motores de bajo costo utilizados simplemente para mover una carga. Puede resultar sorprendente, pero esto puede incluir aplicaciones relativamente sofisticadas, como los asientos de los coches que ajustan automáticamente su posición en función de la llave que se utiliza para abrir y arrancar el vehículo.

La forma de dotar a estos motores básicos de la "inteligencia" necesaria para saber dónde está el asiento y cómo ajustarlo es mediante codificadores. Mientras que algunos motores incluyen codificadores, los que no lo hacen pueden utilizar codificadores externos diseñados para ser instalados en el exterior del eje del motor. Hay varios tipos de codificadores utilizados en estas aplicaciones, cada uno con su propia forma de detectar el movimiento. Esto puede incluir codificadores ópticos que cuentan los pulsos de luz cuando un objeto pasa por delante de una fuente de luz, o el recuento de los pulsos generados por un interruptor de efecto Hall cuando un imán pasa por él.

Algunos codificadores, como la serie AMT de codificadores absolutos de CUI Devices, combinan la alta resolución que ofrece un codificador óptico con la resistencia de un codificador magnético. Lo hacen mediante la codificación capacitiva, que utiliza dos placas: una emisora y una receptora, separadas por una tercera placa unida al rotor. Al girar la placa central, interfiere con la señal que se conduce capacitivamente entre el emisor y el receptor. Como la interferencia no depende del movimiento, la posición absoluta de la placa del rotor puede detectarse incluso cuando no se mueve.

Las aplicaciones habituales requieren que el codificador detecte la velocidad del motor o interprete la posición de lo que el motor está moviendo en función del número de rotaciones. También puede ser necesario detectar el sentido de la marcha. La forma en que se informa del puesto también puede variar. Como se ha mencionado anteriormente, un codificador rotatorio absoluto no depende de conocer la posición anterior, ya que proporciona un valor único para cada posición cuantificable del rotor. Esto puede ser útil en aplicaciones que necesitan conocer la posición del motor después de un ciclo de alimentación, como cuando alguien sube a un vehículo.

Protocolos utilizados en los codificadores rotativos

Sea cual sea el método utilizado para capturar el movimiento físico, la información debe transmitirse a un controlador. Esto se consigue mediante otro nivel de codificación, que toma los impulsos en bruto y los traduce a un protocolo de transmisión.

La conexión física influye en la elección del protocolo y en su funcionamiento. En general, el protocolo será síncrono, es decir, que utiliza una señal de reloj, o asíncrono (sin señal de reloj). Además, la conexión física puede ser de un solo extremo o, para ofrecer mayor solidez, diferencial. Esta combinación da como resultado cuatro alternativas posibles y los protocolos más populares que las cubren son la Interfaz Periférica Serial, o SPI (monofilar, síncrona), RS-485, también conocida como TIA/EIA-485 (diferencial, asíncrona), y la Interfaz Serial Síncrona, o SSI (diferencial, síncrona).

Los protocolos se eligen por muchas razones. Por un lado, proporcionan un nivel de interoperabilidad, pero también aumentan la resistencia del canal de comunicación, sobre todo en aplicaciones eléctricamente ruidosas, como el control de motores industriales. Pero esto plantea la cuestión de qué protocolo es mejor para una aplicación determinada. Afortunadamente, la serie AMT incluye modelos que proporcionan los tres protocolos mencionados anteriormente. Por lo tanto, es útil examinar cada uno de ellos un poco más de cerca para comprender plenamente sus atributos relativos con el fin de ayudar en el proceso de selección.

El bus SPI

Como bus síncrono, una de las conexiones de un bus SPI es una señal de reloj dedicada (SCLK). El protocolo también admite el funcionamiento full-duplex gracias a las conexiones dedicadas para el dispositivo maestro y el secundario. Como todos los intercambios de datos están coordinados por la señal de reloj, el maestro y los secundarios pueden comunicarse sin tener que negociar primero parámetros como la velocidad de datos o la longitud de los mensajes. Cada Esclavo contará con un pin de Selección de Chip (Figura 1), que permite al Maestro controlar con qué dispositivo se comunica en cada momento.

Como ejemplo, la serie AMT22 cuenta con un codificador SPI que puede configurarse para funcionar con una señal de reloj de 2 MHz. Esto significa que cuando un maestro lo solicita, el codificador puede responder con su posición actual en tan solo 1500 ns. La configuración del cableado para el protocolo SPI también es sencilla, con conexiones dedicadas para Master Out, Slave In (MOSI), y Master In, Slave Out (MISO) en cada dispositivo. Cada una de estas conexiones está cableada conjuntamente, como se muestra en la Figura 1, mientras que el Master tiene conexiones dedicadas para los pines individuales de selección de chip.

El diagrama del protocolo SPI utiliza conexiones comunes para el reloj y los datosFigura 1: El protocolo SPI utiliza conexiones comunes para el reloj y los datos, con conexiones dedicadas para la selección de chip (Fuente de la imagen: CUI Devices)

Al tratarse de un bus de un solo extremo, el protocolo SPI se adapta bien a las conexiones a distancias relativamente cortas, de alrededor de 1 metro o menos si se utiliza el reloj de alta velocidad. Esta distancia puede ampliarse si se reduce la velocidad del reloj, para preservar la integridad de la señal. Esto hace que el protocolo SPI sea extremadamente versátil y adecuado en varias aplicaciones.

El bus RS-485

Si la aplicación implica distancias superiores a 1 metro, o si el entorno presenta una cantidad significativa de ruido eléctrico, un bus diferencial puede ser una mejor opción. Esto se debe a que una señal diferencial es intrínsecamente más resistente que una señal de un solo extremo. Otra técnica que puede aumentar la resistencia es eliminar la necesidad de una señal de reloj limpia en el bus. Aquí es donde el bus RS-485 y el protocolo asociado pueden ser una opción adecuada.

La interfaz RS-485 utiliza un cableado de par trenzado y, al ser diferencial, necesita terminaciones adecuadas en cada extremo del cable. Pero como es asíncrono, no hay una señal de reloj dedicada en el bus, por lo que solo necesita dos conductores (Figura 2), y puede alcanzar velocidades de datos de 10 Mbit/s o incluso superiores. Como bus, admite múltiples conexiones, pero cada una de ellas debe estar terminada y adaptada a la impedancia del cable. Para mantener el rendimiento, cada dispositivo debe conectarse al bus utilizando la menor longitud de cable posible.

La serie AMT21 utiliza el bus/protocolo RS-485, que solo requiere dos conexiones para el par trenzado y otras dos para la alimentación. Al ser asíncrono, todos los dispositivos deben conocer la forma de configurar el protocolo y, por defecto, la serie AMT21 utiliza 8N1, lo que significa 8 bits de datos, sin paridad y 1 bit de parada. En esta configuración, los seis bits más significativos se utilizan como dirección, lo que significa que una conexión puede soportar hasta 64 dispositivos direccionables individualmente. Los dos bits menos significativos se utilizan para la instrucción. Cuando se le indica que proporcione datos de posición, la serie AMT21 puede responder en tres microsegundos. También hay instrucciones para restablecer el codificador y fijar la posición cero.

Diagrama del protocolo CUI RS-485 admite varios dispositivos en un solo par trenzadoFigura 2: El protocolo RS-485 admite varios dispositivos en un solo par trenzado (Fuente de la imagen: CUI Devices)

El bus SSI

En su configuración estándar, el bus SSI puede considerarse una extensión del bus RS-485 mediante la adición de un par diferencial que transporta una señal de reloj junto a un par diferencial para los datos. Esto significa que la interfaz SSI estándar utiliza dos pares diferenciales, o cuatro conexiones, para el reloj y los datos. CUI Devices ha desarrollado una variación de este diseño, eliminando el aspecto diferencial pero añadiendo un pin de selección de chip. Esto reduce el número de pines de cuatro a tres por conexión, a la vez que añade la comodidad de una selección de chip dedicada (Figura 3).

Esta variante es compatible con los controladores SSI que admiten la selección de chip y ofrece niveles de rendimiento similares a los de SPI. La serie AMT23 de CUI Devices utiliza esta variante SSI y puede configurarse como se muestra en la Figura 3.

El diagrama de la variante SSI requiere menos cables, pero admite la selección de chip.Figura 3: Esta variante de SSI requiere menos cables, pero admite la selección de chip. (Fuente de la imagen: CUI Devices)

Conclusión:

El uso de la automatización no hace más que aumentar. Los codificadores absolutos, diseñados para ser instalados en motores eléctricos, proporcionan un mayor control en las aplicaciones de automatización. La tecnología de codificación capacitiva desarrollada por CUI Devices y disponible en la serie AMT hace uso de tres protocolos de comunicación, cada uno de los cuales tiene sus propias características y ventajas. Esto da a los ingenieros una mayor libertad de diseño a la hora de seleccionar la mejor tecnología para su aplicación.

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Jason Kelly, Electromechanical Design Engineer, CUI Devices