Wie ein hybrider Steckverbinder für eine kompakte, flexible und leistungsstarke Motorsteuerung sorgt

Von Jeff Shepard

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Der Einsatz von immer kompakteren Motorsteuerungen nimmt in einer Vielzahl von Industrie-4.0- und IIoT-Anwendungen (IIoT: Industrial Internet of Things, Industrielles Internet der Dinge) zu, von der Robotik über den Materialtransport bis hin zur Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Da die Steuerungen jedoch immer kleiner werden, wird es für die Konstrukteure zu einer Herausforderung, sowohl Strom- als auch Datensignale einfach und kostengünstig zu verlegen und anzuschließen und dabei die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und die Sicherheit des Bedieners zu gewährleisten.

Moderne Open-Source-Schnittstellen wie Hiperface DSL (High-Performance-Interface-Digital-Servo-Link) und SCS Open Link (Single-Cable Solutions Open Link) haben sich entwickelt, um beide Leistungs- und Datensignale über einen einzigen kompakten Stecker zu verbinden. Dies vereinfacht die Verbindung, macht aber die Qualität, das Design und die Leistung dieses Steckverbinders zu einem entscheidenden Faktor, um die Signalintegrität, EMV und die Einhaltung der IP20-Anforderungen für Berührungsschutz und Eindringen zu gewährleisten.

Dieser Artikel beschreibt kurz die Hiperface-DSL- und SCS-Open-Link-Schnittstellen, bevor er die elektrischen und mechanischen Anforderungen an einen Steckverbindermechanismus erörtert, der sowohl Strom- als auch Datensignale in einer platzbeschränkten Umgebung übertragen kann. Anschließend stellt er hybride Motorsteuerungssteckverbinder von Weidmüller vor und zeigt, wie sie diese Anforderungen erfüllen können.

Was sind Hiperface DSL und SCS Open Link?

Die Umstellung auf Hiperface DSL und SCS Open Link ist ein Versuch, sowohl Leistung als auch Daten auf denselben Steckverbinder zu legen, um Platz zu sparen, Kosten zu senken und das Design von Hochleistungsmotorsteuerungen zu vereinfachen (Bild 1). Beide basieren auf RS-485.

Bild der Hybrid-Steckverbinder von Weidmüller für Hiperface DSL und SCS Open LinkAbbildung 1: Hybrid-Steckverbinder für Hiperface DSL und SCS Open Link sparen Platz auf der Motorantriebsplatine und vereinfachen die Anschlusstechnik. (Bildquelle: Weidmüller)

Hiperface DSL ist ein digitales Protokoll für ein einziges Kabel, das zwei abgeschirmte Adern für die bidirektionale Kommunikation sowie Geber-, Motorstrom- und Motorbremskabel umfasst (Abbildung 2).

Schema eines einfachen Hiperface-DSL-kompatiblen KabelsAbbildung 2: Ein grundlegendes Hiperface-DSL-kompatibles Kabel besteht aus drei Elementen: einer Spannungsversorgung (Drehstrom, großes Braun in Schwarz, und Masse, Braun in Gelb/Grün), einem separat geschirmten Motorbremsenpaar (kleines Braun in Schwarz) und einem separat geschirmten Datenpaar (Braun in Blau und Braun in Grau) für die digitale Datenübertragung, alles in einem geschirmten Kabel. (Bildquelle: Weidmüller)

Hiperface DSL bietet eine Datenübertragungsrate von 9,375 Megabaud (MBaud) über Kabellängen von bis zu 100 Metern (m) zwischen Motorcontroller und Motor. Es gibt zwei Möglichkeiten, Daten auf Hiperface DSL zu übertragen; zyklisch, so schnell wie unter den gegebenen Signal- und Rauschbedingungen möglich, oder synchron mit dem Controller-Takt. Das Hiperface-DSL-Protokoll enthält mehrere wichtige Merkmale:

  • Die Fähigkeit, Positions- und Drehzahlinformationen vom Encoder mit Zykluszeiten von nur 12,1 Mikrosekunden (μs) synchron zu verarbeiten.
  • Eine maximale Zykluszeit von 192 μs für die Übertragung der sicheren Position des Motorfeedbacksystems.
  • Erfüllt die SIL-2-Anforderungen (SIL: Safety Integrity Level, Sicherheitsintegritätsstufe) gemäß IEC 61508 für die redundante Übertragung der sicheren Position des Motorfeedbacksystems mit einer maximalen Zykluszeit von 192 μs.
  • Erfüllt die SIL-3-Anforderungen gemäß IEC 61508 bei Einsatz in geeigneten Motorfeedbacksystemen.
  • Bidirektionale allgemeine Datenübertragung mit einer Bandbreite von bis zu 340 Kilobaud (kBaud) für die Übertragung von Parametern, einschließlich der Speicherung eines elektronischen Typenschilds der Motorsteuerungsdaten und eines elektronischen Typenschilds für das Motorfeedbacksystem.
  • Ein separater Kanal, der Daten von externen Motorsensoren (Beschleunigung, Drehmoment, Temperatur usw.) führt, die über das Hiperface-DSL-Sensor-Hub-Protokoll mit dem Motorfeedback-Netzwerk verbunden sind.

Die Motor-Feedback-Schnittstelle SCS Open Link ist ebenfalls für die Unterstützung bidirektionaler Daten zwischen einem Motor und einer Steuerung ausgelegt, einschließlich Encoderdaten mit Raten von bis zu 10 MBaud. Sie unterstützt Zwei- und Vier-Draht-Implementierungen. SCS Open Link ist für Industrie 4.0 optimiert, insbesondere im Hinblick auf aufkommende IIoT-Anwendungen, wie z. B. Motorzustandsüberwachung und vorausschauende Wartung.

Wie Hiperface DSL ist auch SCS Open Link bis SIL 3 zertifiziert. Darüber hinaus erfüllt SCS Open Link die Anforderungen der funktionalen Sicherheit nach EN ISO 13849 Performance Level e (PLe), Kategorie 3. Diese Einkabellösungen erfüllen die Anforderungen der funktionalen Sicherheit nach IEC 61508-2:2010 und IEC 61784-3:2017.

Die Steckverbinder-Herausforderung bei Hiperface DSL und SCS Open Link

Für den sicheren Betrieb mit Hiperface DSL und SCS Open Link ist eine gut geschirmte Verbindung zwischen einem Motor mit Geber und dem Antrieb erforderlich. Der Einsatz von Steckverbindern und Anschlussklemmen zur Minimierung der Schnittstellenanzahl hilft. Außerdem sind durchgehende, geschirmte Leitungen zwischen Motor und Geber und dem Antrieb erforderlich. Ein einziges geschirmtes Kabel mit zwei Steckverbindern, einer optimiert für den Anschluss an den Motor und einer optimiert für den Anschluss an den Antrieb, bietet einen wirtschaftlichen Ansatz und ist sowohl in Hyperface DSL als auch in SCS Open Link implementiert.

Zusätzlich zur Verwendung eines geschirmten Kabels muss die Abschirmung an beiden Enden des Kabels ordnungsgemäß abgeschlossen werden. Auf der Motorseite werden Rundsteckverbinder (meist M23-Rundsteckverbinder) mit Metallgehäuse verwendet (Abbildung 3).

Bild: Kabellängen bis zu 100 m zwischen Motor und AntriebAbbildung 3: Kabellängen bis zu 100 m zwischen Motor und Antrieb werden sowohl von Hiperface DSL als auch von SCS Open Link unterstützt; links ist der Motoranschluss, rechts der Hybrid-Steckverbinder für den Motorcontroller. (Bildquelle: Weidmüller)

Um Kosten zu sparen, muss der Steckverbinder auf der Antriebsseite der Verbindung kein Metallgehäuse haben. Das physikalische Design von Antriebssteckverbindern ist nicht standardisiert, daher müssen Antriebskonstrukteure bei der Entwicklung ihres eigenen Steckverbinders sorgfältig vorgehen, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig eine einfache Verbindung zu Leiterplatten herzustellen, um die Anschlüsse zu vereinfachen und die Steckverbinderkosten zu minimieren. Bei korrektem Kabeldesign und korrekter Konfektionierung sowie guter EMI-Abschirmung sind Kabellängen bis zu 100 m realisierbar.

Drei-in-Eins-Steckverbinderlösungen für Stromversorgung, Signale und EMV

Obwohl es möglich ist, Zeit in die Entwicklung eines Steckverbinderdesigns zu investieren, haben nur wenige Konstrukteure von Motorantrieben die nötige Erfahrung oder Zeit, um sich mit den Feinheiten des Steckverbinderdesigns vertraut zu machen, obwohl sie die bestmögliche Leistung benötigen. Stattdessen können sie sich an Unternehmen wie Weidmüller wenden, die sich bereits mit den Themen beschäftigt und elegante Lösungen gefunden haben.

Die Hybrid-Leistungssteckverbinder der Serie OMNIMATE beispielsweise sind eine Drei-in-Eins-Lösung, die Signal-, Stromversorgungs- und EMV-Funktionen umfasst, um sowohl das Hiperface-DSL- als auch das SCS-Open-Link-Protokoll zu implementieren und gleichzeitig Platz auf der Motorantriebsplatine sowie im Schaltschrank zu sparen. Die Steckverbinder sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, u. a. mit sechs Positionen (Abbildung 4, links), sieben Positionen, acht Positionen und neun Positionen (Abbildung 4, rechts).

Bild des Hybrid-Leistungssteckverbinders OMNIMATE von WeidmullerAbbildung 4: Die Hybrid-Leistungssteckverbinder OMNIMATE sind eine 3-in-1-Lösung (Leistung, Stromversorgung, EMV) mit einem selbstverriegelnden Mittelflansch (rot). Es gibt sie mit sechs (links), sieben, acht oder neun (rechts) Positionen. (Bildquelle: Weidmüller)

Diese Hybridsteckverbinder umfassen Leistungs- und Signalkontakte mit Push-In-Drahtanschlüssen im Raster 7,62 Millimeter (mm) und erfüllen die Anforderungen von IEC 61800-5-1 und UL 1059 der Klasse C für 600 Volt (für die Leistungskontakte).

Die Steckverbinder weisen mehrere praktische Konstruktionsmerkmale auf, die für eine zuverlässige Verbindung erforderlich sind. Erstens haben sie eine gute Trennung zwischen den Encoder- und Motorstromanschlüssen, um EMV-Bedenken zu minimieren. Zweitens wurde die Anordnung der verschiedenen Signal- und Leistungsanschlüsse sorgfältig durchdacht. So sind z. B. „neutrale“ Anschlüsse wie die Schutzerde (PE) mittig und Signal- und Datenanschlüsse für die Geberleitungen und die Motorbremsleitungen symmetrisch und seitlich platziert worden.

Der einhändig bedienbare, werkzeuglose, selbstverriegelnde, steckbare Verriegelungsmechanismus verkürzt die Installations- und Wartungszeiten. Die Verriegelung reduziert außerdem den Platzbedarf um eine Teilungsbreite im Vergleich zu anderen Lösungen. Der Kabeleinführungswinkel von 30˚ am Schirm spart bis zu 10 Zentimeter (cm) zwischen den Reihen und reduziert so die Größe der Lösung.

Effektive Nutzung des Hybrid-Leistungssteckverbinders OMNIMATE

Um die Vorteile der Hybrid-Leistungssteckverbinder OMNIMATE in vollem Umfang nutzen zu können, sind korrekte Kabelkonfektionspraktiken und Abschirmungsabschlüsse erforderlich, um die EMI zu kontrollieren und die Systemzuverlässigkeit zu gewährleisten. Trotz des durchdachten Designs handelt es sich beim Hybrid-Leistungssteckverbinder OMNIMATE um ein Einkabel-Interface, so dass die Strom- und Signalleitungen immer noch relativ nah beieinander liegen. Eine gute Konstruktionspraxis erfordert daher eine niederohmige Verbindung zwischen der Kabelabschirmung und dem Steckverbinder. Besonders hilfreich ist dabei die Tatsache, dass der OMNIMATE-Steckverbinder über ein Schirmanschlussblech mit steckbarem Federkontakt verfügt. Dieses sorgt für eine rüttelsichere Schirmanbindung an den Antrieb und ermöglicht eine feste Verbindung der Schirmgeflechte für die Leistungs- und Geberkabel (Abbildung 5). Eine möglichst große Kontaktfläche für die Schirmanschlüsse stellt eine optimale Lösung dar.

Bild einer niederohmigen Schirmanbindung zwischen einem Einzelkabel und einem steckbaren HybridverbinderAbbildung 5: Beispiel für eine niederohmige Schirmanbindung zwischen einem einzelnen Kabel und einer steckbaren Hybrid-Steckverbinderlösung mit einem Metallkabelbinder. (Bildquelle: Weidmüller)

Für die Verbindung des Außen- und Innenschirms mit der Schirmanschlussplatte gibt es mehrere Befestigungsmöglichkeiten. Zu diesen Optionen gehören verschiedene Kombinationen von Metallkabelbindern und Schlauchschellen, die so angeordnet sind, dass die Befestigung sicher ist und möglichst nahe an den Signalanschlüssen erfolgt (Abbildung 6).

Bild zum Anschluss der Kabelabschirmung an den Hybrid-Leistungssteckverbinder OMNIMATE von WeidmüllerAbbildung 6: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Kabelabschirmung mit dem Hybrid-Leistungssteckverbinder OMNIMATE zu verbinden, einschließlich der Verwendung von Metallkabelbindern und Schlauchklemmen. (Bildquelle: Weidmüller)

Die gefederte mechanische Konstruktion bietet den Konstrukteuren von Motorsteuerungen maximale Freiheit, den Schirmanschluss auf einem Kühlkörper oder direkt auf der Leiterplatte zu platzieren und so eine zuverlässige und vibrationsfeste Kontaktfläche zu gewährleisten.

Leistungstest und Sicherheit

Sobald ein Entwurf abgeschlossen und eine Kabelkonfektion hergestellt ist, ist es wichtig, die Wirksamkeit des Kabelschirms zu messen. Die Messung KS04B aus VG95373-41, „Elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten - Verfahren zur Messung von geschirmten Kabeln und geschirmten Kabelschutzschläuchen“, ist z. B. hilfreich, um die Wirkung der Kontaktierungsstellen am Schirmgeflecht und an den Buchsen und Steckern sowie die Qualität des Schirms selbst zu ermitteln. Die Messmethode ist begrenzt, aber sie ist nützlich für den Vergleich und die Bewertung der Wirksamkeit verschiedener Schirme und Schirmkontaktierungsansätze (Abbildung 7). Einschränkungen der Messung KS 04 B sind eine standardisierte Kabellänge von nur 1 m und die Verwendung eines 50Ω-Systems, das die tatsächliche Kabelimpedanz nicht berücksichtigt.

Grafik der Einfügedämpfung nach VG95373-41 im Vergleich dreier Schirmanschlussmethoden (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 7: Einfügedämpfung nach VG95373-41 im Vergleich dreier Schirmanschlussmethoden, wobei die Orientierungslinie (rot) typische Erwartungswerte darstellt. (Bildquelle: Weidmüller)

Diese Steckverbinder erfüllen den Sicherheitsstandard IP20 und sind bei korrekter Verdrahtung berührungssicher für den Bediener. Allerdings befinden sich in einer typischen Motorsteuerung großvolumige Kondensatoren, die bei unsachgemäßer Handhabung zu einem Schock für den Bediener führen können. Es ist unbedingt erforderlich, dass die Kondensatoren entladen sind und keine Spannung anliegt, wenn die Wartung durchgeführt wird. Trotz der Schutzart IP20 wird empfohlen, einige Minuten zu warten, bis sich die Kondensatoren entladen haben, bevor die Anschlüsse berührt werden, was eine weitere Sicherheitsstufe darstellt. Schließlich ermöglicht das offene Design dieser Hybridsteckverbinder dem Bediener, sofort zu sehen und zu überprüfen, ob alle Kabel unbeschädigt und korrekt angeschlossen sind.

Fazit

Die Umstellung auf ein einziges, hybrides Verbindungssystem zur Übertragung von Energie und Daten in kompakten, leistungsstarken Motorsteuerungen erschwert es den Konstrukteuren, die EMV zu unterstützen und einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten und gleichzeitig die Sicherheit des Bedieners sicherzustellen. Wie gezeigt, gibt es jedoch gut durchdachte Drei-in-Eins-Hybrid-Steckverbinderlösungen, die Protokolle wie Hiperface DSL und SCS Open Link für Strom und Daten unterstützen und gleichzeitig eine zuverlässige EMV-Schirmung bieten und den IP20-Sicherheitsstandards entsprechen.

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Über den Autor

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.

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