通信协议：查看编码器应用程序的选项

本文讨论了使用编码器来确保对电机转子轴进行准确的持续跟踪，以及有助于选择编码器的关键因素基于不同的参数。

越来越多的电机在机器人、工业驱动、工厂自动化系统、可再生能源发电站点等中使用，再加上对更节能操作的需求不断增长，导致近年来旋转编码器的使用量大幅增加。在 Insight Partners 最近关于该主题的报告中，该分析公司预测，从现在到 2027 年，整体编码器市场的全球收入数据将实现 10.2% 的复合年增长率 (CAGR)。因此，预计该市场将到该时期结束时，每年价值 34.5 亿美元。

为了最大限度地提高电机的运行效率水平，需要对其转子轴进行准确的持续跟踪。这将允许获取有关转子位置的恒定数据，以及其运动的速度和方向。这些功能可以通过在系统设计中包含某种形式的编码器来实现。但是，在决定将要指定的编码器的性质之前，您需要了解在给定一组应用程序或后勤要求的情况下会影响此决定的关键因素。

绝对还是增量？

选择编码器时，有多种可能的选项可用。增量类型有助于确定相对于参考点的位置，而绝对编码器为每个潜在的转子位置分配一个唯一代码（图 1）。

尽管增量编码器更便宜且易于实现，但绝对编码器具有与之相关的明显操作优势。使用绝对编码器最显着的优点是它们具有即时响应（因为它们只需要识别特定代码）。通过使用它们，一旦系统启动，就可以确定转子位置。这在安全关键的应用场景中尤其有利。

图 1. 绝对编码器上的每个潜在转子位置都有一个唯一代码

应该使用哪种编码器？

还有几种不同的方式可以实现编码机制。通常，采用光学传感。然而，这有一定的缺点，尤其是在重型工业环境中——因为灰尘、油脂或油的存在会使编码器盘的部分变得模糊，从而使随附的光电传感器难以获得正确的结果。持续受到冲击或振动也会导致磁盘损坏并需要更换。还需要精确对齐，这可能是一个反复且耗时的过程。

虽然磁性编码器摆脱了损害光学编码器的视线问题，但它们也有其自身的缺点。它们相对耗电，无法支持高分辨率。正是由于这些原因，电容式绝对编码器（如 CUI Devices 的 AMT 系列中的那些）现在得到了大量采用。这些电容式编码器不易受到灰尘、污垢和油脂的影响。

除此之外，它们对振动和极端温度具有很强的弹性。它们提供持续的可靠性，具有较长且无故障的工作寿命 - 因为与光学编码器不同，它们不易发生机械磨损。同时，它们可以提供比磁性等效物高得多的精度（图 2）。

图 2. 电容式、光学式和磁式编码器的编码盘比较

集成编码器

确定了编码器机制后，需要解决的下一个元素是将编码器与主机系统连接起来。可以采用多种接口协议。因此，重要的是要了解它们之间的区别，以便选择最合适的选项。

串行接口通常用于工业系统中的通信。 RS-485、串行外设接口 (SPI) 和同步串行接口 (SSI) 是这些协议中最突出的。

SPI 提供能够支持全双工操作的双向接口。由于有许多主机微控制器单元 (MCU) 直接集成了 SPI 端口，因此它是实现编码器系统的便捷方式 - 占用最少的时间和精力。可以支持更高的数据速率，并且可以轻松调整该速率。

当所涉及的互连距离相对较短（最好在一米以下）时，最好使用 SPI。可以适应更长的距离，但必须降低数据速率以保持可接受的抗噪性。 CUI Devices 的 AMT22 系列就是这样一种 SPI 编码器，最大时钟速度为 2 MHz。当需要时，编码器可以在 1500 ns 内向主微控制器提供极快的位置反馈。还可以通过 SPI 连接使用扩展命令来设置零点或重置编码器。

图 3. 具有共享时钟信号、MOSI 和 MISO 以及独特的片选线的 SPI 配置示例

RS-485 更适合比 SPI 更长的互连距离，或者用于存在大量电噪声的情况，RS-485 是另一种选择。由于这是一个异步接口协议，它不需要时钟信号。其差分信号可实现共模噪声抑制，并且提供的强大抗噪能力意味着它可以部署在电磁干扰 (EMI) 普遍存在的极具挑战性的环境中。

与 SPI 不同的是，当距离延长时，没有必要限制数据速率。使用专用的 RS-485 收发器，通信速度可以达到 10 Mbps 或更高，具体取决于数据需要通过双绞线传输的距离。然后在电缆的每一端端接一个等于特性阻抗的电阻。

RS-485 的另一个主要优点是多个编码器都可以连接到一条总线（图 4）。对于基于 RS-485 技术的实施，AMT21 编码器提供了一种解决方案。它的 8 个数据位、无奇偶校验和一个停止位的默认协议通过让两个低位定义编码器命令而其他 6 个位用作编码器地址来工作。这意味着多达 64 个编码器可以共享同一条总线——在复杂的大规模实施中提供优势。 AMT21编码器还可以在3μs的时间内响应主机的定位请求。

图 4. RS-485 配置示例，具有多个连接到主机的编码器

通过 SSI 传输的数据由参考公共时钟信号的发送器和接收器同步。这种单工单向通信协议依赖于差分信号，并提供了一种极具成本效益的接口解决方案。它可以处理与 SPI 相似的互连长度，并且也具有相当的噪声性能特征。

CUI Devices 的 AMT23 系列在选择 SSI 接口的情况下提供了解决方案。 CUI Devices 标准 SSI 协议的变体带有包含片选连接的三线 SSI 接口，可简化安装并简化主机和编码器之间的接口。芯片选择功能使主机能够激活总线上特定的单个编码器，而编码器只需将位置数据放在总线上即可做出响应。

图 5. 具有片选特性的三线 SSI 配置

结论

通过 CUI Devices 提供的广泛的电容式绝对编码器产品组合以及这些装置支持的一系列接口技术，工程师将能够找到符合其特定应用要求的解决方案。在可能涉及较长连接距离或需要降低噪音水平的情况下，建议使用 RS-485 接口。

如果优先考虑直接实现，那么具有 SPI 接口功能的编码器是一个不错的选择。这是因为它得到了来自众多不同半导体供应商的 MCU 的支持。当系统部署必须尽可能精简，成本保持最低且占用空间极小时，SSI 可能是最佳选择。

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