하이브리드 플러그인 커넥터가 콤팩트하고 유연한 고성능 모터 제어 시스템을 보장하는 방법

로봇 공학 및 자재 관리부터 식품 및 음료에 이르기까지 광범위한 산업 4.0 및 산업용 사물 인터넷(IIoT) 응용 제품에 걸쳐 점점 더 콤팩트한 모터 컨트롤러의 사용이 증가하고 있습니다. 그러나 컨트롤러가 작아짐에 따라 설계자는 전자기 호환성(EMC) 및 작업자 안전을 보장하는 동시에 전력 신호 및 데이터 신호를 간단하고 비용 효율적인 방식으로 라우팅하고 연결해야 하는 문제를 안게 되었습니다.

고급 오픈 소스 인터페이스(예: 고성능 인터페이스 디지털 서보 링크(Hiperface DSL) 및 단일 케이블 솔루션(SCS) 오픈 링크)가 등장하면서 콤팩트한 단일 커넥터를 사용하여 전력 데이터 신호를 연결할 수 있게 되었습니다. 이는 연결을 간소화하지만 해당 커넥터의 품질, 설계, 성능을 매우 중요하게 만들어 신호 무결성, EMC, IP20 터치 방지 및 유입 요구 사항 충족을 보장합니다.

이 기사에서는 Hiperface DSL 및 SCS 오픈 링크 인터페이스에 대해 간략하게 설명하고 공간 제약적 환경에서 전력 신호와 데이터 신호를 전달할 수 있는 커넥터 메커니즘의 전기 및 기계 요구 사항을 논의합니다. 그런 다음 Weidmüller의 하이브리드 모터 제어 커넥터를 소개하고 이 커넥터 사용을 통해 이러한 요구 사항을 충족하는 방법을 보여줍니다.

Hiperface DSL 및 SCL 오픈 링크란?

Hiperface DSL 및 SCS 오픈 링크로의 전환은 공간을 절약하고, 비용을 낮추며, 고성능 모터 컨트롤러의 설계를 간소화하기 위해 동일한 커넥터에 전력 및 데이터 모두를 담으려는 노력입니다(그림 1). 둘 모두 RS-485를 기반으로 합니다.

그림 1: Hiperface DSL 및 SCS 오픈 링크를 위한 하이브리드 플러그인 커넥터는 모터 구동 인쇄 회로(pc) 기판의 공간을 절약하고 연결을 간소화합니다. (이미지 출처: Weidmüller)

Hiperface DSL은 양방향 통신 및 인코더 전력, 모터 전력 케이블, 모터 브레이크 케이블을 위한 2개의 차폐 전선을 포함하는 단일 케이블을 위한 디지털 프로토콜입니다(그림 2)

그림 2: 기본 Hiperface DSL 호환 케이블은 차폐된 케이블 내에 디지털 데이터 전송을 위한 전원 공급 장치(3상 전력, 갈색(큰 원)-검은색 테두리, 접지, 갈색-노란색/연두색 테두리), 별도로 차폐된 모터 브레이크 페어(갈색(작은 원)-검은색 테두리), 별도로 차폐된 데이터 페어(갈색-파란색 테두리 및 갈색-회색 테두리)의 3개 소자로 구성되어 있습니다. (이미지 출처: Weidmüller)

Hiperface DSL는 모터 컨트롤러와 모터 간 최대 100m의 케이블 길이에 걸쳐 9.375MBaud의 데이터 전송률을 제공합니다. Hiperface DSL에서 데이터를 전송하는 방법은 두 가지가 있습니다. 즉, 주기적으로, 주어진 신호 및 잡음 조건에서 가능한 한 빨리 전송하거나 컨트롤러 클록과 동기적으로 전송하는 것입니다. Hiperface DSL 프로토콜은 다음과 같은 여러 중요한 특징을 제공합니다.

• 12.1μs의 짧은 사이클 시간으로 인코더의 위치 및 회전 속도 정보를 동기식으로 처리하는 기능.
• 모터 피드백 시스템의 안전 위치 전송을 위한 192μs의 최대 사이클 시간.
• 최대 사이클 시간이 192μs인 모터 피드백 시스템의 안전 위치 중복 전송에 대한 IEC 61508의 SIL(안전 무결성 기준) 2 요구 사항 충족.
• 적합한 모터 피드백 시스템에서 사용할 경우 IEC 61508의 SIL 3 요구 사항 충족.
• 모터 컨트롤러 데이터의 전자 유형 레이블 및 모터 피드백 시스템용 전자 유형 레이블 저장을 포함하여, 파라미터 전송을 위해 최대 340kBaud 대역폭에서 양방향 일반 데이터 전송.
• Hiperface DSL 센서 허브 프로토콜에 의해 모터 피드백 네트워크에 연결된 외부 모터 센서(가속도, 토크, 온도 등)의 데이터를 전달하는 별도의 채널.

또한 SCS 오픈 링크 모터 피드백 인터페이스는 최대 10MBaud의 인코더 데이터를 포함하여 모터와 컨트롤러 간 양방향 데이터를 지원하도록 설계되었습니다. 이는 2선 및 4선 구현을 지원합니다. SCS 오픈 링크는 특히 최신 IIoT 응용 분야와 관련된 산업 4.0(예: 모터 상태 모니터링 및 예측 유지보수)에 대해 최적화되었습니다.

Hiperface DSL과 마찬가지로, SCS 오픈 링크도 SIL 3에 따라 승인되었습니다. 또한 SCS 오픈 링크는 EN ISO 13849 성능 레벨 e(PLe), 범주 3의 기능 안전 요구 사항을 충족합니다. 이러한 단일 케이블 솔루션은 IEC 61508-2: 2010 및 IEC 61784-3: 2017의 기능 안전 요구 사항을 충족합니다.

Hiperface DSL 및 SCS 오픈 링크에 직면한 커넥터 문제

Hiperface DSL 및 SCS 오픈 링크가 안정적으로 작동하려면 인코더가 있는 모터와 구동기 간 연결을 제대로 차폐해야 합니다. 플러그인 커넥터와 연결 단자를 사용하여 인터페이스 수를 최소화하면 도움이 됩니다. 모터와 인코더 및 구동기 간에 연속적인 차폐 케이블도 필요합니다. 하나는 모터 연결에 최적화되고 다른 하나는 구동기 연결에 최적화된 두 개의 플러그인 커넥터가 있는 단일 차폐 케이블은 경제적인 접근 방식을 제공하며 Hyperface DSL 및 SCS 오픈 링크 모두에서 구현됩니다.

차폐 케이블을 사용하는 것 이외에도 케이블의 양쪽 끝에서 차폐를 적절하게 종단해야 합니다. 금속 하우징이 있는 플러그인 원형 커넥터(일반적으로 M23 원형 커넥터)는 상호 연결의 모터 측에 사용됩니다(그림 3).

그림 3: 모터와 구동기 간 최대 100m 케이블 길이는 Hiperface DSL과 SCS 오픈 링크 모두에서 지원됩니다. 모터 연결은 왼쪽에 있고 모터 컨트롤러를 위한 하이브리드 플러그인 커넥터는 오른쪽에 있습니다. (이미지 출처: Weidmüller)

비용을 제어하기 위해 상호 연결의 구동기 측에 쪽에 있는 플러그인 커넥터에는 금속 하우징이 필요하지 않습니다. 구동기 커넥터의 물리적 설계는 표준화되지 않았기 때문에 구동기 설계자는 성능 요구 사항을 충족하기 위해 자체 커넥터를 개발할 때 주의해야 하며 연결을 단순화하고 커넥터 비용을 최소화하기 위해 인쇄 회로 기판에 쉽게 연결해야 합니다. 적절한 케이블 설계/조립 및 우수한 EMI 차폐 방식으로 최대 100m의 케이블 길이를 달성할 수 있습니다.

전력, 신호, EMC를 위한 3-in-1 커넥터 솔루션

커넥터 설계를 개발하는 데 시간을 할애할 수도 있지만 가능한 최고의 성능을 요구함에도 불구하고 커넥터 설계의 뉘앙스에 정통하는 데 필요한 경험이나 시간을 가진 모터 구동기 설계자는 거의 없습니다. 대신, 설계자들은 이미 이러한 문제에 깊은 관심을 두어왔으며 여러 유용한 솔루션을 제공하는 Weidmüller와 같은 회사에 의지할 수 있습니다.

예를 들어, OMNIMATE Power Hybrid 커넥터는 신호, 전력, EMC 기능을 포함하는 3-in-1 솔루션으로 Hiperface DSL 및 SCS 오픈 링크 프로토콜을 모두 구현하는 동시에 모터 구동기 PC 기판과 제어 캐비닛의 공간도 절약할 수 있습니다. 이 커넥터는 6접점(그림 4(왼쪽)), 7접점, 8접점, 9접점(그림 4(오른쪽))을 비롯한 여러 구성으로 제공됩니다.

그림 4: OMNIMATE Power Hybrid 커넥터는 자체 잠금 중간 플랜지(빨간색)가 있는 3-in-1(전력, 신호, EMC) 솔루션입니다. 이 커넥터는 6접점(왼쪽), 7접점, 8접점 또는 9접점(오른쪽)으로 제공됩니다. (이미지 출처: Weidmüller)

이 하이브리드 커넥터에는 7.62mm 피치의 푸시인 전선 연결이 있는 전력 접점 및 신호 접점이 포함되어 있으며 IEC 61800-5-1 및 UL 1059 클래스 C 600V(전력 접점용)의 요구 사항을 충족합니다.

이 커넥터에는 안정적인 연결을 보장하는 데 필요한 여러 실용적인 설계 기능이 있습니다. 첫째, 인코더와 모터 전력 연결 간 분리가 잘 되어 있어 EMC 문제를 최소화합니다. 둘째, 다양한 신호 및 전력 연결의 배열이 신중하게 고려되었습니다. 예를 들어, 보호 접지(PE)와 같은 "중립" 연결이 중간에 있고 인코더 선과 모터 브레이크 선에 대한 신호 및 데이터 연결이 대칭적으로 좌우에 배치되어 있습니다.

사용 편의성을 위해, 도구 필요 없이 한 손으로 다를 수 있는 자기 잠금, 플러그인 인터로크 메커니즘은 설치 및 유지보수 시간을 줄여줍니다. 인터로크는 또한 다른 솔루션에 비해 공간 요구 사항을 1피치 너비만큼 줄입니다. 실드의 30˚ 케이블 진입 각도는 열 사이를 최대 10cm 절약하여 솔루션 크기를 줄입니다.

효과적인 OMNIMATE Power Hybrid 커넥터 사용

OMNIMATE Power Hybrid 커넥터를 최대한 활용하려면 EMI를 제어하고 시스템 안정성을 보장하기 위해 올바른 케이블 조립 방식과 차폐 종단이 필요합니다. 신중하게 설계되었기는 하지만 OMNIMATE Power Hybrid는 여전히 단일 케이블 인터페이스이므로 전력선과 신호선이 서로 가까운 위치에 있습니다. 따라서 우수한 설계 방법은 케이블 차폐와 커넥터 사이에 저임피던스 연결을 보장해야 합니다. OMNIMATE에는 플러그형 스프링 접점이 있는 차폐 커넥터 판이 포함되어 있어 여기에 특히 유용합니다. 이는 구동기에 대한 방진 실드 연결을 제공하고 전력 케이블과 인코더 케이블을 위한 견고한 차폐 브레이드 연결을 가능하게 합니다(그림 5). 차폐 연결을 위한 접촉 표면을 가능한 가장 크게 확보하면 최적의 솔루션을 제공할 수 있습니다.

그림 5: 단일 케이블과 플러그인 하이브리드 커넥터 간에 하나의 금속 케이블 타이를 사용하는 저임피던스 차폐 연결의 예. (이미지 출처: Weidmüller)

외부 실드와 내부 실드를 실드 연결 판에 연결하기 위한 여러 부착 옵션이 있습니다. 이러한 옵션에는 연결이 단단히 고정되고 신호 연결에 최대한 가깝게 위치하도록 배열된 금속 케이블 타이와 호스 클립의 다양한 조합이 포함됩니다(그림 6).

그림 6: 금속 케이블 타이 및 호스 클립 사용을 포함하여, 차폐 케이블을 OMNIMATE Hybrid Power 커넥터에 연결하는 다양한 방법이 있습니다. (이미지 출처: Weidmüller)

스프링이 장착된 기계 설계는 모터 컨트롤러 설계자에게 차폐 연결을 방열판 또는 PC 기판에 직접 배치할 수 있는 최대 자유를 제공하여 안정적이고 방진 표면 접촉 영역을 보장합니다.

성능 테스트 및 안전

설계가 완료되고 케이블 조립이 생성되면 케이블 실드의 효율성을 측정해야 합니다. 예를 들어, VG95373-41, "장치의 호환 가능성 - 차폐 케이블 및 차폐 보호 케이블 호스 측정 방법 "의 KS04B 측정은 차폐 브레이드, 소켓 및 플러그에, 실드 자체의 품질에 대한 접점의 영향을 결정하는 데 유용합니다. 측정 방법은 제한적이지만 다양한 실드 및 실드 접촉 방식의 효율성을 비교하고 평가하는 데 유용합니다(그림 7). KS 04 B 측정의 한계에는 1m에 불과한 표준화된 케이블 길이와 실제 케이블 임피던스를 고려하지 않은 50옴(Ω) 시스템 사용이 포함됩니다.

그림 7: VG95373-41 3가지 실드 연결 방법 비교에 따른 삽입 손실(방향선(빨간색)으로 일반적인 예측값 표시). (이미지 출처: Weidmüller)

이 플러그인 커넥터는 IP20 안전 표준을 충족하며 올바르게 배선된 경우 작업자가 만져도 안전합니다. 그러나 일반적인 모터 컨트롤러에는 제대로 관리되지 않을 경우 작업자에게 충격을 줄 수 있는 큰 값의 커패시터가 있습니다. 유지보수 수행 시, 커패시터가 방전되고 전압이 존재하지 않아야 합니다. IP20 정격이지만 작업자는 커넥터를 만지기 전에 커패시터가 방전될 때까지 몇 분 정도 기다려야 하므로 또 다른 수준의 안전을 제공할 수 있습니다. 마지막으로, 이러한 하이브리드 커넥터의 오픈 설계를 통해 작업자가 모든 케이블이 손상되지 않고 올바르게 연결되었는지 즉시 확인하고 확인할 수 있습니다.

결론

콤팩트한 고성능 모터 컨트롤러에서 전력과 데이터를 모두 전달하는 단일 하이브리드 상호 연결 시스템으로 전환할 경우 설계자가 EMC를 지원하고 신뢰할 수 있는 작동을 보장하면서 작업자의 안전을 보장하기 어려워집니다. 그러나 위에서 설명한 바와 같이, 전력 및 데이터를 위한 Hiperface DSL 및 SCS 오픈 링크와 같은 프로토콜을 지원하는 동시에 신뢰할 수 있는 EMC 차폐를 제공하고 IP20 안전 표준을 충족하는, 우수하게 설계된 3-in-1 하이브리드 플러그인 커넥터 솔루션이 있습니다.