通信プロトコル：エンコーダアプリケーションのオプションの確認

この記事では、エンコーダーを使用してモーターのローターシャフトを正確に継続的に追跡し、エンコーダーの選択に役立つ重要な要素について説明します。さまざまなパラメータに基づいています。

ロボット工学、産業用ドライブ、ファクトリーオートメーションシステム、再生可能エネルギー生成サイトなどでのモーターの使用の増加は、より電力効率の高い操作の必要性の高まりと相まって、近年、ロータリーエンコーダの使用を大幅に増加させています。このテーマに関するInsightPartnersの最近のレポートでは、アナリスト企業は、エンコーダー市場全体で、現在から2027年までの世界の収益の数値で10.2％の複合年間成長率（CAGR）が発生すると予測しています。その期間の終わりまでに年間34億5000万ドルの価値があります。

モーターの動作効率レベルを最大化するには、ローターシャフトの正確な継続的な追跡が必要です。これにより、ローターの位置に加えて、ローターの移動速度と方向に関する一定のデータを取得できます。このような機能は、システム設計に何らかの形式のエンコーダを含めることで実現できます。ただし、指定するエンコーダの性質を決定する前に、一連のアプリケーションまたはロジスティック要件を考慮して、この決定に影響を与える重要な要素を理解する必要があります。

絶対または増分？

エンコーダーを選択する際に利用できるいくつかの可能なオプションがあります。インクリメンタルタイプは基準点を基準にした位置を決定するのに役立ちますが、アブソリュートエンコーダは各潜在的なローター位置に一意のコードを割り当てます（図1）。

インクリメンタルエンコーダは安価で実装が簡単ですが、アブソリュートエンコーダには明確な操作上の利点があります。アブソリュートエンコーダを使用することの最も顕著な利点は、（特定のコードを識別する必要があるだけなので）即座に応答するという事実です。それらを使用することにより、システムがアクティブになるとすぐにローターの位置を決定できます。これは、セーフティクリティカルなアプリケーションシナリオで特に有利です。

図1.アブソリュートエンコーダの潜在的なローター位置にはそれぞれ固有のコードがあります

どのエンコーダタイプを使用する必要がありますか？

エンコーディングメカニズムを実装する方法もいくつかあります。多くの場合、光センシングが採用されています。ただし、これには特定の欠点があります。特に、頑丈な産業環境では、汚れ、グリース、またはオイルが存在するとエンコーダディスクの一部が見えにくくなり、付属の光センサーが正しい結果を得ることが困難になるためです。衝撃や振動に継続的にさらされると、ディスクが損傷し、交換が必要になる可能性もあります。正確な位置合わせも必要であり、これは反復的で時間のかかるプロセスになる可能性があります。

磁気エンコーダは、光学エンコーダを損なう見通し内の問題を取り除きますが、これらには独自の欠点があります。それらは比較的電力を消費し、高解像度をサポートすることはできません。これらの理由により、CUIデバイスのAMTシリーズに搭載されているような容量性アブソリュートエンコーダが現在多く採用されています。これらの静電容量式エンコーダは、ほこり、汚れ、グリースの影響を受けません。

これに加えて、それらは振動や極端な温度に対して強い弾力性を持っています。光学式エンコーダとは異なり、機械的な摩耗が少ないため、信頼性が高く、動作寿命が長く、問題がありません。同時に、同等の磁気よりもはるかに高い精度を提供できます（図2）。

図2.容量性、光学的、および磁気エンコーダーのエンコーダーディスクの比較

エンコーダーの統合

エンコーダメカニズムを決定したら、対処する必要のある次の要素は、エンコーダをホストシステムに接続することです。使用できるインターフェースプロトコルにはさまざまなものがあります。したがって、最も適切なオプションを選択するには、それらの違いを理解することが重要です。

シリアルインターフェースは、一般的に産業用システムの通信に使用されます。 RS-485、シリアルペリフェラルインターフェイス（SPI）、および同期シリアルインターフェイス（SSI）は、これらのプロトコルの中で最も有名なものの1つです。

SPIは、全二重動作をサポートできる双方向インターフェイスを提供します。 SPIポートが直接組み込まれているホストマイクロコントローラーユニット（MCU）が多数あるため、エンコーダーシステムを実装するための便利な手段であり、時間と労力を最小限に抑えます。高いデータレートをサポートでき、このレートも簡単に調整できます。

SPIの使用は、関連する相互接続距離が比較的短い場合（理想的には1メートル未満）に最適です。より長い距離にも対応できますが、許容可能なノイズ耐性を維持するには、データレートを下げる必要があります。 CUIデバイスのAMT22シリーズは、そのようなSPIエンコーダーの1つであり、最大クロック速度は2MHzです。要求された場合、エンコーダーはホストマイクロコントローラーに1500ns以内の非常に迅速な位置フィードバックを提供できます。拡張コマンドをSPI接続で使用して、ゼロ点を設定したり、エンコーダーをリセットしたりすることもできます。

図3.共有クロック信号、MOSI、MISO、および固有のチップセレクトラインを使用したSPI構成の例

SPIよりも長い相互接続距離に適しているか、かなりの電気的ノイズが存在する状況で使用する場合は、RS-485が別のオプションです。これは非同期インターフェースプロトコルであるため、クロック信号を必要としません。その差動信号により、コモンモードノイズ除去が可能になり、提供される強力なノイズ耐性により、電磁干渉（EMI）が蔓延している非常に困難な環境に展開できます。

SPIとは異なり、距離を伸ばすときにデータレートを抑える必要はありません。専用のRS-485トランシーバーを使用すると、データがツイストペアケーブルを通過するのに必要な距離に応じて、通信速度が10Mbps以上に達する可能性があります。次に、ケーブルの両端が特性インピーダンスに等しい抵抗で終端されます。

RS-485のもう1つの大きな利点は、複数のエンコーダをすべて1つのバスに接続できることです（図4）。 RS-485テクノロジーに基づく実装の場合、AMT21エンコーダーがソリューションを提供します。デフォルトのプロトコルである8データビット、パリティなし、1ストップビットは、下位2ビットでエンコーダコマンドを定義し、他の6ビットをエンコーダアドレスとして使用することで機能します。これは、最大64個のエンコーダーが同じバスを共有できることを意味し、複雑で大規模な実装に利点をもたらします。 AMT21エンコーダーは、3µsの期間内にホストからの測位要求に応答することもできます。

図4.ホストに接続された複数のエンコーダーを備えたRS-485構成の例

SSIを介して転送されるデータは、共通のクロック信号を参照する送信機と受信機によって同期されます。このシンプレックス一方向通信プロトコルは、差動シグナリングに依存しており、非常に費用対効果の高いインターフェイスソリューションを提供します。 SPIと同様の相互接続長を処理でき、同等のノイズ性能特性も備えています。

CUIデバイスのAMT23シリーズは、SSIが選択されたインターフェースである状況でのソリューションを提供します。 CUIデバイスの標準SSIプロトコルのバリエーションには、チップセレクト接続を組み込んだ3線式SSIインターフェイスが付属しています。これにより、インストールが合理化され、ホストとエンコーダ間のインターフェイスが簡素化されます。チップセレクト機能により、ホストはバス上の特定の個々のエンコーダーをアクティブにすることができ、エンコーダーはバスに位置データを配置するだけで応答します。

図5.チップセレクト機能を備えた3線式SSI構成

結論

CUIデバイスが提供する容量性アブソリュートエンコーダの広範なポートフォリオ、およびこれらのユニットがサポートする一連のインターフェイステクノロジを通じて、エンジニアは特定のアプリケーション要件に一致するソリューションを見つけることができます。接続距離が長くなる可能性がある場合、またはノイズレベルを軽減する必要がある場合は、RS-485インターフェースを使用することをお勧めします。

簡単な実装が優先される場合は、SPIインターフェース機能を備えたエンコーダーが適切なオプションです。これは、多数の異なる半導体ベンダーのMCUによってサポートされているという事実によって強化されています。システムの展開を可能な限り合理化し、コストを最小限に抑え、スペースをほとんど占有しないようにする必要がある場合は、SSIが最適な方法となる可能性があります。

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