절대 인코더를 위한 통신 프로토콜 안내서

자동화는 현대 사회를 계속적으로 혁신하고 있습니다. 이는 산업 자동화 및 산업 4.0을 벗어나 상업 및 소비자 가전 영역을 포함하는 수준에 이르렀습니다. 여기서 IoT는 한때는 물리적인 작업이었지만 이제 점점 더 전기 기계적으로 수행되는 작업을 자동화함으로써 그 역할을 확대하고 있습니다.

매우 일반적으로, 전기 모터는 물리적 세계를 제어하는 방법을 제공합니다. 그러나, 대부분의 전기 모터는 상대적으로 기본적입니다. 즉, 일반적으로 위치에 대한 피드백을 제공하지 않습니다. 이는 간단히 부하를 이동하는 데 사용되는 저가형 모터의 경우에 특히 그렇습니다. 놀랍게도 여기에는 차량을 열고 시동하는 데 사용되는 키에 따라 위치를 자동으로 조정하는 카시트와 같은 비교적 정교한 응용 제품이 포함될 수 있습니다.

이러한 기본 모터에 시트의 위치와 시트를 조정하는 방법을 파악하는 데 필요한 '스마트 기능"을 제공하는 방법은 인코더를 사용하는 것입니다. 일부 모터에는 인코더가 포함되어 있지만, 인코더를 포함하지 않는 모터는 모터 샤프트의 외면에 맞도록 설계된 외부 인코더를 사용할 수 있습니다. 이러한 응용 제품에 사용되는 인코더의 유형은 다양하며 각각 동작을 감지하는 고유한 방법을 가지고 있습니다. 여기에는 물체가 광원의 앞을 지나갈 때 광 펄스를 계산하거나 자석이 교차 통과할 때 홀 효과에서 생성된 펄스를 계산하는 광 인코더가 포함될 수 있습니다.

Same Sky의 AMT 계열 절대 인코더와 같은 일부 인코더는 광 인코더에서 제공되는 고분해능과 자기 인코더의 견고성을 결합합니다. 이러한 인코더는 회전자에 연결된 플레이트에 의해 분리된 두 개의 플레이트인 송신기와 수신기를 사용하는 정전 용량 인코딩을 통해 이를 수행합니다. 중앙 플레이트가 회전함에 따라 송신기와 수신기 사이에 정전 용량 방식으로 전도되는 신호를 방해합니다. 간섭은 동작의 영향을 받지 않기 때문에 움직임이 없는 경우에도 회전자 플레이트의 절대 위치를 감지할 수 있습니다.

일반 응용 제품에서는 인코더가 모터의 속도를 감지하거나 회전 수에 따라 모터가 움직이는 위치를 해석해야 합니다. 또한 이동 방향을 감지해야 할 수도 있습니다. 위치가 보고되는 방식도 다를 수 있습니다. 위에서 언급된 바와 같이, 절대 회전식 엔코더는 회전자의 모든 정량화 가능한 위치에 대해 고유한 값을 제공하므로 이전 위치를 아는지 여부에 영향을 받지 않습니다. 이는 누군가가 차량에 탑승할 때와 같이 전력 주기 후 모터의 위치를 알아야 하는 응용 제품에 유용할 수 있습니다.

회전식 인코더에 사용되는 프로토콜

물리적 동작을 캡처하는 데 사용되는 방법이 무엇이든 정보는 컨트롤러로 전달되어야 합니다. 이는 원시 펄스를 가져와서 전송을 위한 프로토콜로 변환하는 다른 수준의 인코딩을 통해 달성됩니다.

물리적 연결은 프로토콜의 선택 및 작동 방식에 영향을 줍니다. 일반적으로 프로토콜은 클록 신호를 사용하는 동기식이거나 클록 신호가 없는 비동기식입니다. 또한, 물리적 연결은 단일 엔드형이거나 추가적인 견고성을 제공하기 위해 차동형일 수 있습니다. 이러한 조합은 4가지의 가능한 대안을 제공하며 이를 포괄하는 가장 일반적인 프로토콜은 직렬 주변 기기 인터페이스(SPI, 단일 엔드, 동기식), RS-485(TIA/EIA-485라고도 함, 차동, 비동기식), 동기식 직렬 인터페이스(SSI, 차동, 동기식)입니다ㅏ.

프로토콜은 여러가지 이유로 선택됩니다. 우선 한 가지 이유는 프로토콜은 상호 운용성을 제공하지만 특히 산업용 모터 제어와 같이 전기적으로 잡음이 많은 응용 제품에서 통신 채널의 견고성을 향상시킵니다. 그러나 이는 주어진 응용 제품에 가장 적합한 프로토콜이 무엇인지에 대한 질문을 제기합니다. 다행히 AMT 계열에는 위에서 언급한 세 가지 프로토콜을 모두 제공하는 모델이 포함되어 있습니다. 따라서, 선택 과정을 돕기 위해 상대적인 속성을 완전히 이해할 수 있도록 각각에 대해 좀 더 자세히 살펴보는 것이 유용합니다.

SPI 버스

동기식 버스로서 SPI 버스의 연결 중 하나는 전용 클록 신호(SCLK)입니다. 이 프로토콜은 또한 마스터 장치 및 슬레이브 장치를 위한 전용 연결 덕분에 전이중 작동을 지원합니다. 모든 데이터 교환이 클록 신호에 의해 조정되므로 마스터 장치와 슬레이브 장치는 데이터 전송률 또는 메시지 길이와 같은 파라미터를 먼저 협상하지 않고도 통신할 수 있습니다. 각 슬레이브 장치에는 칩 선택 핀(그림 1)이 있어, 마스터 장치가 지정된 시간에 통신하는 장치를 제어할 수 있습니다.

한 예로 AMT22 계열은 2MHz 클록 신호에서 작동하도록 구성할 수 있는 SPI 인코더를 갖추고 있습니다. 즉, 마스터 장치가 요청하면 인코더는 1500ns 내에 현재 위치로 응답할 수 있습니다. SPI 프로토콜의 배선 구성도 역시 각 장치의 마스터 출력, 슬레이브 입력(MOSI) 및 마스터 입력, 슬레이브 출력(MISO)에 대한 전용 연결 덕분에 간단합니다. 이러한 연결 각각은 그림 1과 같이 함께 배선되며 마스터 장치에는 개별 칩 선택 핀에 대한 전용 연결이 있습니다.

그림 1: SPI 프로토콜은 칩 선택을 위한 전용 연결과 함께 클록 및 데이터를 위한 공통 연결을 사용합니다. (이미지 출처: Same Sky)

단일 엔드 버스인 SPI 프로토콜은 고속 클록을 사용하는 경우 약 1미터 이하의 비교적 짧은 거리를 연결하는 데 적합합니다. 클록 속도가 감소하는 경우 이 거리를 연장하여 신호 무결성을 유지할 수 있습니다. 따라서 SPI 프로토콜은 다목적성이 매우 뛰어나고 여러 응용 분야에 적합합니다.

RS-485 버스

응용 제품이 1미터 이상의 거리에 사용되거나 환경에 상당한 양의 전기적 잡음이 존재하는 경우 차동 버스가 더 나은 옵션일 수 있습니다. 차동 신호가 본질적으로 단일 엔드 신호보다 더 강력하기 때문입니다. 견고성을 향상시킬 수 있는 또 다른 기술은 버스에서 깨끗한 클록 신호에 대한 필요성을 제거하는 것입니다. 이 경우 RS-485 버스 및 관련 프로토콜이 적절한 선택이 될 수 있습니다.

RS-485 인터페이스는 연선 케이블링을 사용하며 케이블의 각 끝에 적절한 종단이 필요합니다(차동이기 때문에). 그러나 이 비동기식 인터페이스는 버스에 전용 클록 신호가 없으므로 두 개의 컨덕터만 필요하며(그림 2) 10Mb/s 이상의 데이터 전송률에 도달할 수 있습니다. 이 버스는 여러 연결을 지원하지만 각각을 종단하고 임피던스를 케이블에 맞춰야 합니다. 성능을 유지하기 위해 각 장치는 가능한 가장 짧은 케이블 길이를 사용하여 버스에 연결해야 합니다.

AMT21 계열은 RS-485 버스/프로토콜을 사용하며 연선의 경우 단 2개의 연결이 필요하고 전력의 경우 추가적으로 2개의 연결이 더 필요합니다. 모든 장치는 비동기식이므로 프로토콜이 구성되는 방식을 인식해야 하며 기본적으로 AMT21 계열은 8N1을 사용합니다. 8N1은 데이터 비트 8개, 패리티 없음, 정지 비트 1개를 의미합니다. 이 구성에서는 6개의 최상위 비트가 주소로 사용됩니다. 즉, 하나의 연결이 최대 64개의 개별 주소 지정 장치를 지원할 수 있습니다. 2개의 최하위 비트는 명령에 사용됩니다. 위치 데이터를 제공하라고 지시될 경우 AMT21 계열은 3마이크로초 내에 응답할 수 있습니다. 인코더를 재설정하고 제로 위치를 설정하라는 지침도 있습니다.

그림 2: RS-485 프로토콜은 단일 연선에서 여러 장치를 지원합니다. (이미지 출처: Same Sky)

SSI 버스

표준 구성에서 SSI 버스는 데이터를 위한 차동 쌍과 함께 클록 신호를 전달하는 차동 쌍이 추가된, RS-485 버스의 확장으로 볼 수 있습니다. 즉, 표준 SSI 인터페이스는 클록 및 데이터를 위해 2개의 차동 쌍 또는 4개의 연결을 사용합니다. Same Sky는 차동 측면을 제거하고 칩 선택 핀을 추가하여 이 설계에 대한 변형을 개발했습니다. 이를 통해 연결당 핀 수를 4개에서 3개로 줄이면서 전용 칩 선택의 편의성을 증대했습니다(그림 3).

이 변형은 칩 선택을 지원하는 SSI 컨트롤러와 호환되며 SPI와 유사한 성능 수준을 제공합니다. Same Sky의 AMT23 계열은 이 SSI 변형을 사용하며 그림 3에 표시된 것처럼 구성할 수 있습니다.

그림 3: 이 SSI 변형은 더 적은 전선을 필요로 하지만 칩 선택을 지원합니다. (이미지 출처: Same Sky)

결론

자동화 사용은 계속 증가하고 있습니다. 전기 모터에 맞게 설계된 절대 인코더는 자동화 응용 분야에서 더 세부적인 제어를 제공합니다. Same Sky에서 개발되었으며 AMT 계열로 제공되는 정전 용량 인코딩 기술은 각각 고유한 기능과 혜택을 가진 세 가지 통신 프로토콜을 사용합니다. 이를 통해 엔지니어는 응용 분야에 가장 적합한 기술을 선택할 때 더 자유롭게 설계할 수 있습니다.