Простой интерфейс с аналоговыми и цифровыми датчиками положения (энкодерами) для систем управления промышленными приводами

Брайан Фортман (Brian Fortman)

Введение

Во многих аспектах разработчики систем управления промышленными приводами, таких как робототехническое оборудование и другие прикладные системы, где используются серводвигатели и бесщёточные электродвигатели, вынуждены тратить достаточно много времени и усилий на разработку, интегрирование и испытания множества компонентов, обеспечивающих управление и связь — тех «связующих» элементов, на которых строятся их системы.

Это может создавать много проблем, например увеличение продолжительности циклов разработки, увеличение площади плат или суммарной стоимости ведомости комплектующих и материалов (ВКМ). Ввиду вышеуказанного эти разработчики не могут сосредоточиться на характеристиках, которые выделили бы их разработки на фоне других, таких как улучшенные эксплуатационные параметры, более высокая точность и усовершенствованные контуры управления.

Конкретным примером этого может служить задача организации интерфейса микроконтроллеров (МК) с энкодерами. Такие энкодеры могут быть линейными, угловыми или многоосными, и обычно они используются для определения относительного или абсолютного положения механической системы в движении, приводимой в действие электромотором. Затем определённое положение преобразуется в аналоговый или цифровой электрический сигнал для передачи в контур управления.

Традиционно организация интерфейса энкодера с МК может становиться задачей, требующей большого времени, которая часто включает в себя интеграцию протокола связи в программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) или программирование дополнительного МК с протоколами декодирования. Кроме того, ситуация осложняется тем, что существует множество протоколов энкодеров, каждый из которых подходит для определённых типов функций и подсистем. Коллектив разработчиков системы может быть вынужден разработать несколько ПЛИС под конкретные протоколы, которые затруднительно эффективно переносить с одной прикладной системы на другую. Конечно, такая реализация ПЛИС увеличит стоимость системы, расширив ВМК электронных комплектующих системы, потребовав больше места на платах и увеличив продолжительность циклов разработки. Более того, разработчики также должны провести большой объём испытаний на соответствие, чтобы подтвердить соответствие промышленным стандартам.

Эта ситуация требует решения, которое упростило бы организацию интерфейса энкодеров с элементами управления в системах промышленных приводов и тем самым позволило бы разработчикам сосредоточить свои усилия на характеристиках и функциональных возможностях, которые сделали бы их системы действительно отличными от аналогичных систем, а также повысили их конкурентоспособность в соответствующем сегменте рынка.

Интеграция обратной связи по положению

На основе линейки микроконтроллеров C2000™ Delfino™ корпорация Texas Instruments предлагает комплексную платформу для промышленных приводов и систем управления. Микроконтроллеры F28379D и F28379S семейства C2000 Delfino™ оснащены полным комплектом встроенных в микросхему ресурсов, начиная с возможностей обработки, которые требуются сложным и точным системам управления, и включая технологию управления датчиками положения DesignDRIVE Position Manager, которая поддерживает самые распространенные на сегодня серийные интерфейсы аналоговых и цифровых энкодеров (рисунок 1). Это освобождает разработчиков систем от решения многих достаточно общих, повторяющихся задач, сокращая время, требуемое для разработки.

 Подробная структура двухъядерного микроконтроллера F28379D C2000™

Рисунок 1. Подробная структура двухъядерного микроконтроллера F28379D C2000™ с технологией DesignDRIVE Position Manager

Корпорация TI обладает обширным опытом и знаниями в области организации интерфейса энкодеров с цифровыми контроллерами. Начав с автономных решений для интерфейса круговых датчиков положения с цифровыми устройствами, таких как TMDSRSLVR, TI продолжила работу, добавив в свои изделия поддержку интерфейса обратной связи по положению. На смену дорогим микросхемам интерфейса круговых энкодеров с цифровыми устройствами пришли микроконтроллеры C2000 с их реализованными на кристалле функциональными возможностями, в полной мере использующие высокоэффективные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Более того, мощный аппарат математической обработки тригонометрических функций микропроцессоров C2000 особенно хорошо подошёл для дополнительной обработки, необходимой для расчёта углов и извлечения информации о скорости с высоким разрешением из амплитудно-модулированных синусоидальных сигналов круговых датчиков положения.

Многие микроконтроллеры C2000 поддерживают расширенные модули импульсных квадратурных энкодеров (eQEP), которые способны обеспечивать интерфейс с линейными или круговыми инкрементными энкодерами. Такие энкодеры подсчитывают импульсы, чтобы получить информацию о положении (если известен коэффициент пересчёта), направлении движения и скорости от вращающихся машин, используемую в высокоэффективных системах управления движением и положением. Кроме того, можно использовать eQEP (расширенные модули импульсных квадратурных энкодеров) для интерфейса с сигналами выходов пачек импульсов (ВПИ), которые обычно формируют на своих выходах программируемые логические контроллеры (ПЛК) в системах промышленной автоматизации для управления движением. eQEP также могут обеспечивать интерфейс с сигналами вращения по часовой/против часовой стрелки (CW/CCW). Сигналы CW/CCW обычно используются в сочетании с шаговыми двигателями или сервоприводами для управления электродвигателями или другим аппаратным обеспечением, связанным с движением. Микроконтроллеры C2000 F28379 поддерживают до трёх модулей eQEP.

Возможности круговых энкодеров и QEP обеспечивают быстрые, эффективные и интегрированные решения для эффективной организации интерфейса энкодеров с микроконтроллерами C2000 Delfino™. Следующим шагом стало расширение этой поддержки дополнительными решениями, которые позволили бы микроконтроллеру напрямую устанавливать соединения с более совершенными цифровыми и аналоговыми энкодерами.

Технология управления положением

Технология управления положением, доступная на платформе DesignDRIVE, использует преимущества аппаратных ресурсов, реализованных на кристалле микросхемы микроконтроллеров F28379S и F28379D семейства C2000 Delfino™ для интерфейса с наиболее распространёнными цифровыми и аналоговыми датчиками положения. Обладая встроенной поддержкой инкрементных датчиков положения (eQEP), сигналов CW/CCW и автономных решений для круговых энкодеров, технология Position Manager добавляет решения для аналогового определения положения, объединяя функции возбуждения и измерения кругового датчика положения, а также управления синусно-косинусными датчиками. Уникальная для микроконтроллеров C2000 технология Position Manager сочетает поддержку аналоговых датчиков с широко используемыми цифровыми абсолютными энкодерами, EnDat 2.2 и BiSS-C, предоставляя разработчикам систем широкий выбор типов энкодеров (рисунок 2).

 Технология DesignDRIVE Position Manager поддерживает ведущие аналоговые и цифровые энкодеры

Рисунок 2. Технология DesignDRIVE Position Manager поддерживает ведущие аналоговые и цифровые энкодеры



 Пример решения для EnDat 2.2: наложение уровней и ПЛИС

Рисунок 3. Пример решения для EnDat 2.2: наложение уровней и ПЛИС

Эта интегрированная технология Position Manager дает разработчикам систем реальную возможность ускорить циклы разработки и снизить стоимость ВКМ, избавив от необходимости организации в ПЛИС интерфейса конкретного энкодера с микроконтроллером или значительно сократив размер ПЛИС, освободив место, которое может быть необходимо для реализации других функций. Приведенная ниже иллюстрация показывает, как технология Position Manager освобождает разработчиков систем от нагрузки, связанной с разработкой драйверов программного обеспечения высокого и низкого уровней, а также всякого специализированного аппаратного обеспечения и логики, которые ранее, возможно, требовалось бы реализовывать в навесной ПЛИС. Кроме того, примерные проекты управления по замкнутому контуру на основе датчиков положения, загружаемые с DesignDRIVE, можно изменять, чтобы интегрировать их в проекты заказчика. Нижние уровни системы реализуются на кристалле или с помощью эталонных разработок и готовой библиотеки модулей интерфейса прикладного программирования (API).

Помимо сокращения времени, которое требуется на разработку, технология Position Manager также уменьшает объём испытаний на соответствие и функциональную совместимость, которые изготовители систем должны были проводить в прошлом. Технология Position Manager прошла испытания в полном объёме с различными датчиками. Более того, будущие изменения и обновления действующих стандартов также будут поддерживаться технологией Position Manager.

Новые возможности организации интерфейса с энкодерами

Имея в качестве отправной точки богатый опыт в области технологий обратной связи по положению, TI смогла расширить свои решения для интерфейса с энкодерами, улучшив их возможности и рабочие характеристики.

Ниже приведены несколько новых добавлений к возможностям изделий Texas Instruments, реализованных благодаря технологии DesignDRIVE Position Manager.

Синусно-косинусные сигналы

Синусно-косинусные сигналы — это способ обратной связи, который встроен в интерфейсы круговых энкодеров, таких как Hiperface®, а также в другие фирменные интерфейсы. Эти так называемые синусоидальные абсолютные энкодеры обычно обеспечивают намного большее разрешение по положению и скорости, чем круговые или инкрементные энкодеры. В обычных квадратурных энкодерах информация об угле получается путём подсчёта фронтов пары квадратурных импульсов. Разрешение по углу фиксировано и зависит от количества импульсов на один механический поворот. Но в синусно-косинусных датчиках точность измерения угла повышается за счёт расчёта угла между фронтами с использованием взаимосвязи в паре синусного и косинусного выходов датчика (рисунок 4).

 Промышленный сервопривод с интерфейсом синусно-косинусного энкодера

Рисунок 4. Промышленный сервопривод с интерфейсом синусно-косинусного энкодера

Фактически проводится интерполяция между фронтами для получения «точного» угла. Точный угол вычисляется с помощью арктангенса двух синусоидальных входов. Чтобы этот расчёт имел смысл, отсчёты с обоих входов необходимо брать одновременно. Обычно на каждый механический оборот вала датчика положения приходится несколько тысяч электрических оборотов синусоидальных сигналов.

Внутренняя аналоговая подсистема микроконтроллеров F28379 Delfino™ идеально подходит для интерфейса с синусно-косинусными датчиками. Наличие нескольких АЦП, которые могут включаться от одного и того же источника, позволяет проводить одновременное измерение в обоих входных каналах. Кроме того, микроконтроллеры F28379 имеют собственную команду взятия арктангенса (ARCTAN) в математическом блоке тригонометрических функций (TMU), что означает, что вычисление угла может быть выполнено всего за 70 нс!

Другой аспект связан с состоянием, когда вал электродвигателя вращается с высокой скоростью. В этом случае точная информация об угле больше не нужна, и алгоритм измерения должен лишь подсчитывать количество полных синусоидальных оборотов для «грубого» измерения угла. Обычно это осуществляется с помощью пары аналоговых компараторов, которые сравнивают входящие синусоидальные сигналы с порогом, соответствующим точке перехода через нуль. Выходы компараторов соответствуют знаку каждой из синусоид, а получаемые в результате цифровые сигналы аналогичны тем, что формирует квадратурный энкодер. В микроконтроллерах F28379 имеется до восьми пар аналоговых компараторов, каждый со своим собственным программируемым пороговым напряжением. Это позволяет формировать квадратурные импульсы, которые затем подаются внутри микросхемы на один из периферийных модулей квадратурных датчиков (QEP), реализованных на кристалле, для грубого измерения угла и скорости.

EnDat

EnDat — это цифровой двунаправленный четырёхпроводной интерфейс, разработанный немецкой компанией HEIDENHAIN. Датчик с кодером EnDat может передавать значения положения, передавать и обновлять информацию, хранящуюся в кодере, или сохранять информацию. Данные отправляются вместе с тактовыми сигналами. Микроконтроллер C2000 может выбрать тип данных, которые будет передавать датчик, включая значения положения, параметры, диагностическую информацию и прочее.

Технология Position Manager позволяет организовать интерфейс микроконтроллера C2000 F28379 напрямую с датчиком EnDat (рисунок 5). Единственными навесными элементами микроконтроллера являются два трансивера RS-485 и схема питания энкодера. Ведущее устройство EnDat реализуется с помощью конфигурируемого логического блока микроконтроллера C2000, где обрабатывается протокол связи.

 Промышленный сервопривод с интерфейсом энкодера EnDat 2.2

Рисунок 5. Промышленный сервопривод с интерфейсом энкодера EnDat 2.2

Технология Position Manager прошла испытания с рядом круговых, линейных и многооборотных энкодеров производства HEIDENHAIN при разрешениях от 13 до 35 бит на расстояниях 70 метров и более.

BiSS-C

Цифровой интерфейс с открытым исходным кодом BiSS (двунаправленный/последовательный/синхронный) основан на протоколе связи в реальном времени. Первоначальная спецификация была разработана немецкой компанией iC-Haus GmbH. В промышленных системах используется режим «BiSS-непрерывный» (BiSS-C). Спецификация имеет в своей основе синхронный последовательный интерфейс (SSI). Интерфейс BiSS-C состоит из двух однонаправленных или двунаправленных линий для тактовых сигналов и данных.

Как и во всех интерфейсах, поддерживаемых технологией Position Manager, ведущее устройство BiSS-C, работающее в микропроцессоре C2000 F28379, не может подключаться напрямую к ведомому кодеру BiSS-C в энкодере (рисунок 6). Интерфейс передает значения положения и дополнительную информацию прямо с кодера в микроконтроллер. Микроконтроллер способен считывать и записывать данные напрямую во внутреннюю память кодера. Технология Position Manager корпорации Texas Instruments включает в себя библиотеку BiSS-C с богатым набором возможностей, которую разработчики систем могут легко использовать в разрабатываемых ими проектах. Например, тактовые частоты диапазона 8 МГц поддерживаются в кабелях длиной до 100 метров. Кроме того, интерфейс BiSS микроконтроллера C2000 можно настроить на усовершенствованное управление модульными функциями и тактированием с передачей информации о положении от энкодеров в каждом цикле управления.

 Промышленный сервопривод с интерфейсом энкодера BiSS-C

Рисунок 6. Промышленный сервопривод с интерфейсом энкодера BiSS-C

Реализованные на кристалле системы управления промышленными приводами

Мощные и программируемые микроконтроллеры, такие как микроконтроллеры F28379 семейства C2000 Delfino производства TI, представляют собой следующий шаг к реализации на кристалле (SoC) систем управления промышленными приводами. Они открывают возможность построения более эффективных и продуктивных архитектур систем, избавляя от необходимости иметь навесную ПЛИС для удовлетворения дополнительных потребностей в обработке или значительно уменьшая размер этой ПЛИС.

В настоящее время корпорация Texas Instruments предпринимает следующий шаг, чтобы помочь разработчикам систем промышленных приводов создавать высокодиф-ференцированные продукты, отличающиеся меньшими временами задержки, более высоким разрешением и более мощными ресурсами для обработки данных. Этот шаг предполагает упрощение интерфейса микроконтроллеров с энкодерами с использованием технологии Position Manager.

Сделав возможным прямое соединение между микроконтроллером C2000 и энкодером, технология Position Manager освобождает разработчиков от решения рутинных задач обеспечения связи устройств, так что они получают возможность сосредоточиться на функциях и возможностях, которые сделают их системные решения действительно отличными от других, имеющихся на рынке, со значительными конкурентными преимуществами.

Литература

  1. Simple interfacing to analog and digital position sensors for industrial drive control systems (SPRY295), 2016 г.