Hur en jackbar hybridkontakt säkerställer ett kompakt, flexibelt och högeffektivt motorstyrsystem

Av Jeff Shepard

Bidraget med av Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Användningen av allt mer kompakta motorstyrenheter ökar inom ett stort antal tillämpningar inom Industry 4.0 och Industrial Internet of Things (IIoT), från robotteknik och materialhantering till livsmedel och dryck. När styrenheterna krymper blir det dock en utmaning för konstruktörerna att på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt förlägga och ansluta både ström- och datasignaler, samtidigt som man garanterar elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) och operatörens säkerhet.

Avancerade gränssnitt med öppen källkod, som t.ex. högeffektiva gränssnitt för att länka digitala servon (Hiperface DSL) och öppna länkar med endast en kabel (SCS) har dykt upp för att underlätta anslutning av både ström- och datasignaler med ett enda kompakt kontaktdon. Detta förenklar anslutningen, men gör att kontaktdonets kvalitet, utformning och prestanda är av avgörande betydelse för att garantera signalintegritet, EMC och överensstämmelse med IP20-kraven för beröringssäkerhet och inträngning.

Artikeln beskriver kortfattat gränssnitten Hiperface DSL och SCS open link innan man diskuterar de elektriska och mekaniska kraven på ett kontaktdon som kan överföra både ström- och datasignaler i en miljö med begränsat utrymme. Därefter presenteras hybridkontaktdon för styrning av motorer från Weidmüller och man visar hur dessa kan användas för att uppfylla dessa krav.

Vad är Hiperface DSL och SCL open link?

Övergången till Hiperface DSL och SCS open link är ett försök att placera både ström och data i samma kontaktdon för att spara utrymme, sänka kostnader och förenkla konstruktionen av högeffektiva motorstyrenheter (figur 1). Båda är baserade på RS-485.

Bild på hybridkontaktdon från Weidmüller för Hiperface DSL och SCS Open LinkFigur 1: Hybridkontaktdon för Hiperface DSL och SCS open link sparar utrymme på motordrivenhetens kretskort och förenklar anslutningen. (Bildkälla: Weidmüller)

Hiperface DSL är ett digitalt protokoll för en kabel som innehåller två skärmade ledare för dubbelriktad kommunikation och ström för kodare, kablar för motorström och kablar för motorbroms (figur 2).

Diagram på en grundläggande Hiperface DSL-kompatibel kabelFigur 2: En vanlig Hiperface DSL-kompatibel kabel består av tre delar: en strömförsörjning (trefas, stor brun/svart, och jord, brun/gulgrön), ett separat skärmat motorbromspar (liten brun/svart) och ett separat skärmat datapar (brun/blå och brun/grå) för digital dataöverföring, allt i en skärmad kabel. (Bildkälla: Weidmüller)

Hiperface DSL har en dataöverföringshastighet på 9,375 MBaud över kabellängder på upp till 100 m mellan motorstyrningen och motorn. Det finns två sätt att överföra data med Hiperface DSL: cykliskt, så snabbt som möjligt med tanke på signal- och brusförhållandena, eller synkront med styrenhetens klocka. Protokollet Hiperface DSL innehåller flera viktiga funktioner:

  • Förmågan att synkront bearbeta information om position och rotationshastighet från kodaren med cykeltider ända ner till 12,1 μs.
  • En maximal cykeltid på 192 μs för överföring av det säkra läget för motorns återkopplingssystem.
  • Uppfyller kraven för säkerhetsintegritetsnivå (SIL) 2 enligt IEC 61508 för redundant överföring av det säkra läget för motorns återkopplingssystem med en maximal cykeltid på 192 μs.
  • Uppfyller SIL 3-kraven i IEC 61508 när den används med lämpliga återkopplingssystem för motorer.
  • Dubbelriktad generell dataöverföring med en bandbredd på upp till 340 kBaud för överföring av parametrar, inklusive lagring av en elektronisk typmärkning av motorstyrningens data samt en elektronisk typmärkning för motorns återkopplingssystem.
  • En separat kanal som överför data från externa motorgivare (acceleration, vridmoment, temperatur osv.), som är anslutna till motorns återkopplingsnätverk via protokollet Hiperface DSL Sensor Hub.

Gränssnittet SCS open link för återkoppling från motorn är också utformat för att stödja dubbelriktad data mellan en motor och en styrenhet, inklusive information till kodaren med hastigheter på upp till 10 MBaud. Den har stöd för implementationer med två eller fyra ledare. SCS open link är optimerat för Industry 4.0, särskilt när det gäller nya IIoT-tillämpningar, som t.ex. övervakning av motorstatus och förebyggande underhåll.

Liksom Hiperface DSL är SCS open link certifierat upp till SIL 3. SCS open link uppfyller dessutom kraven på funktionell säkerhet enligt EN ISO 13849 prestandanivå e (PLe), kategori 3. Lösningarna med en kabel uppfyller de funktionella säkerhetskraven i IEC 61508-2: 2010 och IEC 61784-3: 2017.

Utmaningen med kontaktdon för Hiperface DSL och SCS open link

För att Hiperface DSL och SCS open link ska fungera på ett tillförlitligt sätt krävs en väl avskärmad anslutning mellan en motor med en kodare och styrenheten. Användningen av jackbara kontakter och kopplingsplintar för att minimera antalet gränssnitt underlättar. Det är tvunget att ha oavbrutna, avskärmade kablar mellan motorn, givaren och enheten. En enda skärmad kabel med två jackbara kontakter, där den ena är optimerad för anslutning till motorn och den andra är optimerad för anslutning till drivenheten, ger en ekonomisk lösning och är implementerat i både Hyperface DSL och SCS open link.

Förutom att använda en skärmad kabel måste skärmningen vara korrekt terminerad i respektive ände av kabeln. Jackbara runda kontakter (vanligtvis runda M23-kontakter) med ett metallhölje används på motorsidan av sammankopplingen (figur 3).

Bild på kabellängder med upp till 100 m mellan motor och enhetFigur 3: Kabellängder på upp till 100 m mellan motor och drivenhet stöds av både Hiperface DSL och SCS open link. Motoranslutningen är till vänster, hybridanslutningen för motorstyrningen är till höger. (Bildkälla: Weidmüller)

För att kontrollera kostnaderna behöver inte den jackbara kontakten på drivenhetens sida av sammankopplingen ha ett metallhölje. Den fysiska utformningen av drivenhetens kontaktdon är inte standardiserad, så konstruktörer av drivenheter behöver inte vara försiktiga när de utvecklar sina egna kontaktdon för att uppfylla prestandakraven, samtidigt som de lätt ska kunna anslutas till kretskort för att förenkla anslutningar och minimera kontaktdonens kostnader. Med rätt kabeldesign och montering samt bra metoder för EMI-skärmning kan kabellängder på upp till 100 m uppnås.

Lösningar med tre-i-ett-kontaktdon för ström, signaler och EMC

Även om det är möjligt att ägna tid åt att utveckla ett kontaktdon, är det få konstruktörer av motordrivenheter som har den erfarenhet eller tid som krävs för att lära sig nyanserna i konstruktionen av kontaktdon, trots att de vill ha bästa möjliga prestanda. I stället kan de vända sig till företag som Weidmüller som redan har fokuserat på problemen och tagit fram eleganta lösningar.

Exempelvis är kontaktdonen OMNIMATE Power Hybrid en tre-i-ett-lösning som innehåller signal-, ström- och EMC-funktioner för att implementera protokollen Hiperface DSL och SCS open link och samtidigt spara utrymme på motordrivenhetens kretskort och i styrskåpet. Kontaktdonen finns i flera olika konfigurationer, bland annat sex positioner (figur 4, vänster), sju positioner, åtta positioner och nio positioner (figur 4, höger).

Bild av kontaktdonet OMNIMATE Power Hybrid från WeidmüllerFigur 4: Kontaktdonet OMNIMATE Power Hybrid är en tre-i-ett-lösning (ström, signaler, EMC) med en självlåsande mittfläns (röd). De finns med sex (vänster), sju, åtta eller nio (höger) positioner. (Bildkälla: Weidmüller)

Hybridkontaktdonen inkluderar ström- och signalkontakter med snabbanslutning och ett avstånd mellan kontakterna på 7,62 mm. De uppfyller kraven i IEC 61800-5-1 och UL 1059 Class C 600 V (för strömkontakterna).

Kontaktdonen har flera praktiska egenskaper i konstruktionen som krävs för att garantera tillförlitliga anslutningar. De har för det första en bra separation mellan anslutningen för kodaren och motorn för att minimera EMC-problem. För det andra har man noga övervägt hur de olika signal- och strömanslutningarna ska placeras. Exempelvis är "neutrala" anslutningar, såsom skyddsjord (PE), placerade i mitten, och signal- och dataanslutningar för kodarens linjer och motorbromsen har placerats symmetriskt och i sidled.

För enkel användning, minskar de verktygslösa, självlåsande, jackbara anslutningsmekanismerna med enhandsgrepp, installations- och underhållstiderna. Kopplingen minskar även utrymmesbehovet med en bredd på ett stifts avstånd jämfört med andra lösningar. Skärmens kabelgenomföringsvinkel på 30˚ sparar upp till 10 cm mellan raderna, vilket minskar lösningens storlek.

Användning av kontaktdonet OMNIMATE Power Hybrid på ett effektivt sätt

För att dra full nytta av kontaktdonet OMNIMATE Power Hybrid krävs korrekta metoder för kabelmontering och skärmterminering för att kontrollera EMI och garantera systemets tillförlitlighet. Även om OMNIMATE Power Hybrid är genomtänkt utformad är den fortfarande ett gränssnitt med en enda kabel, så ström- och signalledningarna är fortfarande placerade relativt nära varandra. Därför är det viktigt att säkerställa en anslutning med låg impedans mellan kabelns skärmning och kontaktdonet. OMNIMATE:s inkludering av en skärmande kopplingsplatta med en jackbar fjäderkontakt är särskilt användbar här. Det ger en vibrationssäker anslutning av skärmen till drivenheten och möjliggör en stabil anslutning av skärmstrumporna för ström- och kodarkablarna (figur 5). En optimal lösning är att ha största möjliga kontaktyta för skärmens anslutningar.

Bild på en skärmad anslutning med låg impedans och en enda kabel samt en jackbar hybridkontaktFigur 5: Exempel på en skärmad anslutning med låg impedans mellan en enda kabel och en jackbar lösning med hybridkontakter med ett enda buntband av metall. (Bildkälla: Weidmüller)

Det finns flera fästalternativ för att ansluta de yttre och inre skärmarna till skärmens anslutningsplatt. Alternativen omfattar olika kombinationer av metallbuntband och slangklämmor som är arrangerade för att säkerställa att fastsättningen är säker och sker så nära signalanslutningarna som möjligt (figur 6).

Bild av anslutning av kabelskärmen på kontaktdonet OMNIMATE Hybrid Power från WeidmüllerFigur 6: Det finns flera olika sätt att ansluta kabelns skärm till kontaktdonet OMNIMATE Hybrid Power, bland annat med hjälp av buntband av metall och slangklämmor. (Bildkälla: Weidmüller)

Den fjäderbelastade mekaniska konstruktionen ger konstruktörer av motorstyrenheter maximal frihet att placera skärmens anslutning på en kylfläns eller direkt på kretskortet, vilket garanterar en tillförlitlig och vibrationssäker kontaktyta.

Prov av prestanda och säkerhet

När konstruktionen är klar och en färdig kabel har tillverkats är det viktigt att mäta effektiviteten i kabelns skärm. Exempelvis, är KS04B-mätningen från VG95373-41, "Elektromagnetisk kompatibilitet hos apparater - metoder för mätning av skärmad kabel och skärmade skyddande kabelslangar", användbar för att fastställa effekten av kontaktpunkterna på skärmstrumpan, eluttagen och stickpropparna, samt kvaliteten på själva skärmen. Mätmetoden är begränsad, men den är användbar för att jämföra och utvärdera effektiviteten hos olika skärmar och kontaktmetoder för skärmen (figur 7). Begränsningar i KS 04 B-mätningen innebär bl.a. en standardiserad kabellängd på endast 1 m och användning av ett system med 50 Ω som inte tar hänsyn till den faktiska kabelimpedansen.

Diagram över införingsförlust enligt VG95373-41 som jämför tre metoder för anslutning av skärmar (klicka för att förstora)Figur 7: Införingsförlust enligt VG95373-41 vid jämförelse av tre metoder för anslutning av skärmar, med orienteringslinjen (röd) som representerar typiska förväntade värden. (Bildkälla: Weidmüller)

Dessa jackbara kontakter uppfyller säkerhetsstandarden IP20 och är beröringssäkra för operatörer när de är korrekt inkopplade. Det finns dock stora kondensatorer i en typisk motorstyrenhet som kan ge operatörer en elstöt, om de inte hanteras på ett korrekt sätt. Det är viktigt att kondensatorerna är urladdade och att ingen spänning finns när underhåll utförs. Även om de är klassificerade enligt IP20 är det ändå rekommenderat att operatörer väntar flera minuter på att kondensatorerna ska laddas ur innan de vidrör kontakterna, vilket ger ytterligare en säkerhetsnivå. Slutligen gör den öppna konstruktionen av dessa hybridkontaktdon att operatörer direkt kan se och kontrollera att alla kablar är oskadade och korrekt anslutna.

Slutsats

Övergången till ett enda hybridanslutningssystem för att transportera både ström och data i kompakta, högeffektiva motorstyrenheter, gör det svårt för konstruktörerna att stödja EMC och säkerställa tillförlitlig drift, samtidigt som man garanterar operatörens säkerhet. Det finns dock väl utformade tre-i-ett lösningar med hybridkontaktdon som har stöd för både Hiperface DSL och SCS open link för ström och data, samtidigt som de ger en tillförlitlig EMC-skärmning och uppfyller säkerhetsstandarden IP20.

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 utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer