在廣泛的工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應用中，從機器人、物料搬運到食品和飲料，越來越多地使用不斷緊湊的電機控制器。然而，隨著控制器的縮小，對于設計者來說，如何簡單而經(jīng)濟地路由和連接電源和數(shù)據(jù)信號，同時確保電磁兼容性 (EMC) 和操作者的安全，變得很有挑戰(zhàn)性。

先進的開源接口，如高性能接口數(shù)字伺服鏈路 (Hiperface DSL) 和單電纜解決方案 (SCS) 開放鏈路已經(jīng)出現(xiàn)，有助于使用單個緊湊的連接器同時連接電源數(shù)據(jù)信號。這簡化了連接，但使連接器的質(zhì)量、設計和性能變得極為重要，這樣才能確保信號完整性、電磁兼容性和符合 IP20 的防觸摸及侵入要求。

本文簡要介紹了 Hiperface DSL 和 SCS 開放鏈路接口，然后討論了在空間受限的環(huán)境中能同時承載電源和數(shù)據(jù)信號的連接器機制的電氣和機械要求。最后介紹了 Weidmüller 的混合電機控制連接器，并展示了如何使用它們來滿足這些要求。

什么是 Hiperface DSL 和 SCL 開放鏈路？

轉(zhuǎn)向使用 Hiperface DSL 和 SCS 開放鏈路是為了將電源和數(shù)據(jù)放在同一個連接器上，以節(jié)省空間，降低成本，并簡化高性能電機控制器的設計（圖 1）。兩者都基于 RS-485。

圖 1：Hiperface DSL 和 SCS 開放鏈路的混合插接式連接器節(jié)省了電機驅(qū)動器印刷電路板空間，簡化了連接。（圖片來源：Weidmüller）

Hiperface DSL 是一個單電纜數(shù)字協(xié)議，包括兩根用于雙向通信的屏蔽線和編碼器電源、電機電源線和電機制動線（圖 2）。

圖 2：一條基本的 Hiperface DSL 兼容電纜由三部分組成：電源（三相電源，黑色內(nèi)大棕色塊，和接地，黃色/綠色中的棕色塊 ）、單獨屏蔽的電機制動對（黑色中的小棕色塊）以及用于數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯为毱帘螖?shù)據(jù)對（藍色中的棕色塊和灰色中的棕色塊） ，所有這些都包含在一條屏蔽電纜里。（圖片來源：Weidmüller）

Hiperface DSL 的數(shù)據(jù)傳輸率為 9.375 兆波特 (MBaud)，在電機控制器和電機之間的電纜長度最長可達 100 米 (m)。在 Hiperface DSL 上有兩種傳輸數(shù)據(jù)的方式；在信號和噪聲條件下盡可能快地循環(huán)傳輸，或與控制器時鐘同步傳輸。Hiperface DSL 協(xié)議包括幾個重要的功能：

• 能夠同步處理來自編碼器的位置和轉(zhuǎn)速信息，周期時間短至 12.1 微秒 (μs)。
• 電機反饋系統(tǒng)的安全位置傳輸?shù)淖畲笾芷跁r間為 192 μs。
• 符合 IEC 61508 安全完整性等級 (SIL) 2 的要求，可實現(xiàn)電機反饋系統(tǒng)安全位置的冗余傳輸，最大循環(huán)時間為 192 μs。
• 在合適的電機反饋系統(tǒng)中使用時，符合 IEC 61508 的 SIL 3 要求。
• 雙向普通數(shù)據(jù)傳輸，帶寬高達 340 千波特 (kBaud) ，用于傳輸參數(shù)，包括存儲電機控制器數(shù)據(jù)的電子類型標簽和電機反饋系統(tǒng)的電子類型標簽。
• 攜帶外部電機傳感器（加速度、扭矩、溫度等）數(shù)據(jù)的獨立通道，通過 Hiperface DSL 傳感器中樞協(xié)議連接到電機反饋網(wǎng)絡。

SCS 開放鏈路電機反饋接口也設計成支持電機和控制器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，包括速率高達 10 MBaud 的編碼器數(shù)據(jù)。它支持兩線和四線實現(xiàn)。SCS 開放鏈路針對工業(yè) 4.0 進行了優(yōu)化，特別是在新興的 IIoT 應用方面，如電機狀態(tài)監(jiān)測和預測性維護。

像 Hiperface DSL 一樣，SCS 開放鏈路最高認證級別為 SIL 3。此外，SCS 開放鏈路符合 EN ISO 13849 e 級性能等級 (PLe)、3 類的功能安全要求。這些單電纜解決方案滿足 IEC 61508-2: 2010 和 IEC 61784-3: 2017 的功能安全要求。

Hiperface DSL 和 SCS 開放鏈路所面臨的連接器挑戰(zhàn)

為了使 Hiperface DSL 和 SCS 開放鏈路可靠地運行，在帶有編碼器的電機和驅(qū)動器之間需要一個良好的屏蔽連接。使用插接式連接器和連接終端，以盡量減少接口的數(shù)量，有助于實現(xiàn)良好的屏蔽連接。在電機和編碼器與驅(qū)動器之間采用連續(xù)且屏蔽的電纜也是必要的。一根屏蔽電纜有兩個插接式連接器，一個優(yōu)化了與電機的連接，一個優(yōu)化了與驅(qū)動器的連接，這提供了一個經(jīng)濟的方法，并在 Hyperface DSL 和 SCS 開放鏈路中得以實現(xiàn)。

除了使用屏蔽電纜外，還需要在電纜的兩端正確端接屏蔽層。在互連的電機側使用帶有金屬外殼的插接式圓形連接器（通常是 M23 圓形連接器，圖 3）。

圖 3：Hiperface DSL 和 SCS 開放鏈路都在電機和驅(qū)動器之間支持最長 100 米的電纜長度；電機連接在左邊，電機控制器的混合插接式連接器在右邊。（圖片來源：Weidmüller）

為了控制成本，互連的驅(qū)動器側的插接式連接器不需要有金屬外殼。驅(qū)動器連接器的物理設計是非標準化的，因此驅(qū)動器設計者在開發(fā)自己的連接器時需要謹慎，以滿足性能要求，同時隨時連接到印刷電路板上，以簡化連接，盡量降低連接器成本。通過適當?shù)碾娎|設計和組裝，以及良好的 EMI 屏蔽做法，電纜長度就可以達到 100 米。

針對電源、信號和 EMC 的三合一連接器解決方案

盡管有可能花時間開發(fā)一個連接器設計，但很少有電機驅(qū)動器設計者有經(jīng)驗或時間掌握連接器設計的細微差別，盡管要求盡可能實現(xiàn)最佳性能。相反，他們可以求助于像 Weidmüller 這樣的公司，這些公司已經(jīng)關注這些問題并提出了一些有效的解決方案。

例如，其 OMNIMATE 電源混合連接器就是一個三合一的解決方案，包括信號、電源和 EMC 功能，可實現(xiàn) Hiperface DSL 和 SCS 開放鏈路協(xié)議，同時節(jié)省了電機驅(qū)動器 PC 板以及控制柜的空間。該連接器有幾種配置，包括六位（圖 4，左）、七位、八位和九位（圖 4，右）。

圖 4：OMNIMATE 電源混合連接器是一個三合一（電源、信號、EMC）解決方案，中間有一個自鎖法蘭（紅色）。它們有六個（左）、七個、八個或九個（右）位置。（圖片來源：Weidmüller）

這些混合型連接器包括電源和信號觸頭，采用 7.62 毫米 (mm) 間距的推入式導線連接，符合 IEC 61800-5-1 和 UL 1059 C 類 600 伏（用于電源觸頭）的要求。

該連接器具有確保可靠連接所需的幾個實用設計特點。首先，它們在編碼器和電機電源連接之間有良好的隔離，以盡量減少 EMC 問題。其次，各種信號和電源連接的安排也得到了仔細考慮。例如，像保護性接地 (PE) 這樣的“中性線”連接在中間，編碼器線路和電機制動線路的信號和數(shù)據(jù)連接則對稱和橫向放置。

為了便于使用，單手、免工具、自鎖、插接式聯(lián)鎖機制減少了安裝和維護時間。與其他解決方案相比，聯(lián)鎖還減少了一個間距寬度的空間要求。屏蔽罩上的 30? 電纜入口角度在行間節(jié)省了 10 厘米 (cm) 空間，減少了解決方案的尺寸。

有效使用 OMNIMATE 電源混合連接器

為了充分利用 OMNIMATE 電源混合連接器，正確的電纜組裝方法和屏蔽端接是必要的，以控制 EMI 并確保系統(tǒng)的可靠性。雖然設計得很周到，但 OMNIMATE Power Hybrid 仍然是一個單電纜接口，所以電源和信號線仍然相對接近。因此，良好的設計實踐要求確保電纜屏蔽層和連接器之間實現(xiàn)低阻抗連接。OMNIMATE 包含一個帶有可插拔彈簧觸頭的屏蔽連接板，在這里特別有用。這為驅(qū)動器提供了一個防震的屏蔽連接，并使電源和編碼器電纜的屏蔽辮子連接牢固（圖 5）。為屏蔽連接提供盡可能大的接觸面是一個最佳解決方案。

圖 5：使用一個金屬電纜扎帶在單根電纜和插接式混合連接器解決方案之間進行低阻抗屏蔽連接的實例。（圖片來源：Weidmüller）

有幾種連接方式可以將內(nèi)外屏蔽層連接到屏蔽層連接板上。這些選項包括金屬電纜扎帶和軟管夾的各種組合，這些組合安排是為了確保連接的安全性，并盡可能靠近信號連接（圖 6）。

圖 6：有多種方法將電纜屏蔽層連接到 OMNIMATE 混合電源連接器，包括使用金屬電纜扎帶和軟管夾。（圖片來源：Weidmüller）

彈簧式機械設計為電機控制器的設計者提供了最大的自由度，可以將屏蔽連接放在散熱器上或直接放在印刷電路板上，確保可靠的防震表面接觸區(qū)。

性能測試和安全

一旦設計完成并生產(chǎn)出電纜組件，測量電纜屏蔽的有效性是很重要的。例如，依據(jù) VG95373-41 “設備的電磁兼容性——測量屏蔽電纜和屏蔽保護電纜軟管的方法” 標準的 KS04B 測量方式，對于確定接觸點對屏蔽編織層和插座、插頭的影響以及屏蔽層本身的質(zhì)量是很有用的。這種測量方法是有限的，但它對于比較和評估不同屏蔽和屏蔽接觸方式的有效性是很有用的（圖 7）。KS 04 B 測量的局限性包括標準化的電纜長度只有 1 米，并且使用 50 歐姆 (Ω) 系統(tǒng)（不考慮實際的電纜阻抗）。

圖 7：根據(jù) VG95373-41 標準，比較三種屏蔽連接方法的插入損耗，方向線（紅色）代表典型的預期值。（圖片來源：Weidmüller）

這些插接式連接器符合 IP20 安全標準，在正確接線的情況下，對操作人員來說是安全的。然而，在典型的電機控制器中存在著大容量電容器，如果管理不善，會造成操作人員觸電。在進行維修時，電容器必須已經(jīng)放電，并且沒有電壓。雖然達到 IP20 等級，但仍然建議操作者在接觸連接器之前等待幾分鐘，讓電容器放電。最后，這些開放式混合連接器設計能夠讓操作人員立即看到并驗證所有電纜都沒有損壞并連接正確。

結語

在緊湊的高性能電機控制器中，轉(zhuǎn)向使用單一混合互連系統(tǒng)來傳輸電源和數(shù)據(jù)，會讓設計者難以支持 EMC 和確保運行可靠，以及確保操作者的安全。但是，如果有了本文所述的設計良好的三合一電源數(shù)據(jù)混合插接式連接器解決方案就不同了，因為它們支持像 Hiperface DSL 和 SCS 開放鏈路這樣的協(xié)議，同時還提供可靠的 EMC 屏蔽，并達到 IP20 級安全標準。