在廣泛的工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)?(IIoT) 應(yīng)用中，從機(jī)器人、物料搬運(yùn)到食品和飲料，越來(lái)越多地使用不斷緊湊的電機(jī)控制器。然而，隨著控制器的縮小，對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，如何簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)地路由和連接電源和數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)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(jìn)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(gè)緊湊的連接器同時(shí)連接電源數(shù)據(jù)信號(hào)。這簡(jiǎn)化了連接，但使連接器的質(zhì)量、設(shè)計(jì)和性能變得極為重要，這樣才能確保信號(hào)完整性、電磁兼容性和符合 IP20 的防觸摸及侵入要求。

本文簡(jiǎn)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(shí)承載電源和數(shù)據(jù)信號(hào)的連接器機(jī)制的電氣和機(jī)械要求。最后介紹了 Weidmüller 的混合電機(jī)控制連接器，并展示了如何使用它們來(lái)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(gè)連接器上，以節(jié)省空間，降低成本，并簡(jiǎn)化高性能電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)（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(jī)驅(qū)動(dòng)器印刷電路板空間，簡(jiǎn)化了連接。（圖片來(lái)源：Weidmüller）

Hiperface DSL 是一個(gè)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(jī)電源線和電機(jī)制動(dòng)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(dú)屏蔽的電機(jī)制動(dòng)對(duì)（黑色中的小棕色塊）以及用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)膯为?dú)屏蔽數(shù)據(jù)對(duì)（藍(lán)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(lái)源：Weidmüller）

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

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

SCS 開放鏈路電機(jī)反饋接口也設(shè)計(jì)成支持電機(jī)和控制器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，包括速率高達(dá) 10 MBaud 的編碼器數(shù)據(jù)。它支持兩線和四線實(shí)現(xiàn)。SCS 開放鏈路針對(duì)工業(yè) 4.0 進(jìn)行了優(yōu)化，特別是在新興的 IIoT 應(yīng)用方面，如電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

像 Hiperface DSL 一樣，SCS 開放鏈路最高認(rèn)證級(jí)別為 SIL 3。此外，SCS 開放鏈路符合 EN ISO 13849 e 級(jí)性能等級(jí) (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(yùn)行，在帶有編碼器的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間需要一個(gè)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(shí)現(xiàn)良好的屏蔽連接。在電機(jī)和編碼器與驅(qū)動(dòng)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(gè)插接式連接器，一個(gè)優(yōu)化了與電機(jī)的連接，一個(gè)優(yōu)化了與驅(qū)動(dòng)器的連接，這提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的方法，并在 Hyperface DSL 和 SCS 開放鏈路中得以實(shí)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(jī)側(cè)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(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間支持最長(zhǎng) 100 米的電纜長(zhǎng)度；電機(jī)連接在左邊，電機(jī)控制器的混合插接式連接器在右邊。（圖片來(lái)源：Weidmüller）

為了控制成本，互連的驅(qū)動(dòng)器側(cè)的插接式連接器不需要有金屬外殼。驅(qū)動(dòng)器連接器的物理設(shè)計(jì)是非標(biāo)準(zhǔn)化的，因此驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)者在開發(fā)自己的連接器時(shí)需要謹(jǐn)慎，以滿足性能要求，同時(shí)隨時(shí)連接到印刷電路板上，以簡(jiǎn)化連接，盡量降低連接器成本。通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娎|設(shè)計(jì)和組裝，以及良好的 EMI 屏蔽做法，電纜長(zhǎng)度就可以達(dá)到 100 米。

針對(duì)電源、信號(hào)和 EMC 的三合一連接器解決方案

盡管有可能花時(shí)間開發(fā)一個(gè)連接器設(shè)計(jì)，但很少有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)者有經(jīng)驗(yàn)或時(shí)間掌握連接器設(shè)計(jì)的細(xì)微差別，盡管要求盡可能實(shí)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(guān)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(gè)三合一的解決方案，包括信號(hào)、電源和 EMC 功能，可實(shí)現(xiàn) Hiperface DSL 和 SCS 開放鏈路協(xié)議，同時(shí)節(jié)省了電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)三合一（電源、信號(hào)、EMC）解決方案，中間有一個(gè)自鎖法蘭（紅色）。它們有六個(gè)（左）、七個(gè)、八個(gè)或九個(gè)（右）位置。（圖片來(lái)源：Weidmüller）

這些混合型連接器包括電源和信號(hào)觸頭，采用 7.62 毫米 (mm) 間距的推入式導(dǎo)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(gè)實(shí)用設(shè)計(jì)特點(diǎn)。首先，它們?cè)诰幋a器和電機(jī)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(hào)和電源連接的安排也得到了仔細(xì)考慮。例如，像保護(hù)性接地 (PE) 這樣的“中性線”連接在中間，編碼器線路和電機(jī)制動(dòng)線路的信號(hào)和數(shù)據(jù)連接則對(duì)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(jī)制減少了安裝和維護(hù)時(shí)間。與其他解決方案相比，聯(lián)鎖還減少了一個(gè)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(shè)計(jì)得很周到，但 OMNIMATE Power Hybrid 仍然是一個(gè)單電纜接口，所以電源和信號(hào)線仍然相對(duì)接近。因此，良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐要求確保電纜屏蔽層和連接器之間實(shí)現(xiàn)低阻抗連接。OMNIMATE 包含一個(gè)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(dòng)器提供了一個(gè)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(gè)最佳解決方案。

圖 5：使用一個(gè)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(jìn)行低阻抗屏蔽連接的實(shí)例。（圖片來(lái)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(xiàng)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(hào)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(lái)源：Weidmüller）

彈簧式機(jī)械設(shè)計(jì)為電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)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?？煽康姆勒鸨砻娼佑|區(qū)。

性能測(cè)試和安全

一旦設(shè)計(jì)完成并生產(chǎn)出電纜組件，測(cè)量電纜屏蔽的有效性是很重要的。例如，依據(jù) VG95373-41?“設(shè)備的電磁兼容性——測(cè)量屏蔽電纜和屏蔽保護(hù)電纜軟管的方法”?標(biāo)準(zhǔn)的 KS04B 測(cè)量方式，對(duì)于確定接觸點(diǎn)對(duì)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(cè)量方法是有限的，但它對(duì)于比較和評(píng)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(cè)量的局限性包括標(biāo)準(zhǔn)化的電纜長(zhǎng)度只有 1 米，并且使用 50 歐姆 (Ω) 系統(tǒng)（不考慮實(shí)際的電纜阻抗）。

圖 7：根據(jù) VG95373-41 標(biāo)準(zhǔn)，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(yù)期值。（圖片來(lái)源：Weidmüller）

這些插接式連接器符合 IP20 安全標(biāo)準(zhǔn)，在正確接線的情況下，對(duì)操作人員來(lái)說(shuō)是安全的。然而，在典型的電機(jī)控制器中存在著大容量電容器，如果管理不善，會(huì)造成操作人員觸電。在進(jìn)行維修時(shí)，電容器必須已經(jīng)放電，并且沒有電壓。雖然達(dá)到 IP20 等級(jí)，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(shè)計(jì)能夠讓操作人員立即看到并驗(yàn)證所有電纜都沒有損壞并連接正確。

結(jié)語(yǔ)

在緊湊的高性能電機(jī)控制器中，轉(zhuǎn)向使用單一混合互連系統(tǒng)來(lái)傳輸電源和數(shù)據(jù)，會(huì)讓設(shè)計(jì)者難以支持 EMC 和確保運(yùn)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(shè)計(jì)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?yàn)樗鼈冎С窒?Hiperface DSL 和 SCS 開放鏈路這樣的協(xié)議，同時(shí)還提供可靠的 EMC 屏蔽，并達(dá)到 IP20 級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)。