Cómo un conector híbrido enchufable garantiza un sistema de control de motores compacto, flexible y de alto rendimiento

Por Jeff Shepard

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

El uso de controladores de motor cada vez más compactos está creciendo en una amplia gama de aplicaciones de la Industria 4.0 y del Internet Industrial de las Cosas (IIoT), desde la robótica y la manipulación de materiales hasta la alimentación y las bebidas. Sin embargo, a medida que los controladores se reducen, se hace difícil para los diseñadores encauzar y conectar de forma sencilla y rentable las señales de alimentación y datos, garantizando al mismo tiempo la compatibilidad electromagnética (EMC) y la seguridad del operador.

Han surgido interfaces avanzadas de código abierto, como el servo link con interfaz de alto rendimiento digital (Hiperface DSL) y la solución de cable único (SCS) open link, que ayudan a conectar ambas señales de datos de potencia utilizando un único conector compacto. Esto simplifica la conectividad, pero hace que la calidad, el diseño y el rendimiento de ese conector sean de vital importancia para garantizar la integridad de la señal, la compatibilidad electromagnética y el cumplimiento de los requisitos de resistencia al tacto y a la entrada IP20.

En este artículo se describen brevemente las interfaces de enlace abierto Hiperface DSL y SCS antes de hablar de los requisitos eléctricos y mecánicos de un mecanismo de conexión que pueda transportar tanto señales de energía como de datos en un entorno con limitaciones de espacio. A continuación, presenta los conectores de control de motores híbridos de Weidmüller y muestra cómo pueden utilizarse para cumplir estos requisitos.

¿Qué son Hiperface DSL y SCL open link?

El paso a Hiperface DSL y SCS open link es un esfuerzo por poner tanto la alimentación como los datos en el mismo conector para ahorrar espacio, reducir el costo y simplificar el diseño de los controladores de motor de alto rendimiento (Figura 1). Ambos se basan en RS-485.

Imagen de los conectores híbridos Weidmüller para Hiperface DSL y SCS open linkFigura 1: Los conectores conectables híbridos para Hiperface DSL y SCS open link ahorran espacio en la placa de circuito impreso (pc) del motor y simplifican la conectividad. (Fuente de la imagen: Weidmüller)

Hiperface DSL es un protocolo digital para un solo cable que incluye dos cables blindados para la comunicación bidireccional y la alimentación del codificador, los cables de alimentación del motor y los cables del freno del motor (Figura 2).

Esquema del cable básico compatible con Hiperface DSLFigura 2: Un cable básico compatible con Hiperface DSL consta de tres elementos: una fuente de alimentación (alimentación trifásica, marrón grande en negro, y tierra, marrón en amarillo/verde), un par de freno motor apantallado por separado (marrón pequeño en negro) y un par de datos apantallado por separado (marrón en azul y marrón en gris) para la transferencia de datos digitales, todo ello en un cable apantallado. (Fuente de la imagen: Weidmüller)

Hiperface DSL tiene una velocidad de transmisión de datos de 9,375 megabaudios (MBaud) en longitudes de cable de hasta 100 metros (m) entre el controlador del motor y el motor. Hay dos formas de transmitir datos en Hiperface DSL: cíclicamente, lo más rápido posible dadas las condiciones de señal y ruido, o de forma sincronizada con el reloj del controlador. El protocolo Hiperface DSL incluye varias características importantes:

  • La capacidad de procesar sincrónicamente la información de posición y velocidad de rotación del codificador con tiempos de ciclo tan cortos como 12.1 microsegundos (μs).
  • Un tiempo de ciclo máximo de 192 μs para la transmisión de la posición segura del sistema de retroalimentación del motor.
  • Cumple los requisitos del nivel de integridad de la seguridad (SIL) 2 de la norma IEC 61508 para la transmisión redundante de la posición segura del sistema de retroalimentación del motor con un tiempo de ciclo máximo de 192 μs.
  • Cumple los requisitos SIL 3 de la norma IEC 61508 cuando se utiliza en sistemas de retroalimentación de motores adecuados.
  • Transferencia bidireccional de datos generales con un ancho de banda de hasta 340 kilobaudios (kBaud) para la transmisión de parámetros, incluyendo el almacenamiento de una etiqueta electrónica de datos del controlador del motor y una etiqueta electrónica del sistema de retroalimentación del motor.
  • Un canal independiente que transporta los datos de los sensores externos del motor (aceleración, par, temperatura, etc.), conectado a la red de retroalimentación del motor mediante el protocolo Hiperface DSL Sensor Hub.

La interfaz de retroalimentación del motor SCS open link también está diseñada para admitir datos bidireccionales entre un motor y un controlador, incluidos los datos del codificador a velocidades de hasta 10 MBaud. Admite implementaciones de dos y cuatro hilos. SCS open link está optimizado para la Industria 4.0, especialmente en lo que respecta a las aplicaciones emergentes de IIoT, como la monitorización del estado del motor y el mantenimiento predictivo.

Al igual que Hiperface DSL, SCS open link está certificado hasta SIL 3. Además, el SCS open link cumple los requisitos de seguridad funcional de la norma EN ISO 13849, nivel de rendimiento e (PLe), categoría 3. Estas soluciones de un solo cable satisfacen los requisitos de seguridad funcional de la norma IEC 61508-2: 2010 y IEC 61784-3: 2017.

El reto de los conectores frente a Hiperface DSL y SCS open link

Para que Hiperface DSL y SCS open link funcionen de forma fiable, se necesita una conexión bien apantallada entre un motor con codificador y el accionamiento. El uso de conectores y terminales de conexión para minimizar el número de interfaces ayuda. También es necesario disponer de cables continuos y apantallados entre el motor y el codificador y el accionamiento. Un único cable apantallado con dos conectores enchufables, uno optimizado para la conexión al motor y otro para la conexión al accionamiento, proporciona un enfoque económico y se implementa tanto en Hyperface DSL como en SCS open link.

Además de utilizar un cable apantallado, el apantallamiento debe estar correctamente terminado en ambos extremos del cable. En el lado del motor de la interconexión se utilizan conectores circulares enchufables (normalmente conectores circulares M23) con carcasa metálica (Figura 3).

Imagen de longitudes de cable de hasta 100 m entre el motor y el accionamientoFigura 3: Las longitudes de cable de hasta 100 m entre el motor y el accionamiento son compatibles con Hiperface DSL y SCS open link; la conexión del motor está a la izquierda, el conector híbrido para el controlador del motor está a la derecha. (Fuente de la imagen: Weidmüller)

Para controlar los costos, el conector enchufable del lado del accionamiento de la interconexión no necesita tener carcasa metálica. El diseño físico de los conectores de los variadores no está estandarizado, por lo que los diseñadores de variadores deben tener cuidado al desarrollar su propio conector para cumplir los requisitos de rendimiento, al tiempo que se conectan fácilmente a las placas de circuito impreso para simplificar las conexiones y minimizar los costos del conector. Con un diseño y un montaje adecuados de los cables, y unas buenas prácticas de apantallamiento EMI, se pueden conseguir longitudes de cable de hasta 100 m.

Soluciones de conectores tres en uno para alimentación, señales y CEM

Aunque es posible dedicar tiempo a desarrollar el diseño de un conector, pocos diseñadores de accionamientos de motor tienen la experiencia o el tiempo necesarios para familiarizarse con los matices del diseño de conectores, a pesar de necesitar el mejor rendimiento posible. En su lugar, pueden recurrir a empresas como Weidmüller, que ya se han centrado en los problemas y han ideado algunas soluciones elegantes.

Por ejemplo, sus conectores OMNIMATE Power Hybrid son una solución tres en uno que incluye características de señal, potencia y EMC para implementar los protocolos Hiperface DSL y SCS open link, a la vez que se ahorra espacio en la placa de circuito impreso del accionamiento del motor, así como en el gabinete de control. Los conectores están disponibles en varias configuraciones: seis posiciones (figura 4, izquierda), siete posiciones, ocho posiciones y nueve posiciones (figura 4, derecha).

Imagen de conectores de alimentación híbrida OMNIMATE de WeidmüllerFigura 4: Los conectores de alimentación híbrida OMNIMATE son una solución tres en uno (alimentación, señales, EMC) con una brida central autoblocante (roja). Vienen con seis (izquierda), siete, ocho o nueve (derecha) posiciones. (Fuente de la imagen: Weidmüller)

Estos conectores híbridos incluyen contactos de alimentación y de señal con conexiones de cable a presión en un paso de 7.62 milímetros (mm), y cumplen los requisitos de la norma IEC 61800-5-1 y de la norma UL 1059 Clase C 600 voltios (para los contactos de alimentación).

Los conectores presentan varias características prácticas de diseño necesarias para garantizar la fiabilidad de las conexiones. En primer lugar, tienen una buena separación entre las conexiones de alimentación del codificador y del motor para minimizar los problemas de compatibilidad electromagnética. En segundo lugar, se ha estudiado cuidadosamente la disposición de las distintas conexiones de señal y alimentación. Por ejemplo, las conexiones "neutras", como la conexión a tierra de protección (PE), están en el centro, y las conexiones de señal y datos para las líneas del codificador y las líneas del freno del motor se han colocado de manera simétrica y lateral.

Para facilitar su uso, el mecanismo de enclavamiento sin herramientas y con una sola mano reduce los tiempos de instalación y mantenimiento. El enclavamiento también reduce el espacio necesario en un ancho de paso, en comparación con otras soluciones. El ángulo de entrada del cable de 30˚ en la pantalla ahorra hasta 10 centímetros (cm) entre filas, lo que reduce el tamaño de la solución.

Uso eficaz del conector de alimentación híbrida OMNIMATE

Para aprovechar al máximo los conectores de alimentación híbrida OMNIMATE, es necesario aplicar prácticas correctas de montaje de cables y terminaciones de apantallamiento para controlar la EMI y garantizar la fiabilidad del sistema. Aunque está cuidadosamente diseñado, el conector de alimentación híbrida OMNIMATE sigue siendo una interfaz de un solo cable, por lo que las líneas de alimentación y de señal siguen estando relativamente cerca. Por ello, una buena práctica de diseño requiere garantizar una conexión de baja impedancia entre el blindaje del cable y el conector. La inclusión en el OMNIMATE de una placa de conexión de apantallamiento con un contacto de muelle enchufable es especialmente útil en este caso. Esto proporciona una conexión de apantallamiento a prueba de vibraciones con el accionamiento y permite una sólida conexión de las trenzas de apantallamiento para los cables de alimentación y del codificador (Figura 5). Disponer de la mayor superficie de contacto posible para las conexiones de apantallamiento proporciona una solución óptima.

Imagen de la conexión de protección de baja impedancia entre un solo cable y un conector híbrido enchufableFigura 5: Ejemplo de conexión de protección de baja impedancia entre un solo cable y una solución de conector híbrido enchufable utilizando una brida metálica. (Fuente de la imagen: Weidmüller)

Hay varias opciones de fijación para conectar los escudos exteriores e interiores a la placa de conexión de protección. Estas opciones incluyen varias combinaciones de bridas metálicas y abrazaderas para mangueras que están dispuestas para garantizar que la fijación sea segura y tenga lugar lo más cerca posible de las conexiones de señal (Figura 6).

Imagen de la conexión de protección del cable al conector de alimentación híbrida OMNIMATE de WeidmüllerFigura 6: Hay varias formas de conectar el apantallamiento del cable al conector OMNIMATE Hybrid Power, incluyendo el uso de bridas metálicas y abrazaderas. (Fuente de la imagen: Weidmüller)

El diseño mecánico con resorte ofrece a los diseñadores de controladores de motor la máxima libertad para colocar la conexión de apantallamiento en un disipador térmico o directamente en la placa de circuito impreso, garantizando una superficie de contacto fiable y a prueba de vibraciones.

Pruebas de rendimiento y seguridad

Una vez completado el diseño y fabricado el conjunto de cables, es importante medir la eficacia del apantallamiento del cable. Por ejemplo, la medición KS04B de la norma VG95373-41, "Compatibilidad electromagnética de los dispositivos - métodos para medir el cable de protección y las mangueras de protección del cable", es útil para determinar el impacto de los puntos de contacto en la trenza de protección y las tomas y clavijas, y la calidad de la propia protección. El método de medición es limitado, pero resulta útil para comparar y evaluar la eficacia de diferentes escudos y enfoques de contacto con el escudo (Figura 7). Las limitaciones de la medición KS 04 B incluyen una longitud de cable estandarizada de solo 1 m y el uso de un sistema de 50 ohmios (Ω) que no considera la impedancia real del cable.

Gráfico de la pérdida de inserción según la norma VG95373-41, en el que se comparan tres métodos de conexión de protección (haga clic para ampliar)Figura 7: Pérdida de inserción según VG95373-41 comparando tres métodos de conexión de protección, con la línea de orientación (roja) representando los valores típicos esperados. (Fuente de la imagen: Weidmüller)

Estos conectores cumplen la norma de seguridad IP20 y son seguros al tacto para los operarios si están correctamente cableados. Sin embargo, en un controlador de motor típico hay condensadores de gran valor que pueden provocar descargas a los operadores si no se gestionan adecuadamente. Es esencial que los condensadores se hayan descargado y no haya tensión cuando se realice el mantenimiento. Aunque tiene un grado de protección IP20, se recomienda que los operadores esperen varios minutos para que los condensadores se descarguen antes de tocar los conectores, lo que proporciona otro nivel de seguridad. Por último, el diseño abierto de estos conectores híbridos permite a los operadores ver y verificar al instante que todos los cables no están dañados y están conectados correctamente.

Conclusión:

El cambio a un sistema de interconexión único e híbrido para transportar tanto la energía como los datos en los controladores de motor compactos y de alto rendimiento dificulta a los diseñadores la compatibilidad electromagnética y la fiabilidad del funcionamiento, al tiempo que garantiza la seguridad del operador. Sin embargo, como se ha demostrado, existen soluciones de conectores híbridos tres en uno bien diseñados que admiten protocolos como Hiperface DSL y SCS open link para la alimentación y los datos, a la vez que proporcionan un apantallamiento EMC fiable y cumplen las normas de seguridad IP20.

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Acerca de este autor

Jeff Shepard

Jeff ha estado escribiendo sobre electrónica de potencia, componentes electrónicos y otros temas de tecnología durante más de 30 años. Empezó a escribir sobre electrónica de potencia como editor senior en el EETimes. Posteriormente fundó Powertechniques, una revista de diseño de electrónica de potencia, y más tarde fundó Darnell Group, una empresa global de investigación y publicación de electrónica de potencia. Entre sus actividades, el Grupo Darnell publicó PowerPulse.net, que proporcionaba noticias diarias a la comunidad mundial de ingeniería en electrónica de potencia. Es el autor de un libro de texto sobre fuentes de alimentación conmutadas, titulado "Fuentes de alimentación", publicado por la división Reston de Prentice Hall.

Jeff también cofundó Jeta Power Systems, un fabricante de fuentes de alimentación conmutadas de alto voltaje, que fue adquirido por Computer Products. Jeff es también un inventor, ya que su nombre figura en 17 patentes de los Estados Unidos en los campos de la recolección de energía térmica y los metamateriales ópticos, y es una fuente de la industria y un frecuente orador sobre las tendencias mundiales en la electrónica de potencia. Tiene una maestría en Métodos cuantitativos y Matemáticas de la Universidad de California.

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