Захист від електромагнітних завад в сервостістемах

1. Правильний вибір екранованих кабелів є одним з найбільш важливих кроків при створенні надійних і точних...
2. Типи електромагнітних завад
3. Стандарт NEC (National Electrical Code)
4. При вигині і скручуванні кабелів сильно скорочується термін їх служби. При необхідності зробіть кріплення,...
5. Вибір типу кабелю
7. Рекомендації щодо зменшення електромагнітних перешкод в кабельних з'єднаннях
8. Існує оптимальне поєднання механічної міцності і ступеня екранування кабелю для додатків
9. Вимоги стандартів UL, CSA, CE
10. Вимоги до гнучкості

Правильний вибір екранованих кабелів є одним з найбільш важливих кроків при створенні надійних і точних сервосистем

Кабелі випускаються з різною екрануванням і типами проводів

Екранування кабелів захищає сигнали в жилах від зовнішніх джерел електромагнітних завад, а також зменшує випромінювання самого кабелю, яке може впливати на обладнання та проводку поруч з кабелем.

Типи електромагнітних завад

Щоб зрозуміти принципи екранування, необхідно спочатку зрозуміти принципи передачі електромагнітних завад через з'єднання, так як екранування, призначена для одних типів з'єднань, може виявитися абсолютно неефективною для інших. Більш того, неправильна прив'язка (заземлення) екрану може призвести навіть до гірших результатів, ніж відсутність самої екранування. Чотири типу перешкод в ланцюгах можуть привести до погіршення якості сигналу:

• ємкісні перешкоди;
• індуктивні (магнітні) перешкоди;
• внутрішні перешкоди;
• випромінювальні перешкоди.

Ємкісні перешкоди зазвичай доставляють найменше проблем і найлегше придушуються. Проте, вони можуть приводити до спотворення високочастотних сигналів в провідниках з великим вихідним опором. Характеристики: високочастотні флуктуації напруги, не пов'язані зі зміною струму. Їх можна помітити на осцилографі зі звичайним заземленням. З точки зору математичних формул ці перешкоди можна відокремити від випромінювальних перешкод. Способи придушення: використовувати кабелі з заземленою екрануванням. Заземлення особливо важливо, оскільки кабель знаходиться в ємнісний зв'язку з екраном.

Індуктивні (магнітні) перешкоди виникають в результаті впливу сильного магнітного поля, що діє за принципом генератора. Це може привести до виникнення струму в провіднику з відносно низьким опором і порушити процес передачі сигналу. Електромагнітні перешкоди даного типу і викликані ними реакції в системі можуть виявитися досить потужними для включення або відключення приладів. Характеристики: в індуктивних (магнітних) перешкодах відсутня постійна складова, частоти можуть варіюватися від найнижчих до найвищих в межах вимірювання (> 500 МГц). З математичної точки зору індукційні перешкоди описуються так само, як і ємнісні. Способи придушення: як правило, ефективної виявляється кручена пара з заземленою екранує опліткою. Екранування такого типу пригнічує перешкоди від джерел і приймачів, знижуючи як випромінювання, так і поглинання індуктивних перешкод завдяки безпосередній близькості провідників до заземленої оплетке. Індуктивні перешкоди підуть по шляху найменшого індуктивного опору, так що обплетення поглине їх до того, як вони зможуть досягти кабелів. Екранування фольгою не настільки ефективна через магнітних вихрових струмів.

Внутрішні перешкоди - перешкоди, що виникають при безпосередньому підключенні джерела шуму до системи, наприклад, коли джерело живлення створює імпульсні перешкоди на лінії змінного струму. Характеристики: внутрішні перешкоди можуть мати ненульову постійну складову. Зрушення постійної складової - одна з ознак типу з'єднання. Перешкоди можуть виявитися низькочастотних (наприклад, шум 50 Гц) і не будуть описуватися законами імпедансу (крім обмеження по потужності). Способи придушення: від внутрішніх перешкод потрібно позбавлятися за допомогою ізоляції, фільтрації або інших методів узгодження імпедансів. Екранування неефективна при придушенні, але, по крайней мере, допоможе не допустити вихід перешкоди за межі системи. Сильні внутрішні імпульсні перешкоди в неекранованої системі можуть стати індуктивними.

Стандарт NEC (National Electrical Code)

Національна асоціація по протипожежному захисту опублікувала стандарт NEC (National Electrical Code), за яким всі кабелі поділяються на дві групи. До групи кабелів для проводки в будинках належать кабелі, які використовуються в стаціонарних спорудах, де вони не схильні до деформації і зазвичай укладаються в каналах за стінами або в інших місцях, недоступних для візуального огляду.

До другої групи належать гнучкі шнури і кабелі. Ці кабелі призначені для з'єднання електроприладів, які можуть переміщатися одна відносно одної. В область їх застосування входить промислове і транспортно-завантажувальне обладнання, верстати та інші системи, що містять рухомі частини з електричними кабелями.

Невід'ємні частини кабелю - провідник, ізоляція, екранування і оболонка - повинні бути якісно виготовлені, щоб відповідати заявленого терміну служби в найгірших з точки зору вигинів і деформацій умовах. Однак що відносяться до другого типу кабелі зазвичай не рекомендують застосовувати в стаціонарних системах, оскільки вони не призначені для укладання в каналах і в інших ізольованих місцях і не проходили відповідного тестування. Ці кабелі, як правило, знаходяться в прямої видимості - пошкоджений кабель легко виявити і замінити.

Випромінювальні перешкоди - найбільш складний тип перешкод, що має ряд важливих для розуміння специфічних обмежень, пов'язаних з частотами. Характеристики: як правило, прилад повинен знаходитися на відстані 1/2 (Довжина хвилі) від джерела випромінювання і мати «антену» довжиною, як мінімум, / 20. У цьому випадку джерело перешкод буде розташовуватися поза приладом. Способи придушення: екранування фольгою недостатньо. Екранування опліткою може бути ефективною, хоча її застосування в разі випромінювальних перешкод пов'язане з додатковими вимогами. По-перше, екран не повинен перериватися всередині екраніруемого ланцюгів. Обов'язкова повна екранування з усіх напрямків. У разі дуже високих частот невеликі отвори або доріжки, які зазвичай допустимі, можуть давати суттєвий внесок в імпеданс. Навіть невинне отвір, через яке проходить кабель, може стати місцем проникнення випромінювальних перешкод. Той, хто знайомий зі стерео-радіоприймачами, знає правильний спосіб екранування і може вказати контури і конденсатори, підвладні впливу випромінювальних перешкод.

При вигині і скручуванні кабелів сильно скорочується термін їх служби. При необхідності зробіть кріплення, що забезпечує поздовжнє зміщення кабелю

Вибір типу кабелю

Вибір відповідного типу екранованого кабелю під конкретну задачу і частотну область - основний пункт в забезпеченні збереження низькорівневих сигналів в ланцюгах управління, точного і надійного позиціонування сервосистеми. Крім того, застосовуються в контурах управління високої потужності екрановані кабелі гарантують, що приводний система не впливає на навколишнє обладнання. Наприклад, правильно підключений екран може запобігти шумовий струм через заземлення (його іноді називають перешкодою загального вигляду). Екранування за допомогою обплетення, спіральної обмотки і фольги забезпечує шлях з найменшим опором для низько- і високочастотного шумового струму, повертаючи його назад на двигун. Основне призначення екранування полягає в придушенні радіовипромінювання. Частина енергії перешкод, що досягає екрану кабелю, відбивається, частина перенаправляється по екрану з низьким опором, але решта енергії шуму проникає за екран і спотворює низькорівневі сигнали в довколишніх ланцюгах. Завдання полягає у виборі найбільш ефективної екранування, що зводить до мінімуму проникнення перешкод. Силові кабелі серводвигунів і лінії зворотного зв'язку схильні до впливу як власного радіовипромінювання, так і впливу зовнішніх електромагнітних завад. На додаток до перешкод, створюваним розташованим поруч обладнанням і кабелями приводний сервосистеми, самі двигуни генерують основну частину електричного шуму. Щоб звести його до мінімуму, кабелі контурів зворотного зв'язку, аналогові, цифрові та інші низьковольтні ланцюги екрануються, щоб придушити як поглинаються, так і випромінює електромагнітні перешкоди. Кручені пари також часто екрануються, що дозволяє знизити перехресні перешкоди. Скручування сигнального і заземлюючого проводу знижує випромінювання, а екранування отриманої кручений пари створює ще один рівень захисту і пригнічує перехресні перешкоди між зовнішніми ланцюгами і жилами в кабелі. Зовнішня екранування захищає ланцюг від зовнішніх електромагнітних перешкод і знижує випромінювання самого кабелю. Силові кабелі сервосистем створюють потужне електромагнітне випромінювання через дуже швидко увімкнути або вимкнути струму двигуна. Через різку зміну струму виникають суттєві високочастотні перешкоди ємнісного та індуктивного типу, що випромінюються силовим кабелем. Екранування силових кабелів знижує рівень випромінювання, а також захищає контури зворотного зв'язку та обладнання системи. При виборі правильної екранування необхідно враховувати безліч факторів, включаючи екранує матеріал. Серед них:

• деякі кабелі мають загальну екранівку, що містить в собі всі провідники одночасно,
• в інших кабелях екрануються окремі провідники або пари,
• кабелі, призначені для несприятливих зовнішніх умов, містять як індивідуальну, так і загальну екранівку.

Подвійна екранування, розділена шаром ізолятора, покращує захист від перешкод, але знижує гнучкість кабелю. Наприклад, перший шар екранування з алюмінієвої фольги дає 100% покриття і захист від високочастотних перешкод. Другий шар з мідної обплетення (поверх ізоляційного шару) підвищує захист від низькочастотних перешкод, істотно додає міцності і збільшує термін служби при вигині.

Три типу екранування

Кабелі з екрануванням з обплетення, спіральної обмотки і фольги підходять для всього діапазону напруг стандартних сервосистем.

Рекомендації щодо зменшення електромагнітних перешкод в кабельних з'єднаннях

Наведемо кілька загальних рекомендацій щодо збільшення стійкості сервосистеми до електромагнітних шумів:

1. Кабелі, особливо в контурах зворотного зв'язку, не повинні бути занадто короткими, щоб уникнути сильних вигинів і занадто довгими, так як це призведе до підвищення рівня шуму, спотворює сигнал. Якщо кабелі двигунів і приводів довше, ніж необхідно, вони випромінюють більше перешкод. Кабелі повинні бути короткими наскільки це можливо.
2. Використання окремих силових кабелів і кабелів зворотного зв'язку знижує перехресний шум між з'єднують двигуни з приводами Потужнострумові лініями, ланцюгами з низьковольтними сигналами зворотного зв'язку та іншими аналоговими і цифровими лініями. Силові та сигнальні кабелі повинні прокладатися, якщо це можливо, в різних каналах або перебувати на відстані як мінімум 10 см для струмів до 20 А, 15 см для струмів до 40 А і 20 см для струмів до 80 А. Якщо силові й сигнальні кабелі схрещуються , їх потрібно розташувати строго перпендикулярно один до одного.
3. Композитні кабелі (силові лінії / зворотній зв'язок) дозволяють заощадити місце і спростити розводку, але істотно збільшують ймовірність впливу електромагнітних завад від силових ліній на ланцюг зворотного зв'язку. Сигнальні лінії якісних композитних кабелів об'єднані в кручені пари з подвійним екрануванням.
4. Багато виробників серводвигунів постачають готові кабелі разом з системою. Ці кабелі дозволяють заощадити час і зазвичай дають набагато кращий результат у порівнянні з кабелями власного виготовлення.
5. При довжині кабелів більше 25 метрів рекомендується використання загальних фільтрів на двигунах.
6. Коли застосовуються фільтри змінного струму харчування, входи і виходи повинні розташовуватися окремо.
7. В аналогових ланцюгах диференціальні входи набагато менш сприйнятливі до шуму в порівнянні з одноконтактний. Сигнали повинні передаватися по екранованих кабелів з заземленою на обох кінцях опліткою. Екрани силових кабелів також повинні бути заземлені з боку двигуна і приводу, щоб не допустити проникнення перешкод від обмоток двигуна в ланцюзі.
8. Екранування кабелів в місцях з'єднання повинна бути повною. Не варто залишати «хвости» обплетення для заземлення, так як частина провідника залишається відкритою для електромагнітних завад. Не слід розділяти кабелі перед колодкою з терміналами. Всі металеві частини корпусів повинні з'єднуватися проводять шнурами. Щоб забезпечити хороший контакт, в місцях кріплення приводу на панелі слід видалити фарбу.

Обшивка зазвичай складається зі сплетених в мережу мідних ниток, що покривають окремі провідники, кручені пари або всі жили в кабелі одночасно. Частка покриття визначається щільністю розташування ниток в оплетке і зазвичай становить 60-95%. Більший відсоток покриття означає кращий захист від електромагнітних перешкод і знижений радіовипромінювання. Від діаметра ниток, зазвичай рівного 32 і 40 AWG (прим .: American Wire Gauge (AWG) - використовувана в США система стандартів маркування товщини дроту. Чим менше номер AWG, тим товщі провід і нижче його опір), безпосередньо залежить гнучкість обплетення, термін служби при вигині і ступінь покриття. Луджені нитки більш стійкі до корозії, забезпечують кращий електричний контакт і зручніше при пайку, але не настільки гнучкі, як неізольовані нитки того ж розміру. Гнучкі кабелі для сервосистем зазвичай мають оплетку з дуже якісних неізольованих ниток. Сигнальні кабелі повинні складатися з ув'язнених в екран з фольги кручених пар в загальній оплетке.

Спіральна обмотка забезпечує більшу гнучкість і час життя при вигині, ніж обплетення. Вона складається з оголеною або лудженої дроту, закрученої по спіралі навколо провідника.

Існує оптимальне поєднання механічної міцності і ступеня екранування кабелю для додатків

Спіральна обмотка найкраще підходить для низьких частот і часто забезпечує покриття більш 95%. Вона застосовується в самих гнучких і стійких до деформацій, наприклад до скручування, кабелях, коли екранування з обплетення і, особливо, з фольги може бути пошкоджена при скручуванні кабелю. Заземлення спіральної обмотки ускладнюється в разі її замкнутості. Екран з фольги зазвичай робиться з алюмінієвої фольги на поліефірної підкладці. Підкладка необхідна для механічної міцності. Алюміній забезпечує ефективний захист від високочастотних перешкод ємнісного типу. Мідний дріт використовується не так часто і покриває нижчий частотний діапазон. Екран з фольги може накладатися на провідник одним з трьох способів: фольгою до провідника, фольгою назовні або з загнутими в формі букви Z краями намотуваним смужки фольги. Два перших способи допускають деяку витік шуму, оскільки в місцях накладення фольги і підкладки немає прямого проводить контакту. У той час як вигин країв у формі букви Z дозволяє домогтися повного покриття провідника, так як при накладенні фольга безпосередньо стикається з фольгою. Додатковий провід уздовж екрану з фольги забезпечує надійність заземлення.

Вимоги стандартів UL, CSA, CE

Крім зменшення або повного придушення перешкод при роботі сервосистем і навколишнього обладнання, екранування може бути необхідною для забезпечення відповідності певним регулюючим стандартам, наприклад CE (стандарти якості та безпеки Європейського союзу). Діаметр провідника, тип ізоляції і знак якості (якщо є) зазвичай нанесені на ізоляцію кабелю разом з класом по напрузі і температурі. Знаки Лабораторії по техніці безпеки США (UL) і Канадського агентства з стандартизації (CSA) підтверджують, що кабель перевірений однією або обома організаціями на предмет безпеки використання відповідно до технічних умов виробника. Однак це не означає, що кабель відмінно екранований. Стандарт CE встановлює межі рівня виникає в лінії шуму, але тільки лише використання сертифікованого на стандарт CE кабелю не гарантує, що вся система відповідає стандарту CE. Відповідність стандарту також визначається тим, як використовується кабель, так що без ретельного вивчення технічних характеристик і тестування на реальній установці не обійтися.

Вимоги до гнучкості

Кабелі для задач, де головним фактором є гнучкість, зазвичай мають:

• якісні провідники з мідніх ниток;
• Гнучкий ізоляцію;
• нескользящие Ізоляційні компоненти на кожному шарі провідника;
• рівномірну обмотку зв'язки провідників;
• внутрішню оболонки между зв'язку провідників и екранах;
• дуже якісну мідну екранує оплетку;
• екран з фольги зі шнуром вокруг Лінії для зворотнього зв'язку;
• Гнучкий зовнішню оболонки.

Екрани Гнучкий кабелів робляться з якісніх неізольованіх мідніх ниток, Які дуже легко пріймають форму зв'язки провідників. Коли кабель згінається, екран повинен ковзатися уздовж зв'язки провідників з низьких тертим и не застряваті на неодно-народностей, Які формуються окремий провіднікамі або проміжкамі между ними. Відсутність гладкою ціліндрічної поверхні під екранах может прізвесті до безповоротної деформації (скручування) кабелю. Між екраном і зв'язкою провідників поміщається тонка внутрішня оболонка, щоб заповнити проміжки між провідниками і тим самим сформувати гладку циліндричну поверхню, по якій буде добре ковзати екран. Хорошим способом створення гладкої поверхні під екраном є додавання наповнювачів і обмотки з текстильних волокон. Особливість іншого процесу виготовлення кабелів - штампована внутрішня оболонка, яка, завдяки своїй структурі, підтримує практично ідеальну циліндричну форму зв'язки провідників навіть під час вигину. Даний метод вимагає більше витрат, ніж технологія з наповнювачем і обмоткою, але забезпечує велику надійність. Екран обплітає або намотується на внутрішню оболонку, потім покривається зовнішньою оболонкою. Відносне зміщення складових кабелю під час згину створює трибоелектричних шум, що призводить до виникнення статичних і п'єзоелектричних перешкод. У ретельно сконструйованих кабелях це явище зведено до мінімуму, проте його потрібно завжди брати до уваги. Різні типи деформацій впливають на вибір складових кабелю, включаючи екран. До звичайних типів деформації кабелів відносяться поздовжній вигин, поперечний вигин і скручування. У технічних характеристиках вказується тип деформації, яка не нанесе кабелю пошкоджень. Поперечний вигин - це вигин або обертання вільного кінця закріпленого на шарнірі кабелю в різні боки. Поздовжній вигин виникає при фіксації одного кінця кабелю і переміщенні іншого кінця вперед і назад. Кабелі, призначені тільки для лінійних вигинів не повинні піддаватися скручування. Наприклад, скручування має місце в робототехніці, коли рука робота, всередині якої знаходяться кабелі, обертається проти і за годинниковою стрілкою. Для таких завдань найкраще підходить екран з спіральної обмотки.

Дивіться також збірник « Електромагнітна сумісність в електроніці ».