Servosysteme kombinieren präzise Steuerung mit einer elektrisch anspruchsvollen Umgebung. Ein Bewegungsregler kann zeitkritische Befehle mit Servoantrieben über eine kurze Maschinenverbindung austauschen, während die Kabel nahe an Motorkabeln, Wechselrichter-Leistungsstufen und geerdeten Maschinenstrukturen verlaufen.
Das schafft ein ganz anderes Kommunikationsproblem als die normale Büro-Netzwerknutzung.
Für viele Servoanwendungen besteht die Hauptaufgabe nicht darin, Daten über Kilometer zu übertragen. Es geht darum, zuverlässige Steuersignale in einer Umgebung aufrechtzuerhalten, die von elektromagnetischen Störungen, schnellen Schalttransienten, Gleichtaktrauschen und Potenzialunterschieden beeinflusst wird.
Hier wird optische Kommunikation wertvoll.Wenn die erforderliche Entfernung relativ kurz ist und die Schnittstelle dafür ausgelegt ist, Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF) kann ein praktisches optisches Medium bieten.
Ein Servosystem kombiniert normalerweise zwei sehr unterschiedliche elektrische Funktionen.
Die Steuerungsseite bearbeitet Positionsbefehle, Geschwindigkeitsreferenzen, Synchronisation, Rückmeldung, Diagnose und Kommunikation. Die Leistungsseite liefert schnell wechselnde Spannung und Strom an den Servomotor.
Diese Funktionen arbeiten oft eng zusammen.
Eine typische Servoinstallation platziert Bewegungsregler, Servoantriebe, Motorstromkabel und Kommunikationsverbindungen in demselben Schrank oder derselben Maschinenumgebung.
Diese Nähe ist wichtig, da Servoantriebe Leistungselektroniksysteme sind. Ihre elektromagnetische Umgebung ist so bedeutend, dass drehzahlvariable Leistungsantriebssysteme speziell von IEC 61800-3, dem EMV-Standard für Emissions- und Immunitätsanforderungen für Leistungsantriebssysteme, abgedeckt werden.
Ein Servoantrieb regelt die Motorgeschwindigkeit oder das Drehmoment nicht durch die Lieferung einer perfekt glatten analogen Spannung.
Seine Wechselrichterstufe schaltet Halbleiterbauelemente schnell um, um die vom Motor benötigten Spannungs- und Stromformen zu erzeugen. Pulsweitenmodulation, oder PWM, wird üblicherweise in diesem Prozess verwendet.
Diese Schaltübergänge erzeugen schnelle Änderungen von Spannung und Strom.
Aus EMV-Sicht ist nicht nur die nominale Schaltfrequenz von Belang. Schnelle Schaltflanken enthalten höherfrequente Energie, die durch verschiedene Mechanismen in benachbarte Schaltungen einkoppeln kann.
Kapazitive Kopplung kann zwischen Stromleitern und benachbarten Signalleitungen auftreten. Induktive Kopplung kann aus schnell wechselndem Strom resultieren. Parasitäre Kapazitäten zwischen Wechselrichter, Motorkabel, Motorwicklungen, Maschinenrahmen und Schutzleiter können ebenfalls Pfade für hochfrequente Gleichtaktströme bieten.
Das Motorkabel wird Teil dieser elektrischen Umgebung, da es die Wechselrichter-Ausgangsleistung durch die Maschine führt, potenziell nahe an Kommunikations- und Steuerleitungen.
Wie Servoantriebe eine EMV-intensive Kommunikationsumgebung schaffen
Gute Kabeltrennung, Abschirmung, Verbindung, Erdung und Schrankdesign können diese Effekte reduzieren, aber sie ändern nichts an der grundlegenden Tatsache, dass die Servo-Kommunikation oft neben einer starken Quelle elektrischen Rauschens betrieben wird.
EMV ist nur ein Teil des Problems.
Ein Regler und ein Servoantrieb können an verschiedenen Positionen innerhalb eines Schranks oder einer Maschine montiert sein. Ihre elektrischen Referenzen können durch Leiterimpedanz, Hochfrequenz-Leckströme, Schaltströme, Erdungstopologie und physikalische Anordnung beeinflusst werden.
Infolgedessen bleiben zwei an dasselbe Erdungssystem angeschlossene Stellen unter allen Betriebsbedingungen nicht unbedingt auf genau demselben momentanen elektrischen Potenzial.
Für eine leitfähige Kommunikationsverbindung ist dies wichtig.
Wenn zwei Geräte über ein Signalkabel elektrisch verbunden sind, können Potenzialunterschiede zu unerwünschten Strompfaden oder Gleichtaktspannungen beitragen. Die Kommunikationsschnittstelle muss diese Bedingungen tolerieren und gleichzeitig das beabsichtigte Datensignal korrekt erkennen.
Differenzielle Signalisierung, Abschirmung, Isolationskomponenten und sorgfältige Erdung können Kupferkommunikation sehr zuverlässig machen. Ein anderer Ansatz ist, den leitfähigen Kommunikationspfad vollständig zu entfernen.
Das ist einer der Hauptgründe, warum optische Verbindungen in elektrisch schwierigen Servo-Umgebungen nützlich sind.
Glasfaser bietet einen nichtleitenden Kommunikationspfad zwischen Servosystemgeräten. Da die Faser selbst keinen elektrischen Strom zwischen den Endpunkten leitet, kann sie verhindern, dass das Kommunikationskabel zu einem Pfad für Erdungsstrom oder elektrisch gekoppelte Störungen wird, was in der Nähe von Wechselrichtern, Motoren und Hochleistungskabeln wertvoll ist.
Ein optischer Sender wandelt das elektrische Datensignal in Licht um. Die Faser leitet dieses Licht zum Empfangsgerät, wo es wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Es gibt daher keinen metallischen Signalleiter, der zwischen den beiden optischen Anschlüssen verläuft.
Eine dielektrische Glasfaser verhält sich nicht wie ein metallischer Kommunikationsleiter.
Externe elektrische oder magnetische Felder induzieren keine Kommunikationsströme in der Faser selbst, und die Faser kann keinen leitfähigen Pfad für DC-Erdungsstrom zwischen den verbundenen Geräten bieten.
Dies ändert die Beziehung zwischen der Kommunikationsverbindung und der umgebenden Stromumgebung.
Betrachten Sie ein Kommunikationskabel, das in der Nähe der Ausgangsverdrahtung eines Servo-Wechselrichters verlegt ist. Bei einer elektrischen Verbindung muss die Schnittstelle die in die Leiter eingekoppelte elektromagnetische Energie verwalten und gleichzeitig die Signalintegrität erhalten.
Bei einer optischen Verbindung wandert die Information als Licht und nicht als elektrischer Strom durch die Faser.
Das bedeutet nicht, dass ein ganzes Servosystem immun gegen EMV wird. Der Sender, der Empfänger, die Steuerungs-Elektronik, die Antriebs-Elektronik, die Netzteile, das PCB-Layout, die Erdung und das gesamte Ausrüstungsdesign erfordern weiterhin eine ordnungsgemäße EMV-Konstruktion.
Der Vorteil ist spezifischer: das Faserkabel selbst schafft keinen elektrischen Kopplungspfad zwischen den beiden Kommunikationsendpunkten.
Dies erklärt auch die Beziehung zwischen optischer Kommunikation und elektrischer Isolation.
Bei einem leitfähigen Kommunikationsmedium sind die beiden Enden einer Verbindung elektrisch miteinander verbunden, es sei denn, eine geeignete Isolation ist an anderer Stelle in der Schnittstelle vorgesehen.
Ein optischer Pfad ändert diese Beziehung.
Der Sender kann in einer elektrischen Domäne und der Empfänger in einer anderen arbeiten, während Informationen als Licht die Grenze überschreiten. Das Kommunikationsmedium bietet daher keinen leitfähigen Pfad für Schleifenströme.
Kupfer-Kommunikationspfad vs. optische Isolation
Dies kann besonders wertvoll sein, wenn Steuerungen und Antriebe unterschiedliche Gleichtaktbedingungen aufweisen.
Die Unterscheidung zwischen der Faser und dem Gesamtsystem ist jedoch wichtig.
Eine dielektrische Faser entfernt den leitfähigen Signalpfad, aber die Isolationsfähigkeit der gesamten Schnittstelle hängt immer noch vom Sender, Empfänger, PCB-Design, der Isolationsstruktur, den Steckverbindern und der Ausrüstungsarchitektur ab.
Faser sollte daher als isolationsermöglichendes Kommunikationsmedium und nicht als Ersatz für ein ordnungsgemäßes System-Level-Design verstanden werden.
Glasfaser wird oft mit Telekommunikation, Rechenzentren und Fernnetzen in Verbindung gebracht. Dies kann den Eindruck erwecken, dass Glasfaser nur dann nützlich ist, wenn ein System extreme Bandbreite oder sehr lange Übertragungsdistanzen erfordert.
Servo-Kommunikation hat andere Prioritäten.
Ein Bewegungssteuerungssystem kann schnelle zyklische Kommunikation, Synchronisation zwischen Achsen, vorhersehbare Zeitsteuerung, stabile Befehlsübermittlung und zuverlässigen Betrieb in einer elektrisch verrauschten Umgebung erfordern.
Diese Anforderungen können anspruchsvoll sein, ohne eine Fernübertragung zu erfordern.
Viele Servo-Verbindungen bleiben innerhalb einer Maschine, einer Produktionszelle oder eines lokalen Steuerungssystems. In solchen Anwendungen bietet die Erweiterung der Übertragungsfähigkeit weit über die erforderliche Maschinenverbindung hinaus wenig zusätzlichen Ingenieurswert.
Dasselbe Argument gilt für die Bandbreite.
Servo-Kommunikation muss genügend Kapazität für die gewählte Steuerungsarchitektur bieten, aber maximale Rohbandbreite ist nicht automatisch das primäre Auswahlkriterium. Sobald die erforderliche Kommunikationszyklus, Synchronisation, Protokollleistung und Systemreaktion erfüllt sind, können andere Faktoren wichtiger werden.
In diesem Zusammenhang kann optische Kommunikation synchronisierte Steuerung unterstützen und gleichzeitig das Kommunikationsmedium elektrisch von der umgebenden Stromumgebung trennen.
Die Ingenieursfrage ist daher nicht einfach, welches Medium die höchstmögliche Bandbreite hat.
Es ist, welches Medium die Timing-, Entfernungs-, Rauschimmunitäts-, Isolations-, mechanischen und Kompatibilitätsanforderungen des Servosystems zuverlässig erfüllt.
Sobald eine optische Verbindung gewählt wurde, stellt sich eine weitere Frage: Warum Kunststoff-Lichtwellenleiter anstelle von herkömmlicher Glasfaser verwenden?
Die Antwort hängt von den Anwendungsanforderungen ab.
POF ist nicht dazu bestimmt, jede Form von Glasfaser zu ersetzen. Seine Vorteile sind am relevantesten, wenn ein industrielles System eine relativ kurze optische Verbindung, eine einfache Kopplung, eine praktische Montage und eine zuverlässige Übertragung ohne die Entfernungsanforderungen eines Telekommunikationsnetzes benötigt.
Viele industrielle Step-Index-POF-Systeme verwenden einen Kern mit einem Durchmesser von fast 1 mm.
Dieser große optische Kern kann die Kopplungsempfindlichkeit reduzieren und mechanisch einfachere industrielle optische Schnittstellen unterstützen.
Warum vereinfacht großkerniges POF die optische Kopplung
Dies hat praktische Konsequenzen.
Wenn das optische Ziel relativ groß ist, benötigen Sender, Stecker und Empfänger nicht die gleiche Präzision bei der Ausrichtung, die von viel kleineren optischen Geometrien gefordert wird.
Für Industrieausrüstungen kann dies wichtiger sein als die Erzielung der geringstmöglichen Dämpfung über sehr lange Distanzen.
Eine Servo-Maschine benötigt möglicherweise eine robuste optische Verbindung, die konsistent montiert und gewartet werden kann. Wenn die erforderliche Kommunikationsentfernung kurz ist, können die praktischen Vorteile der großkernigen Kopplung relevanter sein als die Fernübertragungsfähigkeit.
Die große Faserngeometrie ermöglicht auch relativ einfache Steckverbindersysteme.
Abhängig von der Komponenten-Familie kann industrielle POF Snap-in-, Crimp-freie, mechanisch verriegelnde oder steckerlose Terminierungsmethoden verwenden.
Einfache industrielle POF-Terminierung
Einige Systeme erlauben es, die Faser auf Länge zu schneiden und direkt in die optische Komponente zu montieren. Andere verwenden einen Stecker mit einem relativ einfachen Schneide- und Bearbeitungsprozess.
Dies kann POF in Maschinen nützlich machen, bei denen eine optische Isolation erforderlich ist, aber eine komplexe Faserterminierung unnötigen Installationsaufwand bedeuten würde.
Nicht jeder POF-Stecker verwendet die gleiche Terminierungsmethode.
Einige Systeme erfordern immer noch kontrolliertes Schneiden, Endflächenvorbereitung oder Polieren. Die Installation sollte daher den Anforderungen des tatsächlichen Steckers und Transceiver-Systems folgen.
Der Vorteil ist nicht, dass POF niemals eine Faserpräparation erfordert.
Es ist, dass großkerniges POF vergleichsweise einfache industrielle Steckverbinder-Architekturen unterstützen kann.
Kunststoff-Lichtwellenleiter haben im Allgemeinen eine höhere Dämpfung als Silizium-Telekommunikationsfasern.
Für die Fernkommunikation ist dies eine wichtige Einschränkung.
Innerhalb einer kompakten Maschine kann die erforderliche Übertragungsentfernung jedoch kurz genug sein, dass eine extrem geringe Dämpfung wenig zusätzlichen Systemwert bietet.
Wenn eine Controller-zu-Drive-Verbindung nur innerhalb der vom Servosystem unterstützten Entfernung arbeiten muss, ist die relevante Frage, ob der vollständige optische Leistungsbudget diese Verbindung mit ausreichendem Spielraum unterstützt.
Ein POF-System, das für diesen Bereich ausgelegt ist, kann daher geeignet sein, auch wenn eine andere Fasertechnologie viel weiter übertragen könnte.
Ein Kommunikationsmedium sollte anhand der erforderlichen Verbindung und nicht anhand der maximalen Leistung einer anderen Technologie bewertet werden.
Für kurze industrielle Verbindungen kann POF Fernübertragungsfähigkeit gegen einfachere optische Kopplung und Installation tauschen.
Die Verwendung von optischer Kommunikation in Servosystemen bedeutet nicht, dass jedes Servosystem POF verwenden sollte.
Moderne Bewegungssteuerungssysteme verwenden unterschiedliche Kommunikationsarchitekturen. Abhängig vom Ausrüstungsdesign kann das Controller-zu-Drive-Netzwerk Kupferkommunikation, Kunststoff-Lichtwellenleiter, Silizium-Lichtwellenleiter oder eine andere physikalische Schicht verwenden.
Längere optische Verbindungen können Siliziumfasern aufgrund ihrer geringeren Dämpfung bevorzugen.
Auch die Temperatur kann die Auswahl beeinflussen. Der zulässige Betriebsbereich hängt von der Faser, der Ummantelung, dem Stecker und der gesamten Kabelkonstruktion ab, daher muss die spezifizierte Servo-Umgebung gegen die Kabelbewertung geprüft werden.
Mechanische Anforderungen sind ebenfalls wichtig.
Ein Kabel, das dauerhaft in einem Schrank installiert ist, ist anderen Belastungen ausgesetzt als eines, das in einem sich ständig bewegenden Maschinenteil verlegt ist.
Am wichtigsten ist, dass die Servo-Schnittstelle selbst die Kompatibilität bestimmt.
Ein optischer Anschluss, der für einen bestimmten Fasertyp, eine bestimmte Steckverbindergeometrie oder eine bestimmte optische Verbindung ausgelegt ist, kann nicht einfach in ein anderes Fasersystem umgewandelt werden, nur weil die alternative Faser attraktive allgemeine Spezifikationen hat.
Für Servoanwendungen hat die Systemkompatibilität Vorrang vor der generischen Faserleistung.
Auswahlfaktoren für Servo-Faser-Kabel
Zwei optische Kabel können ähnlich aussehen und dennoch für dasselbe Servosystem ungeeignet sein.
Identifizieren Sie zuerst die genaue Schnittstelle des Controllers und des Servoantriebs.
Prüfen Sie:
den erforderlichen optischen Fasertyp;
Sender- und Empfängerarchitektur;
Steckerfamilie;
Anzahl der Fasern;
zulässige Kabelkonstruktion;
maximal unterstützte Verbindungsdistanz;
und alle systemspezifischen Kompatibilitätsanforderungen.
Wenn der Gerätehersteller ein bestimmtes optisches Medium oder eine bestimmte Kabelarchitektur spezifiziert, hat diese Anforderung Vorrang vor allgemeinen Annahmen über POF.
Die physische Passform allein garantiert keine optische Kompatibilität.
Jede optische Verbindung hat ein endliches Leistungsbudget.
Der Sender koppelt optische Leistung in die Faser ein. Verluste entstehen durch die Faser, Steckverbinder, Verbindungen, Temperatureffekte, Kontamination und andere Teile der Verbindung. Der Empfänger muss immer noch genügend optische Leistung empfangen, um die übertragenen Daten zuverlässig wiederherzustellen.
Die Kabellänge kann daher nicht unabhängig vom optischen System ausgewählt werden.
Eine Spezifikation für Servo-Faser-Kabel sollte sowohl die physische Länge als auch die optischen Einschränkungen der Controller- und Drive-Schnittstelle berücksichtigen.
Die Steckerkompatibilität ist ebenso wichtig.
Die Faser muss korrekt relativ zum Sender und Empfänger positioniert sein. Fasertyp, Steckverbindergeometrie und Endflächenzustand können alle die optische Kopplung und den Verbindungsverlust beeinflussen.
Bei Ersatzkabeln ist die Anpassung der ursprünglichen optischen Architektur im Allgemeinen sicherer, als ein Kabel nur deshalb zu wählen, weil der Stecker ähnlich aussieht.
Elektrische Isolation löst nur einen Teil der Anwendung.
Servo-Faser-Kabel sind immer noch mechanische Komponenten, die in echten Maschinen installiert werden.
Wichtige Auswahlbedingungen sind:
| Auswahlpunkt | Warum es wichtig ist | Was zu überprüfen ist |
|---|---|---|
| Faser-/Schnittstellenkompatibilität | Bestimmt, ob die optische Verbindung funktionieren kann | Spezifikationen des Servo-Controllers und -Antriebs |
| Kabellänge | Beeinflusst den gesamten optischen Verlust | Unterstützte Verbindungsdistanz und optisches Budget |
| Steckertyp | Kontrolliert mechanische und optische Kopplung | Genaue Schnittstelle und Verriegelungsmethode |
| Minimaler Biegeradius | Übermäßiges Biegen kann den Verlust erhöhen oder die Faser beschädigen | Kabel-Spezifikation und Verlegung |
| Zugbelastung | Übermäßiges Ziehen kann die Faser oder Terminierung beschädigen | Installationsmethode |
| Feste oder bewegliche Installation | Wiederholte Bewegung erzeugt mechanische Belastung | Flex-Anforderung |
| Betriebstemperatur | Faser- und Mantel-Eigenschaften hängen von der Temperatur ab | Maschinenumgebung und Kabelbewertung |
| Öl- oder chemische Exposition | Einige Kabelmaterialien können ungeeignet sein | Maschinenflüssigkeitsumgebung |
| Mantel- und Flammanforderungen | Kann vom Gerät oder Projekt gefordert werden | Installationsspezifikation |
| Stecker-Sauberkeit | Kontamination kann den optischen Verlust erhöhen | Installations- und Wartungsverfahren |
Auch die Verlegung verdient Aufmerksamkeit.
Ein Faserkabel kann elektrische Störungen vermeiden, wie es ein leitfähiges Signalkabel nicht kann, aber es kann immer noch ausfallen, wenn es scharf gebogen, gequetscht, übermäßig gezogen, einer ungeeigneten Umgebung ausgesetzt oder durch wiederholte Bewegung beschädigt wird.
Aus diesem Grund sollten Biegeradius, Zugbelastung, Betriebsumgebung und Handhabungsgrenzen als Teil der Kommunikationsverbindungs-Spezifikation und nicht als sekundäre Installationsdetails behandelt werden.
Die Beziehung kann direkt zusammengefasst werden:
| Servo-Umgebungsbedingung | Mögliches Kommunikationsproblem | Wie eine optische Verbindung hilft |
|---|---|---|
| Schnelles Wechselrichter-Schalten | Geleitete und abgestrahlte EMV | Faser leitet keine induzierten elektrischen Signale |
| Motorstromkabel nahe an Signalleitungen | Elektromagnetische Kopplung | Optische Übertragung entfernt metallische Signalleiter |
| Unterschiedliche elektrische Potenziale | Schleifenstrom oder Gleichtaktstrom | Faser unterbricht den leitfähigen Kommunikationspfad |
| Dichte Maschinenverdrahtung | Erhöhte Möglichkeiten für elektrische Kopplung | Leistungs- und Steuerelektronik in der Nähe |
| Schwierige Signalintegritätsumgebung | Elektrische Domänen können Informationen über Licht austauschen | Glasfaser eliminiert nicht die Notwendigkeit einer guten EMV-Konstruktion. |
Ordnungsgemäße Erdung, Abschirmung, Schranklayout, Installation von Motorkabeln und Design des Stromversorgungssystems bleiben wichtig.
Sein Wert liegt darin, dass das Kommunikationskabel selbst aufhört, einer der zu verwaltenden elektrischen Pfade zu sein.
Der eigentliche Grund, warum POF in Servosystemen auftaucht
Diese Eigenschaften sind nur dann wichtig, wenn sie ein Anwendungsproblem lösen.
In einem Servosystem beginnt die Argumentation oft mit der Leistungselektronik.
Der Antrieb schaltet erhebliche Spannung und Strom. Der Motor und seine Verkabelung arbeiten in dieser Schaltumgebung. Steuerungen und Antriebe können auch Gleichtaktstörungen und Potenzialunterschiede erfahren.
Zuverlässige Kommunikation muss mit diesen Bedingungen koexistieren.
Eine optische Verbindung entfernt den metallischen Signalpfad zwischen den Kommunikationsendpunkten. Wenn die erforderliche Verbindung relativ kurz ist, profitiert das System nicht unbedingt von der Fernübertragungsfähigkeit von Telekommunikations-Glasfaser.
In dieser Situation können der große Kern und die vergleichsweise einfachen Kopplungsmethoden, die bei industriellem POF verfügbar sind, zu nützlichen Ingenieursvorteilen werden.
Deshalb ist POF in bestimmten Servosystemen sinnvoll:
nicht weil Servo-Anwendungen universell Kunststofffasern benötigen, sondern weil einige Servo-Kommunikationsverbindungen elektrische Isolation und Rauschimmunität mehr benötigen als extreme Übertragungsdistanzen.Häufig gestellte Fragen
Eliminiert Glasfaser EMV-Probleme in einem Servosystem?
Warum Kunststoff-Lichtwellenleiter anstelle von Glasfaser in einem Servosystem verwenden?
Ist POF schnell genug für die Servo-Kommunikation?
Wie lang kann ein Servo-Faser-Kabel sein?
Was sollte ich beim Ersetzen eines Servo-Faser-Kabels überprüfen?
Servosysteme kombinieren präzise Steuerung mit einer elektrisch anspruchsvollen Umgebung. Ein Bewegungsregler kann zeitkritische Befehle mit Servoantrieben über eine kurze Maschinenverbindung austauschen, während die Kabel nahe an Motorkabeln, Wechselrichter-Leistungsstufen und geerdeten Maschinenstrukturen verlaufen.
Das schafft ein ganz anderes Kommunikationsproblem als die normale Büro-Netzwerknutzung.
Für viele Servoanwendungen besteht die Hauptaufgabe nicht darin, Daten über Kilometer zu übertragen. Es geht darum, zuverlässige Steuersignale in einer Umgebung aufrechtzuerhalten, die von elektromagnetischen Störungen, schnellen Schalttransienten, Gleichtaktrauschen und Potenzialunterschieden beeinflusst wird.
Hier wird optische Kommunikation wertvoll.Wenn die erforderliche Entfernung relativ kurz ist und die Schnittstelle dafür ausgelegt ist, Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF) kann ein praktisches optisches Medium bieten.
Ein Servosystem kombiniert normalerweise zwei sehr unterschiedliche elektrische Funktionen.
Die Steuerungsseite bearbeitet Positionsbefehle, Geschwindigkeitsreferenzen, Synchronisation, Rückmeldung, Diagnose und Kommunikation. Die Leistungsseite liefert schnell wechselnde Spannung und Strom an den Servomotor.
Diese Funktionen arbeiten oft eng zusammen.
Eine typische Servoinstallation platziert Bewegungsregler, Servoantriebe, Motorstromkabel und Kommunikationsverbindungen in demselben Schrank oder derselben Maschinenumgebung.
Diese Nähe ist wichtig, da Servoantriebe Leistungselektroniksysteme sind. Ihre elektromagnetische Umgebung ist so bedeutend, dass drehzahlvariable Leistungsantriebssysteme speziell von IEC 61800-3, dem EMV-Standard für Emissions- und Immunitätsanforderungen für Leistungsantriebssysteme, abgedeckt werden.
Ein Servoantrieb regelt die Motorgeschwindigkeit oder das Drehmoment nicht durch die Lieferung einer perfekt glatten analogen Spannung.
Seine Wechselrichterstufe schaltet Halbleiterbauelemente schnell um, um die vom Motor benötigten Spannungs- und Stromformen zu erzeugen. Pulsweitenmodulation, oder PWM, wird üblicherweise in diesem Prozess verwendet.
Diese Schaltübergänge erzeugen schnelle Änderungen von Spannung und Strom.
Aus EMV-Sicht ist nicht nur die nominale Schaltfrequenz von Belang. Schnelle Schaltflanken enthalten höherfrequente Energie, die durch verschiedene Mechanismen in benachbarte Schaltungen einkoppeln kann.
Kapazitive Kopplung kann zwischen Stromleitern und benachbarten Signalleitungen auftreten. Induktive Kopplung kann aus schnell wechselndem Strom resultieren. Parasitäre Kapazitäten zwischen Wechselrichter, Motorkabel, Motorwicklungen, Maschinenrahmen und Schutzleiter können ebenfalls Pfade für hochfrequente Gleichtaktströme bieten.
Das Motorkabel wird Teil dieser elektrischen Umgebung, da es die Wechselrichter-Ausgangsleistung durch die Maschine führt, potenziell nahe an Kommunikations- und Steuerleitungen.
Wie Servoantriebe eine EMV-intensive Kommunikationsumgebung schaffen
Gute Kabeltrennung, Abschirmung, Verbindung, Erdung und Schrankdesign können diese Effekte reduzieren, aber sie ändern nichts an der grundlegenden Tatsache, dass die Servo-Kommunikation oft neben einer starken Quelle elektrischen Rauschens betrieben wird.
EMV ist nur ein Teil des Problems.
Ein Regler und ein Servoantrieb können an verschiedenen Positionen innerhalb eines Schranks oder einer Maschine montiert sein. Ihre elektrischen Referenzen können durch Leiterimpedanz, Hochfrequenz-Leckströme, Schaltströme, Erdungstopologie und physikalische Anordnung beeinflusst werden.
Infolgedessen bleiben zwei an dasselbe Erdungssystem angeschlossene Stellen unter allen Betriebsbedingungen nicht unbedingt auf genau demselben momentanen elektrischen Potenzial.
Für eine leitfähige Kommunikationsverbindung ist dies wichtig.
Wenn zwei Geräte über ein Signalkabel elektrisch verbunden sind, können Potenzialunterschiede zu unerwünschten Strompfaden oder Gleichtaktspannungen beitragen. Die Kommunikationsschnittstelle muss diese Bedingungen tolerieren und gleichzeitig das beabsichtigte Datensignal korrekt erkennen.
Differenzielle Signalisierung, Abschirmung, Isolationskomponenten und sorgfältige Erdung können Kupferkommunikation sehr zuverlässig machen. Ein anderer Ansatz ist, den leitfähigen Kommunikationspfad vollständig zu entfernen.
Das ist einer der Hauptgründe, warum optische Verbindungen in elektrisch schwierigen Servo-Umgebungen nützlich sind.
Glasfaser bietet einen nichtleitenden Kommunikationspfad zwischen Servosystemgeräten. Da die Faser selbst keinen elektrischen Strom zwischen den Endpunkten leitet, kann sie verhindern, dass das Kommunikationskabel zu einem Pfad für Erdungsstrom oder elektrisch gekoppelte Störungen wird, was in der Nähe von Wechselrichtern, Motoren und Hochleistungskabeln wertvoll ist.
Ein optischer Sender wandelt das elektrische Datensignal in Licht um. Die Faser leitet dieses Licht zum Empfangsgerät, wo es wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Es gibt daher keinen metallischen Signalleiter, der zwischen den beiden optischen Anschlüssen verläuft.
Eine dielektrische Glasfaser verhält sich nicht wie ein metallischer Kommunikationsleiter.
Externe elektrische oder magnetische Felder induzieren keine Kommunikationsströme in der Faser selbst, und die Faser kann keinen leitfähigen Pfad für DC-Erdungsstrom zwischen den verbundenen Geräten bieten.
Dies ändert die Beziehung zwischen der Kommunikationsverbindung und der umgebenden Stromumgebung.
Betrachten Sie ein Kommunikationskabel, das in der Nähe der Ausgangsverdrahtung eines Servo-Wechselrichters verlegt ist. Bei einer elektrischen Verbindung muss die Schnittstelle die in die Leiter eingekoppelte elektromagnetische Energie verwalten und gleichzeitig die Signalintegrität erhalten.
Bei einer optischen Verbindung wandert die Information als Licht und nicht als elektrischer Strom durch die Faser.
Das bedeutet nicht, dass ein ganzes Servosystem immun gegen EMV wird. Der Sender, der Empfänger, die Steuerungs-Elektronik, die Antriebs-Elektronik, die Netzteile, das PCB-Layout, die Erdung und das gesamte Ausrüstungsdesign erfordern weiterhin eine ordnungsgemäße EMV-Konstruktion.
Der Vorteil ist spezifischer: das Faserkabel selbst schafft keinen elektrischen Kopplungspfad zwischen den beiden Kommunikationsendpunkten.
Dies erklärt auch die Beziehung zwischen optischer Kommunikation und elektrischer Isolation.
Bei einem leitfähigen Kommunikationsmedium sind die beiden Enden einer Verbindung elektrisch miteinander verbunden, es sei denn, eine geeignete Isolation ist an anderer Stelle in der Schnittstelle vorgesehen.
Ein optischer Pfad ändert diese Beziehung.
Der Sender kann in einer elektrischen Domäne und der Empfänger in einer anderen arbeiten, während Informationen als Licht die Grenze überschreiten. Das Kommunikationsmedium bietet daher keinen leitfähigen Pfad für Schleifenströme.
Kupfer-Kommunikationspfad vs. optische Isolation
Dies kann besonders wertvoll sein, wenn Steuerungen und Antriebe unterschiedliche Gleichtaktbedingungen aufweisen.
Die Unterscheidung zwischen der Faser und dem Gesamtsystem ist jedoch wichtig.
Eine dielektrische Faser entfernt den leitfähigen Signalpfad, aber die Isolationsfähigkeit der gesamten Schnittstelle hängt immer noch vom Sender, Empfänger, PCB-Design, der Isolationsstruktur, den Steckverbindern und der Ausrüstungsarchitektur ab.
Faser sollte daher als isolationsermöglichendes Kommunikationsmedium und nicht als Ersatz für ein ordnungsgemäßes System-Level-Design verstanden werden.
Glasfaser wird oft mit Telekommunikation, Rechenzentren und Fernnetzen in Verbindung gebracht. Dies kann den Eindruck erwecken, dass Glasfaser nur dann nützlich ist, wenn ein System extreme Bandbreite oder sehr lange Übertragungsdistanzen erfordert.
Servo-Kommunikation hat andere Prioritäten.
Ein Bewegungssteuerungssystem kann schnelle zyklische Kommunikation, Synchronisation zwischen Achsen, vorhersehbare Zeitsteuerung, stabile Befehlsübermittlung und zuverlässigen Betrieb in einer elektrisch verrauschten Umgebung erfordern.
Diese Anforderungen können anspruchsvoll sein, ohne eine Fernübertragung zu erfordern.
Viele Servo-Verbindungen bleiben innerhalb einer Maschine, einer Produktionszelle oder eines lokalen Steuerungssystems. In solchen Anwendungen bietet die Erweiterung der Übertragungsfähigkeit weit über die erforderliche Maschinenverbindung hinaus wenig zusätzlichen Ingenieurswert.
Dasselbe Argument gilt für die Bandbreite.
Servo-Kommunikation muss genügend Kapazität für die gewählte Steuerungsarchitektur bieten, aber maximale Rohbandbreite ist nicht automatisch das primäre Auswahlkriterium. Sobald die erforderliche Kommunikationszyklus, Synchronisation, Protokollleistung und Systemreaktion erfüllt sind, können andere Faktoren wichtiger werden.
In diesem Zusammenhang kann optische Kommunikation synchronisierte Steuerung unterstützen und gleichzeitig das Kommunikationsmedium elektrisch von der umgebenden Stromumgebung trennen.
Die Ingenieursfrage ist daher nicht einfach, welches Medium die höchstmögliche Bandbreite hat.
Es ist, welches Medium die Timing-, Entfernungs-, Rauschimmunitäts-, Isolations-, mechanischen und Kompatibilitätsanforderungen des Servosystems zuverlässig erfüllt.
Sobald eine optische Verbindung gewählt wurde, stellt sich eine weitere Frage: Warum Kunststoff-Lichtwellenleiter anstelle von herkömmlicher Glasfaser verwenden?
Die Antwort hängt von den Anwendungsanforderungen ab.
POF ist nicht dazu bestimmt, jede Form von Glasfaser zu ersetzen. Seine Vorteile sind am relevantesten, wenn ein industrielles System eine relativ kurze optische Verbindung, eine einfache Kopplung, eine praktische Montage und eine zuverlässige Übertragung ohne die Entfernungsanforderungen eines Telekommunikationsnetzes benötigt.
Viele industrielle Step-Index-POF-Systeme verwenden einen Kern mit einem Durchmesser von fast 1 mm.
Dieser große optische Kern kann die Kopplungsempfindlichkeit reduzieren und mechanisch einfachere industrielle optische Schnittstellen unterstützen.
Warum vereinfacht großkerniges POF die optische Kopplung
Dies hat praktische Konsequenzen.
Wenn das optische Ziel relativ groß ist, benötigen Sender, Stecker und Empfänger nicht die gleiche Präzision bei der Ausrichtung, die von viel kleineren optischen Geometrien gefordert wird.
Für Industrieausrüstungen kann dies wichtiger sein als die Erzielung der geringstmöglichen Dämpfung über sehr lange Distanzen.
Eine Servo-Maschine benötigt möglicherweise eine robuste optische Verbindung, die konsistent montiert und gewartet werden kann. Wenn die erforderliche Kommunikationsentfernung kurz ist, können die praktischen Vorteile der großkernigen Kopplung relevanter sein als die Fernübertragungsfähigkeit.
Die große Faserngeometrie ermöglicht auch relativ einfache Steckverbindersysteme.
Abhängig von der Komponenten-Familie kann industrielle POF Snap-in-, Crimp-freie, mechanisch verriegelnde oder steckerlose Terminierungsmethoden verwenden.
Einfache industrielle POF-Terminierung
Einige Systeme erlauben es, die Faser auf Länge zu schneiden und direkt in die optische Komponente zu montieren. Andere verwenden einen Stecker mit einem relativ einfachen Schneide- und Bearbeitungsprozess.
Dies kann POF in Maschinen nützlich machen, bei denen eine optische Isolation erforderlich ist, aber eine komplexe Faserterminierung unnötigen Installationsaufwand bedeuten würde.
Nicht jeder POF-Stecker verwendet die gleiche Terminierungsmethode.
Einige Systeme erfordern immer noch kontrolliertes Schneiden, Endflächenvorbereitung oder Polieren. Die Installation sollte daher den Anforderungen des tatsächlichen Steckers und Transceiver-Systems folgen.
Der Vorteil ist nicht, dass POF niemals eine Faserpräparation erfordert.
Es ist, dass großkerniges POF vergleichsweise einfache industrielle Steckverbinder-Architekturen unterstützen kann.
Kunststoff-Lichtwellenleiter haben im Allgemeinen eine höhere Dämpfung als Silizium-Telekommunikationsfasern.
Für die Fernkommunikation ist dies eine wichtige Einschränkung.
Innerhalb einer kompakten Maschine kann die erforderliche Übertragungsentfernung jedoch kurz genug sein, dass eine extrem geringe Dämpfung wenig zusätzlichen Systemwert bietet.
Wenn eine Controller-zu-Drive-Verbindung nur innerhalb der vom Servosystem unterstützten Entfernung arbeiten muss, ist die relevante Frage, ob der vollständige optische Leistungsbudget diese Verbindung mit ausreichendem Spielraum unterstützt.
Ein POF-System, das für diesen Bereich ausgelegt ist, kann daher geeignet sein, auch wenn eine andere Fasertechnologie viel weiter übertragen könnte.
Ein Kommunikationsmedium sollte anhand der erforderlichen Verbindung und nicht anhand der maximalen Leistung einer anderen Technologie bewertet werden.
Für kurze industrielle Verbindungen kann POF Fernübertragungsfähigkeit gegen einfachere optische Kopplung und Installation tauschen.
Die Verwendung von optischer Kommunikation in Servosystemen bedeutet nicht, dass jedes Servosystem POF verwenden sollte.
Moderne Bewegungssteuerungssysteme verwenden unterschiedliche Kommunikationsarchitekturen. Abhängig vom Ausrüstungsdesign kann das Controller-zu-Drive-Netzwerk Kupferkommunikation, Kunststoff-Lichtwellenleiter, Silizium-Lichtwellenleiter oder eine andere physikalische Schicht verwenden.
Längere optische Verbindungen können Siliziumfasern aufgrund ihrer geringeren Dämpfung bevorzugen.
Auch die Temperatur kann die Auswahl beeinflussen. Der zulässige Betriebsbereich hängt von der Faser, der Ummantelung, dem Stecker und der gesamten Kabelkonstruktion ab, daher muss die spezifizierte Servo-Umgebung gegen die Kabelbewertung geprüft werden.
Mechanische Anforderungen sind ebenfalls wichtig.
Ein Kabel, das dauerhaft in einem Schrank installiert ist, ist anderen Belastungen ausgesetzt als eines, das in einem sich ständig bewegenden Maschinenteil verlegt ist.
Am wichtigsten ist, dass die Servo-Schnittstelle selbst die Kompatibilität bestimmt.
Ein optischer Anschluss, der für einen bestimmten Fasertyp, eine bestimmte Steckverbindergeometrie oder eine bestimmte optische Verbindung ausgelegt ist, kann nicht einfach in ein anderes Fasersystem umgewandelt werden, nur weil die alternative Faser attraktive allgemeine Spezifikationen hat.
Für Servoanwendungen hat die Systemkompatibilität Vorrang vor der generischen Faserleistung.
Auswahlfaktoren für Servo-Faser-Kabel
Zwei optische Kabel können ähnlich aussehen und dennoch für dasselbe Servosystem ungeeignet sein.
Identifizieren Sie zuerst die genaue Schnittstelle des Controllers und des Servoantriebs.
Prüfen Sie:
den erforderlichen optischen Fasertyp;
Sender- und Empfängerarchitektur;
Steckerfamilie;
Anzahl der Fasern;
zulässige Kabelkonstruktion;
maximal unterstützte Verbindungsdistanz;
und alle systemspezifischen Kompatibilitätsanforderungen.
Wenn der Gerätehersteller ein bestimmtes optisches Medium oder eine bestimmte Kabelarchitektur spezifiziert, hat diese Anforderung Vorrang vor allgemeinen Annahmen über POF.
Die physische Passform allein garantiert keine optische Kompatibilität.
Jede optische Verbindung hat ein endliches Leistungsbudget.
Der Sender koppelt optische Leistung in die Faser ein. Verluste entstehen durch die Faser, Steckverbinder, Verbindungen, Temperatureffekte, Kontamination und andere Teile der Verbindung. Der Empfänger muss immer noch genügend optische Leistung empfangen, um die übertragenen Daten zuverlässig wiederherzustellen.
Die Kabellänge kann daher nicht unabhängig vom optischen System ausgewählt werden.
Eine Spezifikation für Servo-Faser-Kabel sollte sowohl die physische Länge als auch die optischen Einschränkungen der Controller- und Drive-Schnittstelle berücksichtigen.
Die Steckerkompatibilität ist ebenso wichtig.
Die Faser muss korrekt relativ zum Sender und Empfänger positioniert sein. Fasertyp, Steckverbindergeometrie und Endflächenzustand können alle die optische Kopplung und den Verbindungsverlust beeinflussen.
Bei Ersatzkabeln ist die Anpassung der ursprünglichen optischen Architektur im Allgemeinen sicherer, als ein Kabel nur deshalb zu wählen, weil der Stecker ähnlich aussieht.
Elektrische Isolation löst nur einen Teil der Anwendung.
Servo-Faser-Kabel sind immer noch mechanische Komponenten, die in echten Maschinen installiert werden.
Wichtige Auswahlbedingungen sind:
| Auswahlpunkt | Warum es wichtig ist | Was zu überprüfen ist |
|---|---|---|
| Faser-/Schnittstellenkompatibilität | Bestimmt, ob die optische Verbindung funktionieren kann | Spezifikationen des Servo-Controllers und -Antriebs |
| Kabellänge | Beeinflusst den gesamten optischen Verlust | Unterstützte Verbindungsdistanz und optisches Budget |
| Steckertyp | Kontrolliert mechanische und optische Kopplung | Genaue Schnittstelle und Verriegelungsmethode |
| Minimaler Biegeradius | Übermäßiges Biegen kann den Verlust erhöhen oder die Faser beschädigen | Kabel-Spezifikation und Verlegung |
| Zugbelastung | Übermäßiges Ziehen kann die Faser oder Terminierung beschädigen | Installationsmethode |
| Feste oder bewegliche Installation | Wiederholte Bewegung erzeugt mechanische Belastung | Flex-Anforderung |
| Betriebstemperatur | Faser- und Mantel-Eigenschaften hängen von der Temperatur ab | Maschinenumgebung und Kabelbewertung |
| Öl- oder chemische Exposition | Einige Kabelmaterialien können ungeeignet sein | Maschinenflüssigkeitsumgebung |
| Mantel- und Flammanforderungen | Kann vom Gerät oder Projekt gefordert werden | Installationsspezifikation |
| Stecker-Sauberkeit | Kontamination kann den optischen Verlust erhöhen | Installations- und Wartungsverfahren |
Auch die Verlegung verdient Aufmerksamkeit.
Ein Faserkabel kann elektrische Störungen vermeiden, wie es ein leitfähiges Signalkabel nicht kann, aber es kann immer noch ausfallen, wenn es scharf gebogen, gequetscht, übermäßig gezogen, einer ungeeigneten Umgebung ausgesetzt oder durch wiederholte Bewegung beschädigt wird.
Aus diesem Grund sollten Biegeradius, Zugbelastung, Betriebsumgebung und Handhabungsgrenzen als Teil der Kommunikationsverbindungs-Spezifikation und nicht als sekundäre Installationsdetails behandelt werden.
Die Beziehung kann direkt zusammengefasst werden:
| Servo-Umgebungsbedingung | Mögliches Kommunikationsproblem | Wie eine optische Verbindung hilft |
|---|---|---|
| Schnelles Wechselrichter-Schalten | Geleitete und abgestrahlte EMV | Faser leitet keine induzierten elektrischen Signale |
| Motorstromkabel nahe an Signalleitungen | Elektromagnetische Kopplung | Optische Übertragung entfernt metallische Signalleiter |
| Unterschiedliche elektrische Potenziale | Schleifenstrom oder Gleichtaktstrom | Faser unterbricht den leitfähigen Kommunikationspfad |
| Dichte Maschinenverdrahtung | Erhöhte Möglichkeiten für elektrische Kopplung | Leistungs- und Steuerelektronik in der Nähe |
| Schwierige Signalintegritätsumgebung | Elektrische Domänen können Informationen über Licht austauschen | Glasfaser eliminiert nicht die Notwendigkeit einer guten EMV-Konstruktion. |
Ordnungsgemäße Erdung, Abschirmung, Schranklayout, Installation von Motorkabeln und Design des Stromversorgungssystems bleiben wichtig.
Sein Wert liegt darin, dass das Kommunikationskabel selbst aufhört, einer der zu verwaltenden elektrischen Pfade zu sein.
Der eigentliche Grund, warum POF in Servosystemen auftaucht
Diese Eigenschaften sind nur dann wichtig, wenn sie ein Anwendungsproblem lösen.
In einem Servosystem beginnt die Argumentation oft mit der Leistungselektronik.
Der Antrieb schaltet erhebliche Spannung und Strom. Der Motor und seine Verkabelung arbeiten in dieser Schaltumgebung. Steuerungen und Antriebe können auch Gleichtaktstörungen und Potenzialunterschiede erfahren.
Zuverlässige Kommunikation muss mit diesen Bedingungen koexistieren.
Eine optische Verbindung entfernt den metallischen Signalpfad zwischen den Kommunikationsendpunkten. Wenn die erforderliche Verbindung relativ kurz ist, profitiert das System nicht unbedingt von der Fernübertragungsfähigkeit von Telekommunikations-Glasfaser.
In dieser Situation können der große Kern und die vergleichsweise einfachen Kopplungsmethoden, die bei industriellem POF verfügbar sind, zu nützlichen Ingenieursvorteilen werden.
Deshalb ist POF in bestimmten Servosystemen sinnvoll:
nicht weil Servo-Anwendungen universell Kunststofffasern benötigen, sondern weil einige Servo-Kommunikationsverbindungen elektrische Isolation und Rauschimmunität mehr benötigen als extreme Übertragungsdistanzen.Häufig gestellte Fragen
Eliminiert Glasfaser EMV-Probleme in einem Servosystem?
Warum Kunststoff-Lichtwellenleiter anstelle von Glasfaser in einem Servosystem verwenden?
Ist POF schnell genug für die Servo-Kommunikation?
Wie lang kann ein Servo-Faser-Kabel sein?
Was sollte ich beim Ersetzen eines Servo-Faser-Kabels überprüfen?