混合型插接式连接器如何确保实现紧凑、灵活、高性能的电机控制系统

作者:Jeff Shepard

投稿人:Digi-Key 北美编辑

在广泛的工业 4.0 和工业物联网 (IIoT) 应用中,从机器人、物料搬运到食品和饮料,越来越多地使用不断紧凑的电机控制器。然而,随着控制器的缩小,对于设计者来说,如何简单而经济地路由和连接电源和数据信号,同时确保电磁兼容性 (EMC) 和操作者的安全,变得很有挑战性。

先进的开源接口,如高性能接口数字伺服链路 (Hiperface DSL) 和单电缆解决方案 (SCS) 开放链路已经出现,有助于使用单个紧凑的连接器同时连接电源数据信号。这简化了连接,但使连接器的质量、设计和性能变得极为重要,这样才能确保信号完整性、电磁兼容性和符合 IP20 的防触摸及侵入要求。

本文简要介绍了 Hiperface DSL 和 SCS 开放链路接口,然后讨论了在空间受限的环境中能同时承载电源和数据信号的连接器机制的电气和机械要求。最后介绍了 Weidmüller 的混合电机控制连接器,并展示了如何使用它们来满足这些要求。

什么是 Hiperface DSL 和 SCL 开放链路?

转向使用 Hiperface DSL 和 SCS 开放链路是为了将电源和数据放在同一个连接器上,以节省空间,降低成本,并简化高性能电机控制器的设计(图 1)。两者都基于 RS-485。

Weidmüller 用于 Hiperface DSL 和 SCS 的混合插接式连接器开放链路图片图 1:Hiperface DSL 和 SCS 开放链路的混合插接式连接器节省了电机驱动器印刷电路板空间,简化了连接。(图片来源:Weidmüller)

Hiperface DSL 是一个单电缆数字协议,包括两根用于双向通信的屏蔽线和编码器电源、电机电源线和电机制动线(图 2)。

基本 Hiperface DSL 兼容电缆示意图图 2:一条基本的 Hiperface DSL 兼容电缆由三部分组成:电源(三相电源,黑色内大棕色块,和接地,黄色/绿色中的棕色块 )、单独屏蔽的电机制动对(黑色中的小棕色块)以及用于数字数据传输的单独屏蔽数据对(蓝色中的棕色块和灰色中的棕色块) ,所有这些都包含在一条屏蔽电缆里。(图片来源:Weidmüller

Hiperface DSL 的数据传输率为 9.375 兆波特 (MBaud),在电机控制器和电机之间的电缆长度最长可达 100 米 (m)。在 Hiperface DSL 上有两种传输数据的方式;在信号和噪声条件下尽可能快地循环传输,或与控制器时钟同步传输。Hiperface DSL 协议包括几个重要的功能:

  • 能够同步处理来自编码器的位置和转速信息,周期时间短至 12.1 微秒 (μs)。
  • 电机反馈系统的安全位置传输的最大周期时间为 192 μs。
  • 符合 IEC 61508 安全完整性等级 (SIL) 2 的要求,可实现电机反馈系统安全位置的冗余传输,最大循环时间为 192 μs。
  • 在合适的电机反馈系统中使用时,符合 IEC 61508 的 SIL 3 要求。
  • 双向普通数据传输,带宽高达 340 千波特 (kBaud) ,用于传输参数,包括存储电机控制器数据的电子类型标签和电机反馈系统的电子类型标签。
  • 携带外部电机传感器(加速度、扭矩、温度等)数据的独立通道,通过 Hiperface DSL 传感器中枢协议连接到电机反馈网络。

SCS 开放链路电机反馈接口也设计成支持电机和控制器之间的双向数据传输,包括速率高达 10 MBaud 的编码器数据。它支持两线和四线实现。SCS 开放链路针对工业 4.0 进行了优化,特别是在新兴的 IIoT 应用方面,如电机状态监测和预测性维护。

像 Hiperface DSL 一样,SCS 开放链路最高认证级别为 SIL 3。此外,SCS 开放链路符合 EN ISO 13849 e 级性能等级 (PLe)、3 类的功能安全要求。这些单电缆解决方案满足 IEC 61508-2: 2010 和 IEC 61784-3: 2017 的功能安全要求。

Hiperface DSL 和 SCS 开放链路所面临的连接器挑战

为了使 Hiperface DSL 和 SCS 开放链路可靠地运行,在带有编码器的电机和驱动器之间需要一个良好的屏蔽连接。使用插接式连接器和连接终端,以尽量减少接口的数量,有助于实现良好的屏蔽连接。在电机和编码器与驱动器之间采用连续且屏蔽的电缆也是必要的。一根屏蔽电缆有两个插接式连接器,一个优化了与电机的连接,一个优化了与驱动器的连接,这提供了一个经济的方法,并在 Hyperface DSL 和 SCS 开放链路中得以实现。

除了使用屏蔽电缆外,还需要在电缆的两端正确端接屏蔽层。在互连的电机侧使用带有金属外壳的插接式圆形连接器(通常是 M23 圆形连接器,图 3)。

电机和驱动器之间最长 100 米电缆长度图片图 3:Hiperface DSL 和 SCS 开放链路都在电机和驱动器之间支持最长 100 米的电缆长度;电机连接在左边,电机控制器的混合插接式连接器在右边。(图片来源:Weidmüller)

为了控制成本,互连的驱动器侧的插接式连接器不需要有金属外壳。驱动器连接器的物理设计是非标准化的,因此驱动器设计者在开发自己的连接器时需要谨慎,以满足性能要求,同时随时连接到印刷电路板上,以简化连接,尽量降低连接器成本。通过适当的电缆设计和组装,以及良好的 EMI 屏蔽做法,电缆长度就可以达到 100 米。

针对电源、信号和 EMC 的三合一连接器解决方案

尽管有可能花时间开发一个连接器设计,但很少有电机驱动器设计者有经验或时间掌握连接器设计的细微差别,尽管要求尽可能实现最佳性能。相反,他们可以求助于像 Weidmüller 这样的公司,这些公司已经关注这些问题并提出了一些有效的解决方案。

例如,其 OMNIMATE 电源混合连接器就是一个三合一的解决方案,包括信号、电源和 EMC 功能,可实现 Hiperface DSL 和 SCS 开放链路协议,同时节省了电机驱动器 PC 板以及控制柜的空间。该连接器有几种配置,包括六位(图 4,左)、七位八位九位(图 4,右)。

Weidmüller OMNIMATE 电源混合连接器图片图 4:OMNIMATE 电源混合连接器是一个三合一(电源、信号、EMC)解决方案,中间有一个自锁法兰(红色)。它们有六个(左)、七个、八个或九个(右)位置。(图片来源:Weidmüller)

这些混合型连接器包括电源和信号触头,采用 7.62 毫米 (mm) 间距的推入式导线连接,符合 IEC 61800-5-1 和 UL 1059 C 类 600 伏(用于电源触头)的要求。

该连接器具有确保可靠连接所需的几个实用设计特点。首先,它们在编码器和电机电源连接之间有良好的隔离,以尽量减少 EMC 问题。其次,各种信号和电源连接的安排也得到了仔细考虑。例如,像保护性接地 (PE) 这样的“中性线”连接在中间,编码器线路和电机制动线路的信号和数据连接则对称和横向放置。

为了便于使用,单手、免工具、自锁、插接式联锁机制减少了安装和维护时间。与其他解决方案相比,联锁还减少了一个间距宽度的空间要求。屏蔽罩上的 30˚ 电缆入口角度在行间节省了 10 厘米 (cm) 空间,减少了解决方案的尺寸。

有效使用 OMNIMATE 电源混合连接器

为了充分利用 OMNIMATE 电源混合连接器,正确的电缆组装方法和屏蔽端接是必要的,以控制 EMI 并确保系统的可靠性。虽然设计得很周到,但 OMNIMATE Power Hybrid 仍然是一个单电缆接口,所以电源和信号线仍然相对接近。因此,良好的设计实践要求确保电缆屏蔽层和连接器之间实现低阻抗连接。OMNIMATE 包含一个带有可插拔弹簧触头的屏蔽连接板,在这里特别有用。这为驱动器提供了一个防震的屏蔽连接,并使电源和编码器电缆的屏蔽辫子连接牢固(图 5)。为屏蔽连接提供尽可能大的接触面是一个最佳解决方案。

单根电缆和一个插接式混合连接器之间的低阻抗屏蔽连接图片图 5:使用一个金属电缆扎带在单根电缆和插接式混合连接器解决方案之间进行低阻抗屏蔽连接的实例。(图片来源:Weidmüller)

有几种连接方式可以将内外屏蔽层连接到屏蔽层连接板上。这些选项包括金属电缆扎带和软管夹的各种组合,这些组合安排是为了确保连接的安全性,并尽可能靠近信号连接(图 6)。

将电缆屏蔽层连接到 Weidmüller OMNIMATE 混合电源连接器图片图 6:有多种方法将电缆屏蔽层连接到 OMNIMATE 混合电源连接器,包括使用金属电缆扎带和软管夹。(图片来源:Weidmüller)

弹簧式机械设计为电机控制器的设计者提供了最大的自由度,可以将屏蔽连接放在散热器上或直接放在印刷电路板上,确保可靠的防震表面接触区。

性能测试和安全

一旦设计完成并生产出电缆组件,测量电缆屏蔽的有效性是很重要的。例如,依据 VG95373-41 “设备的电磁兼容性——测量屏蔽电缆和屏蔽保护电缆软管的方法” 标准的 KS04B 测量方式,对于确定接触点对屏蔽编织层和插座、插头的影响以及屏蔽层本身的质量是很有用的。这种测量方法是有限的,但它对于比较和评估不同屏蔽和屏蔽接触方式的有效性是很有用的(图 7)。KS 04 B 测量的局限性包括标准化的电缆长度只有 1 米,并且使用 50 欧姆 (Ω) 系统(不考虑实际的电缆阻抗)。

根据 VG95373-41 标准,比较三种屏蔽连接方法的插入损耗图(点击放大)图 7:根据 VG95373-41 标准,比较三种屏蔽连接方法的插入损耗,方向线(红色)代表典型的预期值。(图片来源:Weidmüller)

这些插接式连接器符合 IP20 安全标准,在正确接线的情况下,对操作人员来说是安全的。然而,在典型的电机控制器中存在着大容量电容器,如果管理不善,会造成操作人员触电。在进行维修时,电容器必须已经放电,并且没有电压。虽然达到 IP20 等级,但仍然建议操作者在接触连接器之前等待几分钟,让电容器放电。最后,这些开放式混合连接器设计能够让操作人员立即看到并验证所有电缆都没有损坏并连接正确。

结语

在紧凑的高性能电机控制器中,转向使用单一混合互连系统来传输电源和数据,会让设计者难以支持 EMC 和确保运行可靠,以及确保操作者的安全。但是,如果有了本文所述的设计良好的三合一电源数据混合插接式连接器解决方案就不同了,因为它们支持像 Hiperface DSL 和 SCS 开放链路这样的协议,同时还提供可靠的 EMC 屏蔽,并达到 IP20 级安全标准。

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关于此作者

Jeff Shepard

Jeff 从事电力电子、电子元件和其它技术主题写作 30 余载。在其于 EETimes 任职高级编辑期间,他开始了电力电子写作。后来,他创立了一份叫《Powertechniques》的电力电子杂志,再后来又创立了一家全球性的研究和出版公司 Darnell Group。在开展各项业务的同时,Darnell Group 还发布了 PowerPulse.net,专门针对全球电力电子工程社区提供每日新闻。他是一本名为《Power Supplies》的开关模式电源教课书的作者,该书由 Prentice Hall 旗下 Reston 分部出版。

Jeff 还是 Jeta Power Systems 共同创始人,这是一家高功率开关电源制造商,后来被 Computer Products 收购。Jeff 也是一个发明家,其名下拥有 17 项热能收集和光学超材料美国专利,同时他也是掌握电力电子行业全球趋势的专家和网红发言人。他拥有加利福尼亚大学定量方法和数学硕士学位。

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