Schwerpunkte

Motorsteuerungs-Encoder-Anwendungen

Für eine bessere Datenkommunikation

04. Dezember 2017, 12:02 Uhr   |  Von Richard Anslow und Jens Sorenson


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

EMV-Verhalten

Die Einkopplung von elektromagnetischen Störungen in die exponierten RS-485-Stecker und die Verkabelung zwischen Encoder und Motorantrieb ist eine häufige Gefahrenquelle.

Der System-Level-Standard IEC 61800-3 verlangt bezüglich der EMV-Immunität für elektrische Antriebe mit anpassbarer Drehzahl gemäß IEC 61000-4-2 einen minimalen EMV-Schutz von ±4 kV bei Kontakt- und ±8 kV bei Luftentladung. Der ADM3065E erreicht einen EMV-Schutz nach IEC 61000-4-2 von ±12 kV bei Kontakt- und ±12 kV bei Luftentladung.

Bild 3 zeigt den Verlauf des 8-kV-Kontaktentladestroms gemäß IEC-61000-4-2-Standard gegenüber dem Verlauf des Entladestroms beim 8-kV-Human-Body-Modell (HBM).

Bild 3. ESD-Verlauf bei 8 kV Kontaktentladung gemäß IEC 61000-4-2 gegenüber 8 kV gemäß Human-Body-Modell.
© Analog Devices

Bild 3. ESD-Verlauf bei 8 kV Kontaktentladung gemäß IEC 61000-4-2 gegenüber 8 kV gemäß Human-Body-Modell.

Aus dem Bild wird ersichtlich, dass die beiden Standards unterschiedliche Verläufe und verschiedene Spitzenströme aufweisen. Der Spitzenstrom beim 8-kV-Impuls nach IEC 61000-4-2 beträgt 30 A, während der Spitzenstrom beim HBM mit 5,33 A weniger als fünfmal so niedrig ist. Ein weiterer Unterschied sind die voneinander abweichenden Anstiegszeiten der Spannungsspitze, wobei IEC 61000-4-2 ESD mit 1 ns einen wesentlich schnelleren Anstieg zeigt als der HBM-ESD-Verlauf mit 10 ns.

Der HBM-ESD-Standard verlangt, dass das zu testende Gerät (Equipment Under Test, EUT) drei positiven und drei negativen Entladungen ausgesetzt wird. Der IEC-ESD-Standard hingegen schreibt Tests mit jeweils zehn positiven und negativen Entladungen vor. Der ­ADM3065E, der die ESD-Spezifikationen nach IEC 61000-4-2 erfüllt, eignet sich im Vergleich zu anderen RS-485-Trans­ceivern mit variierendem HBM-ESD-Schutz besser für den Betrieb in rauen Umgebungen.

EnDat-Kommunikationsprotokoll

Für Encoder kommen eine Reihe von Kommunikationsprotokollen zum Einsatz, darunter EnDat, BiSS, Hiperface und Tamagawa. Trotz ihrer Unterschiede weisen die Encoder-Kommunikationsprotokolle Ähnlichkeiten hinsichtlich der Implementierung auf. Bei den Schnittstellen der Protokolle handelt es sich um serielle bidirektionale Pipes, die den elektrischen Spezifikationen nach RS-422 oder RS-485 entsprechen.

Während es Gemeinsamkeiten auf Hardware-Ebene gibt, benötigt jedes Protokoll eine andere Software. Der Kommunikations-Stack und der erforderliche Applikations-Code sind protokollspezifisch. In diesem Beitrag wird speziell die Hard- und Software-Implementierung der Master-Seite einer EnDat-2.2-Schnittstelle betrachtet.

Auftretende Verzögerungen

Verzögerungen lassen sich in zwei Kategorien einteilen. Erstens gibt es die Transportverzögerung der Leitungen, zweitens die Laufzeitverzögerung der Transceiver.

Die Lichtgeschwindigkeit und die dielektrische Konstante des Leitungsmaterials bestimmen die Verzögerung auf der Leitung, die typischerweise bei 6 bis 10 ns/m liegt. Wenn die gesamte Verzögerung eine halbe Taktperiode übersteigt, unterbricht die Kommunikation zwischen Master und Slave. An dieser Stelle hat der Entwickler die folgenden Möglichkeiten:

1. Verringerung der Datenrate
2. Verzögerung reduzieren
3. Verzögerungskompensation auf der Master-Seite

Möglichkeit 3 kompensiert sowohl Leitungs- als auch Transceiver-Verzögerungen und ist daher eine effiziente Möglichkeit, die sicherstellt, dass das System mit hohen Taktraten auf langen Verbindungsleitungen arbeiten kann. Der Nachteil ist, dass die Verzögerungskompensation die Systemkomplexität erhöht.

In Systemen, bei denen eine Verzögerungskompensation nicht möglich ist oder in Systemen mit kurzen Verbindungsleitungen, ist der Wert vom Einsatz von Transceivern mit kurzer Laufzeitverzögerung offensichtlich. Eine kurze Laufzeitverzögerung ermöglicht höhere Taktraten, ohne das System mit Verzögerungskompensation auszustatten.

Master-Implementierung

Eine Master-Implementierung besteht aus einer seriellen Schnittstelle und einem Kommunikations-Stack. Da die Encoder-Protokolle den Vorgaben für Standard-Schnittstellen nicht entsprechen, können die Peripheriefunktionen der meisten General-Purpose-Mikrocontroller nicht verwendet werden.

Stattdessen ermöglicht die programmierbare Logik eines FPGAs die Implementierung spezifischer Kommunikationsschnittstellen in Hardware und die Unterstützung weiterentwickelter Leistungsmerkmale wie Verzögerungskompensation. Während ein FPGA-Konzept flexibel ist und auf die Anwendung zugeschnitten werden kann, bringt es auch Nachteile mit sich. Verglichen mit einem Prozessor ist ein FPGA kostspielig sowie energiehungrig und hat eine relativ lange Time-to-Market.

Die Implementierung einer EnDat-Schnittstelle kann auf Basis des ADSP-CM40x erfolgen, bei dem es sich um einen Prozessor für Motorsteuerungsantriebe handelt. Neben Peripherie für Motorsteuerung, beispielsweise Pulsbreitenmodulator-Timer (PWM), Analog/Digital-Umsetzer und SINC-Filter, verfügt der ADSP-CM40x über hochflexi­ble serielle Ports (SPORTs).

Diese SPORTs sind in der Lage, eine Reihe von Protokollen zu emulieren, darunter Encoder-Protokolle wie EnDat und BiSS. Mit dem umfangreichen Peripheriesatz des ADSP-CM40x lassen sich Motorsteuerungen optimieren. Auch der Anschluss an einen Encoder mit dem gleichen Baustein ist möglich. Ein FPGA ist nicht erforderlich.

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1. Für eine bessere Datenkommunikation
2. EMV-Verhalten
3. EnDat-2.2-Testaufbau

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