Enkodery – przegląd rodzajów wyjść i interfejsów komunikacyjnych

Enkodery występują w dwóch konfiguracjach: inkrementalnej (przetworniki obrotowo-impulsowe, przyrostowe) i absolutnej (przetworniki obrotowo-kodowe). Wyjściem enkodera przyrostowego jest strumień impulsów w jednym albo w kilku kanałach, natomiast wyniki pomiarów w przetwornikach absolutnych mają postać słowa kodowego.

Wyjścia enkoderów inkrementalnych

Obecnie większość enkoderów obrotowo-impulsowych ma wyjście Push-Pull (HTL), RS422 (TTL) lub sin/cos. Wyjście enkodera w standardzie Push-Pull (HTL) ma wartość napięcia proporcjonalną do poziomu napięcia zasilania, standardowo w przedziale 8‒30V (zwykle 24 V). Dzięki znacznej różnicy napięć pomiędzy poziomami logicznego 0 i 1 charakteryzuje je odporność na zakłócenia (interferencje, szumy). Wyjście przetwornika w standardzie RS422 (TTL) ma wartość napięcia około 5V, niezależną od napięcia zasilania, zwykle w zakresie 4,5‒5,5V lub 8 – 30V. Dzięki wykorzystaniu sygnałów różnicowych także gwarantowana jest w tym przypadku wysoka odporność na zakłócenia.

Na wyjściu trzeciego typu sygnał impulsowy z enkodera zostaje skonwertowany do postaci przebiegu sinus/cosinus 1Vpp. Przetworniki inkrementalne z takim wyjściem są popularne w systemach sterowania ruchem opartych na serwonapędach, w których precyzja kontroli położenia oraz prędkości wymaga dużej rozdzielczości pomiaru. Sygnał analogowy jest je

Wyjścia równoległe vs szeregowe

Enkodery obrotowo-kodowe z kolei komunikują się ze sterownikiem najczęściej: za pośrednictwem wyjścia równoległego, wyjścia szeregowego, przez magistralę polową (fieldbus) i protokoły oparte na sieci Ethernet. W pierwszym z wymienionych typów wyjść na każdy bit przypada jeden przewód. Ma to zalety, ale również i wady.

Przede wszystkim im większa jest rozdzielczość pomiarowa przetwornika, a więc dłuższe słowo kodowe, tym więcej przewodów jest wymaganych. To z kolei sprawia, że okablowanie i złącza są nieporęczne i drogie, szczególnie w przypadku enkoderów absolutnych wieloobrotowych, a długość kabla i prędkość transmisji ograniczone. Większa liczba przewodów to także większe prawdopodobieństwo błędów transmisji oraz dodatkowe punkty podatne na awarię.

Aby ograniczyć przekłamania wyniki pomiarów w formacie zwykłego kodu binarnego przekształca się w kod Graya. Gdy dane są w formacie binarnym bowiem, wiele bitów, czasem wszystkie, może się zmieniać jednocześnie między każdym odczytem. To przy dużych prędkościach i odległościach transmisji prowadzi do błędów. Kodu Graya ten problem nie dotyczy, ponieważ to co go wyróżnia, to zmiana tylko jednego bitu w jednym kroku.

Z drugiej strony transmisja równoległa jest szybką metodą komunikacji, ze wszystkimi danymi dostępnymi przez cały czas w czasie rzeczywistym, bez opóźnień. Jest to również najprostsza metoda w przypadku enkoderów absolutnych jednoobrotowych.

Wyjścia szeregowe

Transmisja szeregowa jest prostszą i bardziej niezawodną metodę przesyłania danych. Jej przewaga nad równoległą wynika stąd, że dane są agregowane i wysyłane sekwencyjnie. Jest wprawdzie od niej wolniejsza, ale dzięki ograniczeniu liczby przewodów pozwala zredukować koszty. Działa też na większych odległościach. Z drugiej strony wyjście szeregowe łączy jedno urządzenie podrzędne (w tym przypadku enkoder) z jednym urządzeniem głównym (sterownikiem), co tworzy łącze punkt-punkt.

Nie jest to w związku z tym najlepsze rozwiązanie na przykład w wieloosiowych systemach sterowania ruchem, w których z centralną jednostką sterującą komunikuje się wiele enkoderów. W takiej sytuacji lepiej będzie połączyć je za pośrednictwem magistrali polowej. Generalnie transmisja szeregowa jest dobrym wyborem wówczas, gdy ze względów praktycznych liczba wyjść jest zbyt duża żeby skomunikować je równolegle, ale jednocześnie jest za mała, żeby uzasadniała transmisję przez sieć fieldbus albo protokoły komunikacyjne oparte na Ethernecie.

W enkoderach standardem jest kilka interfejsów szeregowych. Niektóre z nich, jak na przykład SSI (Serial Synchronous Interface), najbardziej powszechny, zwłaszcza w Europie i BiSS (Bidirectional Synchronous Serial Interface) są standardami typu open source, natomiast inne są zastrzeżone. Te drugie to m.in.: EnDat, opracowany przez firmę Heidenhain i Hiperface / Hiperface DSL, firmy Sick. Dalej przedstawiamy główne cechy tych czterech obecnie najpopularniejszych interfejsów szeregowych w enkoderach absolutnych.

Co wyróżnia interfejs SSI?

Jak sugeruje to nazwa standardu, SSI jest protokołem synchronicznym. To oznacza, że dane są przesyłane z enkodera do sterownika w sposób zsynchronizowany z sygnałem zegara, którego źródłem jest kontroler. Wyjście enkodera ma postać słowa kodowego w kodzie binarnym albo kodzie Graya, o standardowej długości 13 bitów w enkoderach jednoobrotowych albo 25 bitów w przypadku enkoderów wieloobrotowych.

Interfejs SSI jest prosty. Do komunikacji wykorzystywane są w nim dwie pary przewodów – zgodnie ze standardem RS- 422 są to: jedna skrętka dla różnicowej transmisji danych i jedna dla różnicowej transmisji sygnału zegarowego. Są także dwa przewody do zasilania enkodera. Częstotliwość zegara, to w zależności od długości kabla, maksymalnie 2 MHz (13 m), a minimalnie 80 kHz (750 m). Aby zapewnić integralność danych, niektóre enkodery z interfejsem SSI obsługują transmisję wielokrotną (wielościeżkową, ringshift), w której te same dane są wysyłane wiele razy i są ze sobą porównywane, aby potwierdzić ich zgodność.

BiSS VS SSI

Interfejs BiSS, jak SSI, również jest protokołem synchronicznym, w którym transmisja danych jest zsynchronizowana z sygnałem zegara, którego źródłem jest kontroler. W przeciwieństwie do niego, obsługującego wyłącznie komunikację jednokierunkową, w BiSS dopuszcza się jednak komunikację w dwóch kierunkach. To znaczy, że sterownik może nie tylko odczytywać, ale i zapisywać dane w pamięci enkodera. Dlatego wykorzystuje się dwa przewody do transmisji ze sterownika i dwa do transmisji z enkodera, plus dwa przewody do zasilania. Enkodery z interfejsem BiSS mogą także przesyłać dane na żądanie. Kolejną jego unikalną cechą w porównaniu z SSI jest to, że urządzenie nadrzędne wyznacza i kompensuje wszelkie opóźnienia transmisji.

Maksymalna częstotliwość zegara w BiSS to 10 MHz. Ponadto w tym standardzie do wykrywania błędów transmisji jest wykorzystywana suma kontrolna CRC. Jest to skuteczniejszą metodą zapobiegania przekłamaniom, niż wielokrotna transmisja zaimplementowana w SSI.

W przeciwieństwie do enkoderów z interfejsem SSI, modele z wyjściem BiSS można łączyć punkt-punkt, jak i za pośrednictwem magistrali.

W drugim przypadku dane ze wszystkich przetworników są synchronizowane z urządzeniem nadrzędnym jednocześnie. Warto także wspomnieć, że dostępne są enkodery z interfejsem BiSS dla aplikacji bezpieczeństwa do SIL3 zgodnie z normą IEC 61508.

Endat i Hiperface

Hiperface DSL (HIgh PERformance InterFACE Digital Servo Link) początkowo był zastrzeżonym interfejsem opracowanym przez firmę Sick. Od kilku lat jednak również inni producenci mogą go udostępniać w swoich produktach korzystając z licencji (w przeciwieństwie do jego poprzednika, standardu Hiperface, który pozostaje rozwiązaniem zastrzeżonym).

Hiperface DSL jest cyfrowym protokołem, który wykorzystuje tylko dwa przewody do komunikacji dwukierunkowej oraz zasilania enkodera, w jednym kablu z zasilaniem silnika. Zmniejsza to koszt okablowania oraz jego złożoność, szczególnie w przypadku systemów z wieloma serwonapędami. Pojedynczy kabel, a tym samym jedno złącze, jest również korzystnym rozwiązaniem w małych serwosilnikach, w których miejsca na połączenia elektryczne nie ma zbyt wiele. Wyniki pomiaru za pośrednictwem Hiperface DSL mogą być przesyłane cyklicznie lub synchronicznie z zegarem sterownika. Wyróżnikiem tego standardu jest natomiast dostępność kanałów do wymiany danych diagnostycznych i bezpieczeństwa (SIL3).

EnDat (Encoder Data), firmy Heidenhain, umożliwia synchroniczną, dwukierunkową transmisję, z wykorzystaniem czterech przewodów do komunikacji, dwóch do zasilania i dwóch dodatkowych (dla enenkoderów battery-buffered). Za jego pośrednictwem można zatem odczytywać, zapisywać i aktualizować dane w enkoderze, jak i również przesyłać na przykład informacje diagnostyczne do sterownika. Częstotliwość zegara to maksymalnie 2 MHz, choć dodatkowa kompensacja opóźnień propagacji pozwala na jej zwiększenie do 16 MHz. Podobnie jak BiSS i Hiperface DSL, EnDat też jest zgodny ze standardami bezpieczeństwa do SIL3.

Podsumowanie

Magistral fieldbus nie dotyczy ograniczenie standardów transmisji punkt-punkt, umożliwiają one bowiem równoczesną komunikację jednego sterownika (węzła master) z wieloma urządzeniami podrzędnymi (węzłami slave). Przykłady popularnych interfejsów implementowanych w enkoderach absolutnych zaliczanych do tej kategorii to: Profibus, CANopen, DeviceNet.

Producenci przetworników obrotów nie pozostają też w tyle, jeśli chodzi o wdrażanie w swoich enkoderach najnowszych technologii komunikacyjnych. Za taką uznawany jest Ethernet Przemysłowy, który wyróżnia determinizm czasowy transmisji. Przykładami interfejsów komunikacyjnych dostępnych w enkoderach absolutnych należących do tej kategorii są: EtherNet/IP, Ethernet Powerlink, EtherCAT, Profinet.

Monika Jaworowska