ความรู้อุตสาหกรรม
ความท้าทายด้านความสมบูรณ์ของสัญญาณโดยเฉพาะสำหรับสายเข้ารหัสในระบบควบคุมการเคลื่อนไหวความเร็วสูง
สายเข้ารหัส ส่งตำแหน่งและสัญญาณตอบรับความเร็วระหว่างตัวเข้ารหัสแบบหมุนหรือเชิงเส้นและตัวควบคุมการเคลื่อนไหวหรือเซอร์โวไดรฟ์ ต่างจากสายเคเบิลควบคุมทั่วไปตรงที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่กำหนดโดยความต้องการสองอย่างพร้อมกันและขัดแย้งกัน: สายสัญญาณจะต้องส่งพัลส์ดิจิตอลความถี่สูงหรือรูปคลื่นแอนะล็อกละเอียดโดยมีการบิดเบือนน้อยที่สุด ในขณะที่สายเคเบิลวิ่งเคียงข้างหรือมาพร้อมกับสายไฟที่จ่ายให้กับมอเตอร์ตัวเดียวกันที่ทำให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจำนวนมาก ผลลัพธ์ก็คือประสิทธิภาพของสายเคเบิลตัวเข้ารหัสไม่ได้ถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของตัวเองเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับวิธีที่พารามิเตอร์เหล่านั้นโต้ตอบกับโปรโตคอลอินเทอร์เฟซตัวเข้ารหัสเฉพาะและสภาพแวดล้อมทางเสียงของการติดตั้ง
ตัวเข้ารหัสส่วนเพิ่มที่ใช้ TTL หรือเอาต์พุตไลน์ไดรเวอร์ RS-422 แบบดิฟเฟอเรนเชียลจะสร้างพัลส์เทรนที่ความถี่ที่ปรับขนาดโดยตรงกับความเร็วมอเตอร์และความละเอียดของตัวเข้ารหัส ตัวเข้ารหัส 2,500 บรรทัดต่อรอบบนเซอร์โวมอเตอร์ที่ทำงานที่ 3,000 RPM สร้างพัลส์เอาต์พุตที่ 125 kHz ต่อช่องสัญญาณ และด้วยการถอดรหัสพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส ตัวควบคุมจะประมวลผลการเปลี่ยนขอบที่ 500 kHz ที่ความถี่เหล่านี้ ความจุของสายเคเบิลกลายเป็นปัจจัยจำกัด: ความจุแบบกระจายระหว่างตัวนำสัญญาณและระหว่างสัญญาณและชีลด์จะทำให้เวลาที่เพิ่มขึ้นของขอบพัลส์แต่ละด้านช้าลง ส่งผลให้ความยาวสายเคเบิลสูงสุดที่ตัวเข้ารหัสสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือลดลง สำหรับสัญญาณส่วนต่าง RS-422 สายเคเบิลที่มีความจุระหว่างตัวนำต่อตัวนำ 100 pF/m จะจำกัดความยาวรันที่ใช้งานได้ให้ต่ำกว่า 30 เมตรที่อัตราขอบ 500 kHz ในขณะที่สายเคเบิลที่ออกแบบสำหรับ 50 pF/m หรือต่ำกว่าสามารถขยายช่วงนั้นได้อย่างมาก
โปรโตคอลตัวเข้ารหัสสัมบูรณ์ รวมถึง EnDat, SSI, BiSS และ HIPERFACE กำหนดความต้องการเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสร้างสายเคเบิล เนื่องจากเกี่ยวข้องกับการสื่อสารแบบสองทิศทางระหว่างตัวเข้ารหัสและไดรฟ์ที่ความถี่สัญญาณนาฬิกา โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 1 MHz ถึง 16 MHz ที่ความถี่เหล่านี้ การจับคู่อิมพีแดนซ์คุณลักษณะระหว่างสายเคเบิลกับวงจรตัวขับ/ตัวรับจะมีนัยสำคัญ ความต้านทานที่ไม่ตรงกันทำให้เกิดสัญญาณสะท้อนที่ปรากฏเป็นสัญญาณรบกวนบนสายข้อมูล ซึ่งอาจทำให้ข้อมูลตำแหน่งเสียหายได้ สร้างอย่างถูกต้อง สายเข้ารหัส ระบุความต้านทานลักษณะเฉพาะที่ 100–120 Ω สำหรับคู่ดิฟเฟอเรนเชียล ซึ่งคงไว้อย่างสม่ำเสมอตลอดความยาวสายเคเบิลทั้งหมด เพื่อลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากการสะท้อนกลับในระบบป้อนกลับสัมบูรณ์ที่มีความละเอียดสูง Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd. ผลิตสายเคเบิลเข้ารหัสที่มีระยะพิทช์การบิดที่ควบคุมอย่างแน่นหนาและรูปทรงของฉนวนเพื่อให้ได้ค่าอิมพีแดนซ์ที่เสถียรซึ่งรองรับโปรโตคอลที่มีความต้องการเหล่านี้
สถาปัตยกรรมการป้องกัน: เหตุใดชีลด์โดยรวมเพียงอันเดียวจึงมักจะไม่เพียงพอสำหรับสายเข้ารหัส
ข้อสันนิษฐานมาตรฐานที่ว่าชีลด์โดยรวมเพียงตัวเดียวนั้นเพียงพอสำหรับการป้องกันสายเคเบิลสัญญาณนั้นพังโดยเฉพาะในการใช้งานสายเคเบิลตัวเข้ารหัส ซึ่งสัญญาณหลายประเภทที่มีความไวต่อสัญญาณรบกวนต่างกันจะใช้ตัวสายเคเบิลเดียวกัน สายเคเบิลตัวเข้ารหัสทั่วไปจะมีคู่สัญญาณพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส A/B/Z แรงดันไฟฟ้าและตัวนำกราวด์ของแหล่งจ่ายสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตัวเข้ารหัส และบางครั้งมีคู่แบตเตอรี่สำรองสำหรับการรักษาตำแหน่งที่แน่นอน โดยแต่ละสายมีอิมพีแดนซ์ ระดับกระแสไฟ และความไวต่อการรบกวนที่แตกต่างกัน เมื่อสิ่งเหล่านี้ทั้งหมดถูกปกคลุมด้วยชีลด์โดยรวมเพียงอันเดียว การคัปปลิ้งแบบเหนี่ยวนำและคาปาซิทีฟระหว่างตัวนำจ่ายไฟและคู่สัญญาณภายในสายเคเบิลจะยังคงไม่สามารถควบคุมได้ และชีลด์ไม่ได้ให้การป้องกันสัญญาณรบกวนภายในนี้
โซลูชันที่ใช้ในสายเคเบิลตัวเข้ารหัสประสิทธิภาพสูงคือสถาปัตยกรรมการป้องกันแบบหลายชั้น: ชีลด์แต่ละคู่สำหรับคู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลแต่ละคู่ รวมกับชีลด์โดยรวมสำหรับสายเคเบิลทั้งหมด แผงป้องกันคู่แต่ละคู่ โดยทั่วไปแล้วจะเป็นอลูมิเนียมฟอยล์โพลีเอสเตอร์ที่มีลวดเดรน ระงับการเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟระหว่างคู่สัญญาณที่อยู่ติดกัน และระหว่างคู่สัญญาณกับตัวนำไฟฟ้า ชีลด์โดยรวม ไม่ว่าจะเป็นแบบฟอยล์หรือทองแดงเคลือบดีบุก จะเป็นเกราะหลักป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกจากมอเตอร์ไดรฟ์ เพื่อนบ้านถาดสายเคเบิล และสภาพแวดล้อม EMI ทางอุตสาหกรรมทั่วไป วิธีการสองระดับนี้จะเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางและต้นทุนของสายเคเบิล แต่ในแอปพลิเคชันควบคุมการเคลื่อนไหวที่มีความแม่นยำซึ่งทำงานที่ความละเอียดตำแหน่งต่ำกว่าไมครอน ข้อผิดพลาดในการป้อนกลับตำแหน่งที่เกิดจากสัญญาณรบกวนจะมีราคาแพงกว่าการอัพเกรดสายเคเบิลมาก
การฝึกฝนการต่อสายดินของโล่มีความสำคัญพอๆ กับการสร้างโล่ ชีลด์โดยรวมของสายเข้ารหัสควรเชื่อมต่อกับสายดินป้องกันที่ปลายไดรฟ์/ตัวควบคุมเท่านั้น โดยสร้างเป็นกราวด์ปลายเดียวที่ป้องกันลูปกระแสชีลด์ที่ขับเคลื่อนโดยความต่างศักย์ของกราวด์ระหว่างปลายมอเตอร์และตู้ควบคุม หากชีลด์ต่อสายดินที่ปลายทั้งสองข้างและมีกราวด์กราวด์อยู่ — ซึ่งเป็นเรื่องปกติในเครื่องจักรขนาดใหญ่ที่ส่วนเหล็กโครงสร้างที่แตกต่างกันมีศักยภาพที่แตกต่างกันเล็กน้อย — กระแสชีลด์ที่เกิดขึ้นจะไหลผ่านสายเดรนและทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าบนสายสัญญาณที่มีไว้เพื่อปกป้อง สภาวะข้อบกพร่องของตัวเข้ารหัสที่ไม่ต่อเนื่องหลายๆ ประการในเครื่องจักรที่ใช้งานจะสืบย้อนไปถึงข้อผิดพลาดด้านกราวด์เฉพาะนี้ แทนที่จะไปที่ข้อบกพร่องใดๆ ในสายเคเบิลหรือตัวเข้ารหัสเอง
| การกำหนดค่าการป้องกัน | การป้องกัน EMI ภายนอก | การปราบปราม Crosstalk ระหว่างคู่ | การใช้งานทั่วไป |
|---|---|---|---|
| ฟอยล์โดยรวมเท่านั้น | ปานกลาง (HF) | ไม่มี | ตัวเข้ารหัสแบบเพิ่มหน่วยความละเอียดต่ำ การทำงานระยะสั้น |
| ถักเปียโดยรวมเท่านั้น | ดี (LF HF) | ไม่มี | การตอบสนองของเซอร์โวทั่วไป สภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวนปานกลาง |
| ฟอยล์โดยรวมฟอยล์คู่แต่ละคู่ | ดี (HF) | สูง | ตัวเข้ารหัสสัมบูรณ์แบบหลายโปรโตคอล ระยะยาว |
| แต่ละคู่ฟอยล์ถักเปียโดยรวม | ดีเยี่ยม (LF HF) | สูง | สูง-resolution servo, heavy EMI environments |
ข้อกำหนดอายุการใช้งานแบบยืดหยุ่นและความแตกต่างด้านการก่อสร้างระหว่างการติดตั้งสายเคเบิลเข้ารหัสแบบอยู่กับที่และแบบเคลื่อนที่
สายเคเบิลตัวเข้ารหัสได้รับการติดตั้งในสภาพแวดล้อมทางกลที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานสองแบบซึ่งจำเป็นต้องมีโครงสร้างสายเคเบิลที่แตกต่างกัน: การกำหนดเส้นทางแบบตายตัวจากตัวเข้ารหัสแบบอยู่กับที่บนโครงเครื่องจักรไปยังตู้ควบคุม และการกำหนดเส้นทางแบบไดนามิกบนแกนเครื่องจักรที่กำลังเคลื่อนที่ เช่น ศูนย์เครื่องจักรกลซีเอ็นซี แขนหุ่นยนต์ ตัวกระตุ้นเชิงเส้น และระบบโครงสำหรับตั้งสิ่งของ การปฏิบัติต่อการติดตั้งทั้งสองประเภทนี้ว่าสามารถใช้แทนกันได้ — การใช้สายเคเบิลสำหรับการติดตั้งแบบตายตัวในแอปพลิเคชันแบบไดนามิก หรือการวิศวกรรมมากเกินไปสำหรับสายเคเบิลลากโซ่สำหรับเส้นทางแบบคงที่ นำไปสู่ความล้มเหลวทางกลไกก่อนเวลาอันควรหรือต้นทุนที่ไม่จำเป็น
สำหรับการใช้งานแบบลากโซ่และการยืดหยุ่นอย่างต่อเนื่อง โครงสร้างสายเคเบิลตัวเข้ารหัสจะต้องตอบสนองความต้องการทางกลหลายอย่างพร้อมกัน การตีเกลียวตัวนำต้องเป็นคลาส 5 หรือคลาส 6 ตาม IEC 60228 โดยใช้สายไฟแต่ละเส้นละเอียดเพื่อกระจายความเค้นดัดงอและยืดอายุการใช้งานความล้าให้ยาวนานที่สุด - ตัวนำตีเกลียวคลาส 6 ที่มีหน้าตัดขนาด 0.14 มม.² อาจประกอบด้วยสายไฟแต่ละเส้น 50 เส้นขึ้นไป แต่ละเส้นมีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 0.06 มม. ฉนวนโพลีเมอร์จะต้องคงความยืดหยุ่นตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานเต็มรูปแบบโดยไม่มีการแตกร้าวจากความเค้น โดยตัด PVC เอนกประสงค์ไปใช้ TPE หรือ PVC ผสมพิเศษที่มีความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิต่ำคงที่ แผงป้องกันแต่ละส่วนและแผงป้องกันโดยรวมจะต้องสร้างจากลวดถักแบบละเอียดหรือฟอยล์ที่มีการทับซ้อนกันเพียงพอเพื่อรักษาความต่อเนื่องทางไฟฟ้าผ่านรอบการงอนับล้านครั้ง โดยไม่เกิดการแตกหักหรือสภาวะวงจรเปิดเป็นระยะๆ ในสายท่อระบายน้ำ สายเคเบิล Zhishang ออกแบบสายเคเบิลตัวเข้ารหัสแบบยืดหยุ่นอย่างต่อเนื่องโดยมีความยาวเลย์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับส่วนประกอบตัวนำตีเกลียวแต่ละชิ้น เพื่อให้มั่นใจว่ารูปทรงเกลียวของตัวนำและตัวป้องกันจะรองรับการโค้งงอของสายเคเบิลตามธรรมชาติโดยไม่สร้างแรงดึงเกินในองค์ประกอบด้านนอก
ข้อมูลจำเพาะรัศมีโค้งงอต่ำสุดสำหรับสายเข้ารหัสแบบลากโซ่ไม่ใช่ค่าคงที่เพียงค่าเดียว แต่จะแตกต่างระหว่างรัศมีโค้งงอแบบไดนามิก (ใช้อย่างต่อเนื่องระหว่างการทำงาน) และรัศมีโค้งงอในการติดตั้ง (โค้งงอครั้งเดียวระหว่างการกำหนดเส้นทาง) รัศมีการโค้งงอแบบไดนามิกสำหรับสายเคเบิลตัวเข้ารหัสแบบยืดหยุ่นสูง โดยทั่วไปจะระบุเป็น 7.5× ถึง 10× เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของสายเคเบิล ในขณะที่รัศมีการโค้งงอในการติดตั้งอาจอยู่ที่ 5× หรือน้อยกว่า การใช้รัศมีโค้งงอในการติดตั้งเป็นการโค้งงอถาวร ตัวอย่างเช่น การจัดเส้นทางสายเคเบิลรอบมุมที่คับแคบในท่อสายเคเบิล จะสร้างบริเวณที่มีความเค้นเชิงกลที่ยั่งยืนซึ่งจะเร่งให้เกิดความเสียหายจากความเมื่อยล้าที่จุดนั้น แม้ว่าตัวสายเคเบิลจะไม่เคลื่อนที่ก็ตาม ความแตกต่างนี้จะต้องได้รับการสื่อสารอย่างชัดเจนไปยังช่างเทคนิคการติดตั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงการติดตั้งเพิ่มซึ่งมีสายเคเบิลใหม่มาแทนที่สายเคเบิลที่มีอยู่ในเส้นทางการกำหนดเส้นทางที่กำหนดไว้แล้ว
ขนาดตัวนำพาวเวอร์ซัพพลายภายในสายเข้ารหัส: การลดแรงดันไฟฟ้าและการแลกเปลี่ยนสัญญาณรบกวน
สายเคเบิลตัวเข้ารหัสส่วนใหญ่มีตัวนำเฉพาะสำหรับการจ่ายแรงดันไฟฟ้าในการทำงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตัวเข้ารหัส โดยทั่วไปคือ 5V DC สำหรับตัวเข้ารหัสส่วนเพิ่มเอาต์พุต TTL หรือ 8–30V DC สำหรับ HTL และตัวเข้ารหัสสัมบูรณ์หลายประเภท ตัวนำไฟฟ้าเหล่านี้มีขนาดเล็กในหน้าตัดเมื่อเทียบกับสายไฟที่เทียบเท่ากัน แต่ขนาดของตัวนำไฟฟ้ามีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของตัวเข้ารหัสที่มักถูกมองข้าม แรงดันไฟฟ้าตกตามตัวนำจ่ายไฟจะลดแรงดันไฟฟ้าจ่ายที่ขั้วต่อตัวเข้ารหัส และเครื่องเข้ารหัสที่ทำงานใกล้จุดสิ้นสุดล่างของช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ระบุอาจทำให้เกิดสัญญาณเอาต์พุตที่มีแอมพลิจูดลดลง เวลาที่เพิ่มขึ้นเพิ่มขึ้น หรือในกรณีของตัวเข้ารหัส 5V TTL ที่มีระยะขอบแรงดันไฟฟ้าที่แคบมาก จะมีข้อผิดพลาดระดับตรรกะเป็นระยะ ๆ ซึ่งยากต่อการแยกแยะจากข้อบกพร่องที่เกิดจากเสียงรบกวน
การคำนวณแรงดันไฟฟ้าตกที่ยอมรับได้จำเป็นต้องทราบปริมาณการใช้กระแสไฟของตัวเข้ารหัส ความยาวการเดินสายเคเบิล และหน้าตัดของตัวนำ ตัวเข้ารหัส 5V ที่จ่ายกระแสไฟ 150 mA บนสายเคเบิลยาว 20 เมตรที่มีตัวนำจ่ายไฟขนาด 0.14 มม.² ประสบกับการลดลงของอุปทานและการส่งคืนรวมกันประมาณ 0.86V ซึ่งมากกว่า 17% ของแรงดันไฟฟ้าปกติ ซึ่งทำให้ตัวเข้ารหัสต่ำกว่าแหล่งจ่ายไฟพิกัด 5V อย่างมาก และอยู่ภายในขอบเขตที่คุณภาพของสัญญาณเอาท์พุตลดลง การเพิ่มหน้าตัดของตัวนำจ่ายเป็น 0.25 มม.² จะช่วยลดการลดลงนี้เหลือประมาณ 0.48V เพื่อคืนส่วนต่างของอุปทานให้เพียงพอ สำหรับการติดตั้งที่การต่อสายเคเบิลยาวอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ผู้ผลิตเซอร์โวไดรฟ์บางรายเสนอแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตแรงดันไฟฟ้าของตัวเข้ารหัสที่ปรับได้ ซึ่งชดเชยความต้านทานของสายเคเบิล แต่ต้องใช้ความรู้ที่ถูกต้องเกี่ยวกับความต้านทานของตัวนำของสายเคเบิล และไม่สามารถใช้แทนขนาดตัวนำที่ถูกต้องในขั้นตอนการออกแบบได้
นอกเหนือจากแรงดันไฟฟ้าตกแล้ว ตัวนำแหล่งจ่ายไฟภายในสายเข้ารหัสยังเป็นเส้นทางการฉีดสัญญาณรบกวนที่อาจเกิดขึ้น สัญญาณรบกวนในการสลับแหล่งจ่ายตัวเข้ารหัส - สร้างขึ้นโดยแหล่งจ่ายไฟภายในของไดรฟ์หรือที่ดำเนินการจากบัส DC ของเครื่อง - ควบคู่ตัวเก็บประจุเข้ากับคู่สัญญาณที่อยู่ติดกัน หากตัวนำจ่ายไฟไม่ได้แยกหรือป้องกันจากคู่สัญญาณภายในสายเคเบิลอย่างเพียงพอ นี่คือเหตุผลหนึ่งว่าทำไมตัวนำไฟฟ้าในสายเข้ารหัสที่ออกแบบมาอย่างดีมักจะได้รับการป้องกันแยกกันหรือวางตำแหน่งที่ขอบสายเคเบิลให้ห่างจากคู่สัญญาณ แทนที่จะกระจายแบบสุ่มภายในมัดสายเคเบิล ในฐานะส่วนหนึ่งของการสนับสนุนด้านวิศวกรรมการใช้งาน บริษัท Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd. ให้คำแนะนำลูกค้าเกี่ยวกับการเลือกหน้าตัดของตัวนำไฟฟ้าและตัวเลือกการก่อสร้างสายเคเบิลตามความต้องการปัจจุบันของตัวเข้ารหัสจริงและระยะการติดตั้ง เพื่อป้องกันปัญหาด้านประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับการจ่ายไฟก่อนที่จะเกิดขึ้นในภาคสนาม
แรงดันไฟฟ้าตกโดยประมาณสำหรับการกำหนดค่าสายเคเบิลตัวเข้ารหัสทั่วไป (แหล่งจ่ายไฟ 5V, โหลด 150 mA)
- ตัวนำ 0.14 มม.², ระยะ 10 ม.: ~0.43V ลดลง (8.6% ของ 5V); เส้นเขตแดนที่ยอมรับได้สำหรับตัวเข้ารหัส TTL มาตรฐาน
- ตัวนำ 0.14 มม.², ระยะ 20 ม.: ~0.86V ลดลง (17.2% ของ 5V); แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายน่าจะต่ำกว่าพิกัดขั้นต่ำของตัวเข้ารหัส
- ตัวนำ 0.25 มม.², ระยะ 20 ม.: ~0.48V ลดลง (9.6% ของ 5V); ภายในช่วงที่ยอมรับได้สำหรับตัวเข้ารหัส 5V ส่วนใหญ่
- ตัวนำ 0.34 มม.², ระยะ 30 ม.: ~0.53V ลดลง (10.6% ของ 5V); เหมาะสำหรับการทำงานที่ยาวนานขึ้นโดยไม่มีการชดเชยแรงดันไฟฟ้าฝั่งไดรฟ์
