통신 프로토콜:인코더 애플리케이션을 위한 옵션 검토

이 기사에서는 모터의 로터 샤프트를 지속적으로 정확하게 추적하기 위해 인코더를 사용하는 방법과 인코더 선택에 도움이 되는 핵심 요소에 대해 설명합니다. 다른 매개변수를 기반으로 합니다.

로봇, 산업용 드라이브, 공장 자동화 시스템, 재생 가능 에너지 생성 현장 등에서 모터 사용이 증가하고 전력 효율이 더 높은 작동에 대한 요구가 증가함에 따라 최근 몇 년 동안 로터리 엔코더 사용이 크게 증가했습니다. 이 주제에 대한 Insight Partners의 최근 보고서에서 분석 회사는 전체 인코더 시장이 지금부터 2027년 사이에 전 세계 매출 수치에서 10.2%의 CAGR(연간 복합 성장률)을 경험할 것으로 예측합니다. 결과적으로 이 시장은 그 기간이 끝날 때까지 연간 34억 5천만 달러의 가치가 있습니다.

모터의 작동 효율성 수준을 최대화하려면 로터 샤프트를 지속적으로 정확하게 추적해야 합니다. 이렇게 하면 회전자의 위치와 이동 속도 및 방향에 대한 일정한 데이터를 얻을 수 있습니다. 이러한 기능은 시스템 설계에 어떤 형태의 인코더를 포함하여 달성할 수 있습니다. 그러나 지정할 인코더의 특성을 결정하기 전에 일련의 응용 프로그램 또는 물류 요구 사항을 고려하여 이 결정에 영향을 미칠 핵심 요소를 이해해야 합니다.

절대 또는 증분?

인코더를 선택할 때 사용할 수 있는 몇 가지 옵션이 있습니다. 증분형은 기준점을 기준으로 위치를 결정하는 데 도움이 되는 반면 앱솔루트 엔코더는 각 잠재적인 로터 위치에 고유한 코드를 할당합니다(그림 1).

증분형 엔코더가 더 저렴하고 구현이 간단하지만 앱솔루트 엔코더는 이와 관련된 명확한 운영상의 이점이 있습니다. 앱솔루트 엔코더 사용의 가장 주목할만한 이점은 즉각적인 응답(특정 코드를 식별하기만 하면 되므로)이 있다는 사실입니다. 사용을 통해 시스템이 활성화되자마자 로터 위치를 결정할 수 있습니다. 이는 안전이 중요한 애플리케이션 시나리오에서 특히 유리합니다.

그림 1. 앱솔루트 엔코더의 각 잠재적 로터 위치에는 고유 코드가 있습니다.

어떤 인코더 유형을 사용해야 합니까?

인코딩 메커니즘이 구현될 수 있는 여러 다른 방법도 있습니다. 종종 광학 감지가 사용됩니다. 그러나 먼지, 그리스 또는 오일이 있으면 인코더 디스크의 일부가 가려져 함께 제공되는 포토 센서가 올바른 결과를 얻기 어려울 수 있기 때문에 특히 과중한 산업 환경에서는 특정 단점이 있습니다. 충격이나 진동에 지속적으로 노출되면 디스크가 손상되어 교체해야 할 수도 있습니다. 반복적이고 시간 소모적인 프로세스가 될 수 있는 정확한 정렬도 필요합니다.

자기 엔코더는 광학 엔코더를 손상시키는 가시선 문제를 제거하지만 고유한 단점이 있습니다. 그들은 상대적으로 전력을 많이 소비하고 고해상도를 지원할 수 없습니다. 이러한 이유 때문에 CUI Devices의 AMT 시리즈에 포함된 것과 같은 정전용량 앱솔루트 엔코더가 현재 많은 관심을 받고 있습니다. 이 정전식 인코더는 먼지, 오물 및 그리스의 존재에 민감하지 않습니다.

이와 함께 진동과 극한의 온도에 대한 강한 회복력을 가지고 있습니다. 광학 인코더와 달리 기계적 마모가 적기 때문에 길고 문제 없는 작업 수명으로 지속적인 신뢰성을 제공합니다. 동시에, 자기적 등가물보다 훨씬 더 높은 정확도를 제공할 수 있습니다(그림 2).

그림 2. 정전 용량, 광학 및 자기 인코더용 인코더 디스크 비교

인코더 통합

인코더 메커니즘을 결정한 후 해결해야 하는 다음 요소는 인코더를 호스트 시스템과 인터페이스하는 것입니다. 사용할 수 있는 인터페이스 프로토콜은 매우 다양합니다. 따라서 가장 적절한 옵션을 선택하려면 이들 간의 차이점을 이해하는 것이 중요합니다.

직렬 인터페이스는 일반적으로 산업 시스템의 통신에 사용됩니다. RS-485, 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI) 및 동기 직렬 인터페이스(SSI)는 이러한 프로토콜 중 가장 눈에 띄는 것입니다.

SPI는 전이중 동작을 지원할 수 있는 양방향 인터페이스를 제공합니다. SPI 포트가 직접 통합된 호스트 MCU(마이크로컨트롤러 장치)가 많기 때문에 인코더 시스템을 구현하기 위한 편리한 수단이며 시간과 노력을 최소화합니다. 높은 데이터 속도를 지원할 수 있으며 이 속도도 쉽게 조정할 수 있습니다.

관련된 상호 연결 거리가 비교적 짧을 때(이상적으로는 1미터 미만) SPI를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 더 먼 거리도 수용할 수 있지만 수용 가능한 잡음 내성을 유지하려면 데이터 속도를 줄여야 합니다. CUI Devices의 AMT22 시리즈는 최대 클럭 속도가 2MHz인 SPI 인코더 중 하나입니다. 요청 시 인코더는 호스트 마이크로컨트롤러에 1500ns 이내의 매우 빠른 위치 피드백을 제공할 수 있습니다. SPI 연결을 통해 확장 명령을 사용하여 영점을 설정하거나 인코더를 재설정할 수도 있습니다.

그림 3. 공유 클록 신호, MOSI 및 MISO와 고유한 칩 선택 라인을 사용한 SPI 구성의 예

SPI보다 더 긴 상호 연결 거리에 더 적합하거나 상당한 전기적 노이즈가 존재하는 상황에서 사용하려면 RS-485가 또 다른 옵션입니다. 이것은 비동기 인터페이스 프로토콜이므로 클록 신호가 필요하지 않습니다. 차동 신호는 공통 모드 잡음 제거를 가능하게 하고 강력한 잡음 내성을 제공하므로 전자기 간섭(EMI)이 만연한 극도로 까다로운 환경에 배포할 수 있습니다.

SPI와 달리 거리를 확장할 때 데이터 전송률을 억제할 필요가 없습니다. 전용 RS-485 트랜시버를 사용하면 데이터가 트위스트 페어 케이블을 통해 이동해야 하는 거리에 따라 통신 속도가 10Mbps 이상에 도달할 수 있습니다. 그런 다음 케이블은 특성 임피던스와 동일한 저항으로 각 끝에서 종단됩니다.

RS-485의 또 다른 주요 이점은 여러 인코더를 모두 하나의 버스에 연결할 수 있다는 것입니다(그림 4). RS-485 기술 기반 구현을 위해 AMT21 인코더가 솔루션을 제공합니다. 8개의 데이터 비트, 패리티 없음 및 1개의 정지 비트의 기본 프로토콜은 2개의 하위 비트가 인코더 명령을 정의하고 나머지 6비트는 인코더 주소로 사용하도록 하여 작동합니다. 이는 최대 64개의 인코더가 동일한 버스를 공유할 수 있음을 의미하므로 복잡한 대규모 구현에서 이점을 제공합니다. AMT21 인코더는 또한 3µs 기간 내에 호스트의 포지셔닝 요청에 응답할 수 있습니다.

그림 4. 호스트에 연결된 여러 인코더를 특징으로 하는 RS-485 구성의 예

SSI를 통해 전송된 데이터는 공통 클록 신호를 참조하는 송신기와 수신기 모두에 의해 동기화됩니다. 이 단방향 단방향 통신 프로토콜은 차동 신호에 의존하며 매우 비용 효율적인 인터페이스 솔루션을 제공합니다. SPI와 유사한 인터커넥트 길이를 처리할 수 있으며 노이즈 성능 특성도 비슷합니다.

CUI Devices의 AMT23 시리즈는 SSI가 선택된 인터페이스인 상황에서 솔루션을 제공합니다. CUI Devices의 표준 SSI 프로토콜 변형은 칩 선택 연결을 통합하는 3선 SSI 인터페이스와 함께 제공되어 설치를 간소화하고 호스트와 인코더 간의 인터페이스를 간소화합니다. 칩 선택 기능을 통해 호스트는 버스의 특정 개별 인코더를 활성화할 수 있으며 인코더는 버스에 위치 데이터를 입력하여 응답합니다.

그림 5. 칩 선택 기능이 있는 3선 SSI 구성

결론

CUI Devices에서 제공하는 광범위한 용량성 앱솔루트 엔코더 포트폴리오와 이러한 장치가 지원하는 인터페이스 기술의 배열을 통해 엔지니어는 특정 애플리케이션 요구 사항에 맞는 솔루션을 찾을 수 있습니다. 연결 거리가 길거나 소음 수준을 완화해야 하는 상황에서는 RS-485 인터페이스를 사용하는 것이 좋습니다.

간단한 구현이 우선순위라면 SPI 인터페이스 기능이 있는 인코더가 좋은 옵션입니다. 이는 다양한 반도체 공급업체의 MCU가 지원한다는 사실에 의해 뒷받침됩니다. 비용을 최소화하고 공간을 거의 차지하지 않고 시스템 배포를 최대한 간소화해야 하는 경우 SSI가 올바른 방법일 수 있습니다.

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