Slik sikrer en hybrid innstikkskontakt et kompakt, fleksibelt motorstyringssystem med høy ytelse

Av Jeff Shepard

Bidrag fra Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Bruken av stadig mer kompakte motorstyringer (motorstyreenheter) vokser på tvers av et bredt spekter av Industri 4.0- og Industrielle tingenes internett (IIoT)-enheter, fra robotikk og materialhåndtering til mat og drikke. Men etter hvert som styreenhetene krymper, blir det utfordrende for designere å enkelt og kostnadseffektivt rute og koble til både strøm- og datasignaler, samtidig som elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og operatørsikkerhet sikres.

Avanserte grensesnitt med åpen kildekode, for eksempel høyytelses grensesnittet digital servolink (Hiperface DSL) og åpne koblinger med enkeltkabel (single-cable solutions – SCS), har oppstått for å hjelpe til med å koble til begge strømdatasignalene, ved hjelp av en enkelt kompakt kontakt. Dette forenkler tilkoblingsmulighetene, men gjør kvaliteten, konstruksjonen og ytelsen til kontakten kritisk viktig for å sikre signalintegritet, EMC og samsvar med IP20-berøringssikkerhet og inntrengningskrav.

Denne artikkelen beskriver kort Hiperface DSL- og SCS-åpne koblingsgrensesnitt før de diskuterer de elektriske og mekaniske kravene til en koblingsmekanisme som kan transportere både strøm- og datasignaler i et miljø med begrenset plass. Deretter introduseres hybridmotorstyrekontakter fra Weidmüller og viser hvordan de kan brukes til å oppfylle disse kravene.

Hva er Hiperface DSL og SCL open link?

Flyttingen til Hiperface DSL og SCS åpen kobling er en innsats for å sette både strøm og data på den samme kontakten for å spare plass, lavere kostnader og forenkle utformingen av motorstyringer med høy ytelse (figur 1). Begge er basert på RS-485.

Bilde av Weidmüller hybride innstikkskontakter (plug-in-kontakter) for Hiperface DSL og SCS åpen koblingFigur 1: Hybride innstikkskontakter (plug-in-kontakter) for Hiperface DSL og SCS åpen kobling sparer plass på motordrivverkets trykte kretskort (PCB) og forenkler tilkoblingsmulighetene. (Bildekilde: Weidmüller)

Hiperface DSL er en digital protokoll for enkeltkabel som inkluderer to skjermede ledninger for toveiskommunikasjon og pulsgiver (enkoder)-strøm, motorstrømkabler og motorbremsekabler (figur 2).

Skjema over enkel Hiperface DSL-kompatibel kabelFigur 2: En enkel Hiperface DSL-kompatibel kabel består av tre elementer: en strømforsyning (trefaset strøm, stor brun i svart, samt jord, brun i gul/grønn), et separat skjermet par til motorbrems (liten brun i svart) og et separat skjermet datapar (brun i blå og brun i grå) for digital dataoverføring, alt dette i en skjermet kabel. (Bildekilde: Weidmüller)

Hiperface DSL har en dataoverføringshastighet på 9,375 megabaud (MBaud) over kabellengder opptil 100 meter (m) mellom motorstyringen og motoren. Det er to måter å overføre data på Hiperface DSL; syklisk, så raskt som mulig under de gitte omstendigheter med signal- og støyforhold, eller synkront med styringens klokke. Hiperface DSL-protokollen inneholder flere viktige funksjoner:

  • Evnen til å synkronisere posisjons- og rotasjonshastighetsinformasjon fra pulsgiveren (enkoderen) med syklustider så korte som 12,1 mikrosekunder (μs).
  • Maksimal syklustid på 192 μs for overføring av sikker posisjon for motortilbakemeldingssystemet.
  • Oppfyller kravene til sikkerhetsintegritetsnivå (Safety Integrity Level – SIL) 2 i IEC 61508 for redundant overføring av sikker posisjon for motortilbakemeldingssystemet med en maksimal syklustid på 192 μs.
  • Oppfyller SIL-3-kravene i IEC 61508 når det brukes i passende tilbakemeldingssystemer for motorer.
  • Toveis generell dataoverføring med en båndbredde opp til 340 kilobaud (kBaud) for overføring av parametere, inkludert lagring av en elektronisk typeetikett for motorstyredata og en elektronisk typeetikett for motorens tilbakemeldingssystem.
  • En separat kanal som bærer data fra eksterne motorsensorer (akselerasjon, dreiemoment, temperatur og så videre), koblet til motorens tilbakemeldingsnettverk av protokollen Hiperface DSL Sensor Hub.

Tilbakemeldingsgrensesnittet for SCS open link-motoren er også utformet for å støtte toveis data mellom en motor og styringsenhet, inkludert koderdata med hastigheter opp til 10 MBaud. Den støtter to- og fire-tråds implementasjoner. SCS-åpen kobling er optimalisert for industri 4.0, spesielt med hensyn til nye IIoT-enheter, for eksempel motorisk tilstandsovervåking og forebyggende vedlikehold.

I likhet med Hiperface DSL er SCS open link sertifisert opp til SIL 3. I tillegg oppfyller SCS åpen kobling kravene til funksjonssikkerhet i NS-EN ISO 13849 ytelsesnivå e (performance level e – PLe), kategori 3. Disse løsningene med enkeltkabel oppfyller kravene til funksjonssikkerhet i IEC 61508-2: 2010 og IEC 61784-3: 2017.

Koblingsutfordringen som Hiperface DSL og SCS står overfor er åpen lenke.

For at den åpne koblingen til Hiperface DSL og SCS skal fungere på en pålitelig måte, er det nødvendig med en godt skjermet forbindelse mellom en motor med en koder og stasjonen. Bruk av innstikkskontakter (plug-in-kontakter) og tilkoblingsterminaler for å minimere antall grensesnitt hjelper. Å ha kontinuerlige, skjermede kabler mellom motor og pulsgiver (enkoder), samt driveren er også nødvendig. En skjermet enkeltkabelmed to innstikkskontakter, en optimalisert for tilkobling til motoren og en optimalisert for tilkobling til driveren, gir en økonomisk tilnærming og er implementert i både Hyperface DSL og SCS åpen kobling.

I tillegg til bruk av en skjermet kabel, må skjermingen termineres riktig på begge ender av kabelen. Runde innstikkskontakter (vanligvis runde M23-kontakter) med et metallhus brukes på motorsiden av sammenkoblingen (figur 3).

Bilde av kabellengder opptil 100 meter mellom motor og drivverkFigur 3: Kabellengder opptil 100 meter mellom motor og drivverk støttes av både Hiperface DSL og SCS åpen kobling; motorforbindelsen er til venstre, hybridplugg-kontakten for motorstyreenheten er til høyre. (Bildekilde: Weidmüller)

For å kontrollere kostnadene, trenger ikke innstikkskontakten på stasjonssiden av sammenkoblingen å ha metallhus. Den fysiske utformingen av driverkontakter er ikke standardisert, så designere av drivere må være forsiktige når de utvikler sin egen kontakt for å oppfylle ytelseskrav, samtidig som de lett kobles til trykte kretskort for å forenkle tilkoblinger og minimere kontaktkostnader. Med riktig kabeldesign og montering, og god EMI-skjermingspraksis, er kabellengder opptil 100 meter oppnåelige.

Tre-i-ett-kontaktløsninger for strøm, signaler og EMC

Selv om det er mulig å bruke tid på å utvikle en koblingsdesign, er det få designere av motordrivere som har erfaringen eller tiden som kreves for å bli kjent med nyansene i koblingsdesignet, til tross for at de krever best mulig ytelse. I stedet kan de henvende seg til selskaper som Weidmüller som allerede har fokusert på problemstillingene, og har kommet med noen elegante løsninger.

Dens OMNIMATE Power Hybrid-kontakter er for eksempel en tre-i-ett-løsning som inkluderer signal-, strøm- og EMC-funksjoner for å implementere både Hiperface DSL- og SCS-åpne koblingsprotokoller, samtidig som du sparer plass på kretskortet til motordriveren, så vel som plass i styringsskapet. Kontaktene er tilgjengelige i flere konfigurasjoner inkludertseks stillinger (Figur 4 til venstre),sju stillinger ,åtte stillinger , ogni stillinger (Figur 4, høyre).

Bilde av Weidmüller OMNIMATE Power Hybrid-kontakterFigur 4: Omnimate Power Hybrid-kontakter er en tre-i-en (strøm, signaler, EMC)-løsning med en selvlåsende midterste flens (rød). De kommer med seks (venstre), sju, åtte eller ni (høyre) posisjoner. (Bildekilde: Weidmüller)

Disse hybridkontaktene inkluderer strøm- og signalkontakter med innstikkbare ledningsforbindelser med 7,62 mm lederavstand som oppfyller kravene i IEC 61800-5-1 og UL 1059 klasse C 600 volt (for strømkontakter).

Kontaktene har flere praktiske konstruksjonsfunksjoner som er nødvendige for å sikre pålitelige tilkoblinger. For det første har de god separasjon mellom pulsgiveren (enkoderen) og motorkraftforbindelsene for å minimere EMC-bekymringer. For det andre er oppsettet av de forskjellige signal- og strømforbindelsene nøye vurdert. For eksempel er «nøytrale» tilkoblinger, slik som vernejordingen (protective earth – PE) i midten, samt signal- og datatilkoblinger for pulsgiverledningene og motorbremseledningene er blitt plassert symmetrisk og til siden.

For brukervennlighet reduserer den enhånds, verktøyfrie, selvlåsende innstikks-sperremekanismen installasjons- og vedlikeholdstidene. Den gjensidige blokkeringen (forriglingen) reduserer også plassbehovet med en plassen tilsvarende én pinneavstand, sammenlignet med andre løsninger. Den 30˚-kabelinngangsvinkelen på skjermen sparer opptil 10 cm mellom radene, noe som reduserer størrelsen på løsningen.

Effektiv bruk av OMNIMATE Power Hybrid-kontakten

For å dra full nytte av OMNIMATE Power Hybrid-kontaktene, er riktig praksis for kabelmontering på kabelmoduler og skjermingstermineringer nødvendig for å kontrollere EMI og sikre systemets pålitelighet. Selv om OMNIMATE Power Hybrid er utformet på en gjennomtenkt måte, har den fortsatt et enkeltkabel-tilkobling, så strøm- og signallinjene er fortsatt relativt nære hverandre. Dermed kreves det god designpraksis å sikre en lavimpedansforbindelse mellom kabelskjermingen og kontakten. Omnimate inkludering av en skjermingskoblingsplate med en pluggbar fjærkontakt er spesielt nyttig her. Dette gir en vibrasjonssikker skjermtilkobling til driveren og muliggjør en solid tilkobling av skjermingsflettene for strøm- og pulsgiverkablene (figur 5). Å ha størst mulig kontaktflate for skjermingsforbindelsene gir en optimal løsning.

Bilde av lavimpedans-skjermforbindelse mellom en enkelt kabel og en innstikks-hybridkontaktFigur 5: Eksempel på en lavimpedans skjermingsforbindelse mellom en enkeltkabel og en koblingsløsning med innstikks-hybridkontakt ved hjelp av ett metallbuntebånd. (Bildekilde: Weidmüller)

Det er flere festealternativer for å koble de ytre og indre skjermene til skjermtilkoblingsplaten. Disse alternativene inkluderer ulike kombinasjoner av metallbuntebånd og slangeklemmer som er anordnet for å sikre at festet er sikkert og foregår så nær signalforbindelsene som mulig (figur 6).

Bilde av tilkobling av kabelskjermingen til Weidmüller OMNIMATE Hybrid Power-kontaktenFigur 6: Det er en rekke måter å koble kabelskjermingen til OMNIMATE Hybrid Power-kontakten, inkludert bruk av metallkabelbånd og slangeklemmer. (Bildekilde: Weidmüller)

Den fjærbelastede mekaniske konstruksjonen gir designere av motorstyreenheter maksimal frihet til å plassere skjermingsforbindelsen på et kjøleelement eller direkte på kretskortet, noe som sikrer et pålitelig og vibrasjonssikkert overflatekontaktområde.

Ytelsestesting og sikkerhet

Når en konstruksjon er fullført og en kabelmodulene er produsert, er det viktig å måle effektiviteten til kabelskjermen. For eksempel er KS04B-målingen fra VG95373-41, «Elektromagnetisk kompatibilitet av enheter – metoder for måling av skjermet kabel og skjermede beskyttende kabelslanger», nyttig for å bestemme virkningen av kontaktpunktene på omspinningen (skjermstrømpen), stikkontaktene og pluggene, samt kvaliteten på selve skjermen. Målemetoden er begrenset, men den er nyttig for å sammenligne og evaluere effektiviteten til ulike skjermer og kontaktmetoder for skjermen (figur 7). Begrensninger for KS 04 B-målingen inkluderer en standardisert kabellengde på bare 1 m og bruk av et 50 ohm (Ω)-system som ikke tar hensyn til den faktiske kabelimpedansen.

Graf over innskuddsdempning (innsettingstap) i henhold til VG95373-41 som sammenligner tre skjermtilkoblingsmetoder (klikk for å forstørre)Figur 7: Innsettingstap i henhold til VG95373-41 som sammenligner tre koblingsmetoder for skjerm, med orienteringslinjen (rød) som representerer typiske forventningsverdier. (Bildekilde: Weidmüller)

Disse innstikkskontaktene oppfyller IP20-sikkerhetsstandardene og er berøringssikre for operatører når de er tilkoblet riktig. Det finnes imidlertid kondensatorer med stor verdi i en typisk motorstyreenhet som kan gi elektrisk støt til operatører, hvis de ikke håndteres riktig. Det er viktig at kondensatorene er utladet og ikke har noen spenning når vedlikehold utføres. Selv om det er en IP20-klassifisering, anbefales det fortsatt at operatørene venter flere minutter på at kondensatorene skal tømmes før de berører kontaktene, noe som birdrar til høyere sikkerhetsnivå. Endelig gjør den åpne utformingen av disse hybridkontaktene at operatørene umiddelbart kan se og verifisere at alle kabler er uskadet og tilkoblet riktig.

Konklusjon

Skiftet til et enkelt, hybrid samkjøringssystem for å transportere både strøm og data i kompakte, høyytelses motorstyringsenheter, gjør det vanskelig for designere å støtte EMC og sikre pålitelig drift, samtidig som det også sikrer operatørens sikkerhet. Som vist, finnes det imidlertid godt utformede tre-i-én-hybride innstikkskontaktløsninger som støtter protokoller som Hiperface DSL og SCS åpen kobling for strøm og data, samtidig som de gir pålitelig EMC-skjerming og oppfyller IP20-sikkerhetsstandarder.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

Om denne utgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører