モーション コントロール アプリケーション用のエンコーダを選択する場合、いくつかの選択を行う必要があります。センサーを指定するエンジニアは、アプリケーションに増分エンコーダ、絶対エンコーダ、または整流エンコーダが必要かどうかを決定する必要があります。
必要なタイプがわかったら、解像度、取り付けパターン、モーター シャフトのサイズなど、考慮すべき他のパラメータが多数あります。さらに、時々見落とされがちなのが、必要なエンコーダ出力信号のタイプです。答えは必ずしも明確ではないため、この投稿では、ほぼすべてのエンコーダーに見られる3つの主な出力タイプ、つまりオープンコレクター、プッシュプル、差動ラインドライバーについて説明します。これら3つの出力タイプは、デジタル通信の物理層を表します。
インクリメンタル エンコーダの直交出力、整流エンコーダのモーター極出力、または特定のプロトコルを使用するシリアル インターフェイスなど、これらの信号はすべてデジタルであり、高状態と低状態があります。つまり、5 Vエンコーダの場合、信号は常に0 V (グランド) (低またはバイナリ0) と5 V (高またはバイナリ1) の間で切り替わります。この記事では、基本的な方形波を送信する増分エンコーダ出力に焦点を当てます。
典型的な5Vデジタル矩形波
オープンコレクタ出力
市販されているほとんどのロータリーエンコーダーにはオープンコレクター出力が備わっています。これは、デジタル信号の出力をグランドまで低く駆動することができ、信号が高くなるはずのときに出力が単に切断されることを意味します。入力信号がハイのときにトランジスタのコレクタ ピンが開いたままになる、つまり切断されるため、出力はオープン コレクタと呼ばれます。
オープンコレクタエンコーダで使用されるバイポーラ接合トランジスタ
このデバイスとインターフェースするには、コレクタを目的の高電圧レベルに「プルアップ」するための外部抵抗器が必要です。これは、エンジニアが異なる電圧レベルを持つシステムとインターフェースしようとしている場合に便利な出力タイプです。コレクターは、エンコーダーが動作する電圧レベルよりも低いまたは高い電圧レベルに合わせてプルアップできます。
オープンコレクタエンコーダに外部的に追加されたプルアップ抵抗
ただし、このインターフェースの欠点は、エンコーダの電圧レベルを変更する機能よりも大きいことがよくあります。オープンコレクタエンコーダに外部抵抗器を追加することはそれほど難しいことではなく、多くの市販のコントローラにはすでに外部抵抗器が組み込まれていますが、これらの外部抵抗器は動作するために電流を消費し、出力信号に影響を与え、周波数によって特性を変えます。もう一度、増分エンコーダーの矩形波について考えてみましょう。ただし、今回は状態変化の1つに非常に近いところまでズームインします。私たちはデジタル信号が低から高に即座に遷移すると考えがちですが、もちろんすべての動作には時間がかかることはわかっています。この時間遅延をスルーレートと呼びます。
スルーレートが低い方形波のクローズアップ画像
オープンコレクタ出力の場合、抵抗器はRCタイミング回路のRとして機能するため、スルーレートはプルアップ抵抗器の抵抗値の影響を受けます。スルーレートが低いということは、エンコーダの動作速度が低下することを意味します (インクリメンタル エンコーダの場合は解像度も低下します)。抵抗値の低いもの（プルアップが強いもの）を使用するとスルーレートを向上させることができますが、そのトレードオフとして、信号が低いときにプルアップ抵抗器がより多くの電流を流す必要があるため、システムがより多くの電力を消費することになります。
プッシュプル出力
オープンコレクターインターフェースの欠点に対する最善の答えは、プッシュプル構成です。プッシュプルでは、1つのトランジスタではなく2つのトランジスタが使用されます。上部のトランジスタはアクティブ プルアップとして機能し、下部のトランジスタはオープン コレクタ構成のトランジスタと同じように動作します。プッシュプル構成では、信号ラインを調整する抵抗器で達成できるよりも高速なスルーレートで高速デジタル遷移が可能になります。電力を消費する抵抗器がないため、この出力タイプでは電力使用量も低くなります。これにより、利用可能な電力が貴重なバッテリー駆動のアプリケーションにとって、プッシュプル出力ははるかに優れたオプションになります。
プッシュプルトランジスタ構成
CUI DevicesのすべてのシングルエンドAMTエンコーダーは、プッシュプル出力タイプを使用します。 AMTエンコーダー モデルの出力とのインターフェイスには外部プルアップは必要ありません。これにより、テストとプロトタイピングがはるかに簡単になり、稼働に必要な消耗品が少なくなります。AMTエンコーダーの出力はデータシート上でCMOSとして参照されていることに注意することが重要です。これは、インターフェイス デバイスがプッシュプル出力から得られる高電圧レベルと低電圧レベルをどのように解釈するかを単純に示しています。これらの高値と低値はデバイスによって異なるため、目的の製品のデータシートを参照する必要があります。
差動ラインドライバ出力
プッシュプル エンコーダーは、従来のオープン コレクター エンコーダーよりもパフォーマンスが向上していますが、シングルエンド出力であるため、すべてのプロジェクトに必ずしも適したオプションであるとは限りません。アプリケーションで長いケーブル距離が必要な場合、または使用するケーブルが大量の電気ノイズや干渉の影響を受ける場合は、差動ライン ドライバ出力を備えたエンコーダが最適な選択肢になります。差動出力はプッシュプル出力と同じトランジスタ構成で生成されますが、1つの信号ではなく2つの信号が生成されます。これらの信号は差動ペアと呼ばれます。信号の1つは元の信号と一致しますが、もう1つは元の信号と正反対であるため、相補信号と呼ばれることもあります。
シングルエンド出力では、受信機は常に送信信号を共通のグランドに参照します。ただし、ケーブル距離が長く、電圧が低下し、スルーレートが低下する傾向がある場合、信号エラーが頻繁に発生します。差動アプリケーションでは、ホストが元のシングルエンド信号を生成し、それが差動トランスミッターに送られます。この送信機は、ケーブルを介して送信される差動ペアを作成します。2つの信号が生成されると、受信機は接地に対する電圧レベルを参照するのではなく、信号を相互に参照するようになります。つまり、受信機は特定の電圧レベルを探すのではなく、常に2つの信号の差を探します。次に、差動レシーバーは、一対の信号を1つのシングルエンド信号に再構築し、ホストに必要な適切なロジック レベルを使用してホスト デバイスが解釈できるようにします。このタイプのインターフェースでは、差動トランシーバー間の通信によって、異なる電圧レベルのデバイスが連携して動作することもできます。これらすべてが連携して機能し、長いケーブル距離にわたるシングルエンド アプリケーションで発生する信号劣化を克服します。
差動ドライバによって駆動され、受信機によって再構成されるエンコーダ出力
ただし、長いケーブル距離で発生する問題は信号劣化だけではありません。システム内のケーブルが長くなるほど、電気ノイズや干渉がケーブルに伝わり、最終的には電気システムに侵入する可能性が高くなります。ノイズがケーブルに結合すると、さまざまな大きさの電圧として現れます。シングルエンド出力エンコーダを備えたシステムでは、これによりシステムの受信側が誤った高論理値と低論理値を読み取り、位置データが誤っている可能性があります。これは大きな問題です! 幸いなことに、差動ライン ドライバ インターフェイスは、このノイズに対処するのに十分対応できます。CUI Devicesでは通常、ケーブル長が1メートルを超える場合は差動ライン ドライバの使用を推奨しています。
差動ライン ドライバを使用する場合は、ツイスト ペア ケーブルが必要です。ツイストペア ケーブルは、指定された距離にわたって指定された回数だけ巻き付けられたA信号とA- 信号で構成されます。このタイプのケーブルでは、1本の信号線で発生したノイズが、ペアになっている信号線に均等に適用されます。信号Aに電圧スパイクが発生した場合、信号A- にも同様に適用されます。差動受信機は、再構成された信号を得るために互いの信号を減算するため、両方のワイヤに等しく現れるノイズは無視されます。差動レシーバーが両方の信号ラインで同じ電圧を無視する能力は、コモンモード除去と呼ばれます。差動ライン ドライバ インターフェイスは、ノイズ除去機能を備えているため、産業用および自動車用アプリケーションで一般的に使用されています。
差動受信機は両方の信号に共通するものを無視する
さまざまなエンコーダ出力タイプとその長所と短所を理解することで、エンジニアはアプリケーションに最適な出力タイプをより適切に選択できるようになります。CUI DevicesのAMTエンコーダ すべてプッシュプル出力を備えており、低消費電力と簡単な設置を実現します。より要求の厳しいアプリケーション向けに、多くのモデルで差動ライン ドライバ オプションも利用できます。