サーボ システムは、精密な制御と電気的に要求の厳しい環境を組み合わせます。モーション コントローラーは、ケーブルがモーター ケーブル、インバーター パワー ステージ、および接地された機械構造の近くを通る間に、短い機械レベルのリンクを介してサーボ ドライブと時間に敏感なコマンドを交換することがあります。
これにより、通常のオフィス ネットワーキングとはまったく異なるコミュニケーションの問題が発生します。
多くのサーボ アプリケーションにとって、主な課題は、キロメートルを超えてデータを送信しないことです。電磁干渉、高速スイッチング過渡現象、コモンモードノイズ、電位差の影響を受ける環境でも信頼性の高い制御信号を維持します。
ここで光通信が価値を発揮します。必要な距離が比較的短く、インターフェースがそれに合わせて設計されている場合、プラスチック光ファイバー (POF)実用的な光媒体を提供できます。
サーボ システムは通常、2 つの非常に異なる電気的機能を組み合わせています。
制御側は、位置コマンド、速度指令、同期、フィードバック、診断、および通信を処理します。電源側は、急速に変化する電圧と電流をサーボ モーターに供給します。
これらの機能は、多くの場合、互いに近接して動作します。
一般的なサーボの設置では、モーション コントローラー、サーボ ドライブ、モーター電源ケーブル、および通信リンクが同じキャビネットまたはマシン環境内に配置されます。
サーボドライブはパワーエレクトロニクスシステムであるため、この近接性は重要です。電磁環境は非常に重要であるため、可変速パワードライブシステムは特に保護されています。IEC 61800-3、パワードライブシステムのエミッションおよびイミュニティ要件に対処する EMC 規格。
サーボドライブは、完全に滑らかなアナログ電圧を供給することによってモーターの速度やトルクを調整するわけではありません。
インバータ段は半導体デバイスを迅速に切り替えて、モータに必要な電圧と電流の波形を生成します。このプロセスでは、パルス幅変調 (PWM) が一般的に使用されます。
これらのスイッチング遷移により、電圧と電流が急速に変化します。
EMC の観点から見ると、問題は公称スイッチング周波数だけではありません。高速スイッチング エッジには、いくつかのメカニズムを通じて近くの回路に結合する可能性がある高周波エネルギーが含まれています。
容量結合は、電力導体と近くの信号回路の間で発生する可能性があります。電流が急速に変化すると、誘導結合が発生することがあります。インバーター、モーターケーブル、モーター巻線、機械フレーム、保護アース間の寄生容量も、高周波コモンモード電流の経路となる可能性があります。
モーター ケーブルは、通信および制御配線に近い機械を介してインバーター出力を伝送するため、この電気環境の一部となります。
サーボドライブが EMI の多い通信環境を作り出す仕組み
ケーブルの分離、シールド、接着、接地、およびキャビネットの設計を適切に行うことで、これらの影響を軽減できますが、サーボ通信が強力な電気ノイズ源のそばで動作することが多いという基本的な事実は変わりません。
EMI は問題の一部にすぎません。
コントローラとサーボドライブは、キャビネットまたは機械内の異なる位置に取り付けられる場合があります。それらの電気基準は、導体インピーダンス、高周波漏れ電流、スイッチング電流、接地トポロジ、物理的レイアウトの影響を受ける可能性があります。
その結果、同じ接地システムに接続された 2 つの場所は、すべての動作条件下で必ずしも正確に同じ瞬間電位を維持するとは限りません。
導電性の通信リンクにとって、これは重要です。
2 つのデバイスが信号ケーブルを介して電気的に接続されている場合、電位差が不要な電流経路やコモンモード電圧の原因となる可能性があります。通信インターフェイスは、目的のデータ信号を正しく検出しながら、これらの条件に耐える必要があります。
差動信号、シールド、絶縁コンポーネント、および慎重な接地により、銅線通信の信頼性が高まります。別のアプローチは、導電性通信パスを完全に削除することです。
これが、電気的に困難なサーボ環境で光リンクが役立つ主な理由の 1 つです。
光ファイバーは、サーボ システム デバイス間の非導電性通信パスを提供します。ファイバー自体はエンドポイント間に電流を流さないため、通信ケーブルが地電流や電気的結合干渉の経路になるのを防ぐことができ、これはインバーター、モーター、および高出力ケーブルの周囲で有益です。
光送信機は電気データ信号を光に変換します。ファイバーはその光を受信デバイスに運び、そこで電気信号に変換されます。
したがって、2 つの光ポート間に金属信号導体は存在しません。
誘電体光ファイバーは金属製の通信導体のようには動作しません。
外部の電界や磁界はファイバー自体に通信電流を誘導しないため、ファイバーは接続されたデバイス間の DC 接地電流の導電経路を提供できません。
これにより、通信リンクと周囲の電力環境との関係が変化します。
サーボインバータの出力配線の近くに通信ケーブルを配線した場合を考えます。電気リンクの場合、インターフェースは信号の完全性を維持しながら、導体に結合された電磁エネルギーを管理する必要があります。
光リンクでは、情報は電流ではなく光としてファイバーを通過します。
これは、サーボ システム全体が EMI の影響を受けなくなることを意味するものではありません。送信機、受信機、コントローラー電子機器、駆動電子機器、電源、PCB レイアウト、接地、および機器全体の設計には、依然として適切な EMC エンジニアリングが必要です。
メリットはより具体的には次のとおりです。ファイバー ケーブル自体は、2 つの通信エンドポイント間に電気結合パスを作成しません。
これは、光通信と電気的絶縁の関係も説明します。
導電性通信媒体では、インターフェイスのどこかに適切な絶縁が提供されない限り、リンクの両端は電気的に接続されます。
光路はその関係を変えます。
情報が光として境界を越える間、送信機は 1 つの電気ドメイン内で動作し、受信機は別の電気ドメイン内で動作できます。したがって、通信媒体はグランドループ電流の導電経路を提供しません。
銅線通信パスと光絶縁
これは、コントローラーとドライブが異なるコモンモード状態に陥った場合に特に役立ちます。
ただし、ファイバーと完全なシステムを区別することが重要です。
誘電体ファイバーは導電性信号経路を除去しますが、完全なインターフェイスの絶縁機能は依然として送信機、受信機、PCB 設計、絶縁構造、コネクタ、および機器のアーキテクチャに依存します。
したがって、ファイバーは、適切なシステムレベルの電気設計の代替物ではなく、絶縁を可能にする通信媒体として理解されるべきです。
光ファイバーは、多くの場合、電気通信、データセンター、長距離ネットワークに関連付けられています。このため、システムが極端な帯域幅または非常に長い伝送距離を必要とする場合にのみファイバーが役立つという印象を与える可能性があります。
サーボ通信には異なる優先順位があります。
モーションコントロール システムでは、高速周期通信、軸間の同期、予測可能なタイミング、安定したコマンド配信、および電気ノイズの多い環境での信頼性の高い動作が必要な場合があります。
これらの要件は長距離伝送を必要とせずとも厳しいものになる可能性があります。
多くのサーボ リンクは、機械、生産セル、またはローカル制御システム内に残ります。このようなアプリケーションでは、必要なマシンレベルのリンクをはるかに超えて伝送能力を拡張しても、追加のエンジニアリング価値はほとんど得られない可能性があります。
同じ理由が帯域幅にも当てはまります。
サーボ通信は、選択した制御アーキテクチャに十分な容量を提供する必要がありますが、生の最大帯域幅が自動的に主要な選択基準になるわけではありません。必要な通信サイクル、同期、プロトコルのパフォーマンス、およびシステムの応答が満たされると、他の要素がより重要になる可能性があります。
これに関連して、光通信は、通信媒体を周囲の電力環境から電気的に分離したまま、同期制御をサポートできます。
したがって、工学的な問題は、単にどのメディアが可能な限り最大の帯域幅を持つかということではありません。
それは、どの媒体がサーボ システムのタイミング、距離、耐ノイズ性、絶縁性、機械的、および互換性の要件を確実に満たすかということです。
光リンクを選択すると、なぜ従来のガラスファイバーではなくプラスチック光ファイバーを使用するのかという別の疑問が生じます。
答えはアプリケーションの要件によって異なります。
POF は、あらゆる形式のガラス光ファイバーを置き換えることを目的としたものではありません。その利点は、産業システムが比較的短い光接続、簡単な結合、実用的な組み立て、通信ネットワークの距離要件を必要としない信頼性の高い伝送を必要とする場合に最も重要になります。
多くの産業用ステップインデックス POF システムは、直径 1 mm に近いコアを使用します。
その大きな光コアにより、結合感度が低下し、機械的により単純な産業用光インターフェイスをサポートできます。
ラージコア POF が光結合を簡素化する理由
これには実際的な影響があります。
光学ターゲットが比較的大きい場合、トランスミッタ、コネクタ、およびレシーバは、はるかに小さい光学ジオメトリで要求されるのと同じ程度の位置合わせ精度を必要としません。
産業用機器の場合、これは非常に長い距離にわたって可能な限り低い減衰を達成することよりも重要な場合があります。
サーボ マシンには、一貫して組み立ておよび保守できる堅牢な光接続が必要な場合があります。必要な通信距離が短い場合は、長距離伝送能力よりも大コア結合の実際的な利点が重要になる可能性があります。
また、ファイバーの形状が大きいため、比較的単純なコネクタ システムも可能になります。
コンポーネント ファミリに応じて、産業用 POF では、スナップイン、圧着なし、機械的にロックされた、またはコネクタレスの終端方法が使用される場合があります。
シンプルな産業用POF終端
一部のシステムでは、ファイバーを適切な長さに切断し、光学コンポーネントに機械的に直接取り付けることができます。比較的単純な切断および仕上げプロセスを備えたコネクタを使用する製品もあります。
これにより、光絶縁が必要な機械において POF が役立ちますが、複雑なファイバ終端により不必要な設置作業が追加される可能性があります。
すべての POF コネクタが同じ終端方法を使用しているわけではありません。
一部のシステムでは、依然として制御された切断、端面の準備、または研磨が必要です。したがって、設置は実際のコネクタとトランシーバ システムの要件に従う必要があります。
利点は、POF が繊維の準備を必要としないということではありません。
それはそれですラージコア POF は、比較的単純な産業用コネクタ アーキテクチャをサポートできます。
プラスチック光ファイバは一般に、シリカ通信ファイバよりも減衰が高くなります。
長距離通信の場合、これは重要な制限です。
ただし、コンパクトなマシンの内部では、必要な伝送距離が十分に短いため、超低減衰によって追加のシステム価値がほとんど得られない場合があります。
コントローラーからドライブへのリンクがサーボ システムによってサポートされる距離内でのみ動作する必要がある場合、関連する問題は、完全な光パワー バジェットが適切なマージンを持ってそのリンクをサポートしているかどうかです。
したがって、たとえ別のファイバー技術がさらに遠くまで伝送できたとしても、その範囲向けに設計された POF システムが適切である可能性があります。
通信メディアは、別のテクノロジーから得られる最大のパフォーマンスではなく、必要なリンクに対して評価される必要があります。
短い産業リンクの場合、POF は長距離機能を交換して、より簡単な光結合と設置を実現します。
サーボ システムでの光通信の使用は、すべてのサーボ システムで POF を使用する必要があるという意味ではありません。
最新のモーション制御システムは、さまざまな通信アーキテクチャを使用しています。機器の設計に応じて、コントローラーからドライブまでのネットワークは、銅線通信、プラスチック光ファイバー、シリカ光ファイバー、または別の物理層を使用する場合があります。
光リンクが長い場合は、減衰が少ないため、シリカ ファイバが有利になる場合があります。
温度によっても選択が変わる場合があります。許容動作範囲はファイバ、ジャケット、コネクタ、および完全なケーブル構造によって異なるため、指定されたサーボ環境をケーブル定格と照合して確認する必要があります。
機械的な要件も重要です。
キャビネット内に恒久的に設置されたケーブルは、連続的に移動する機械セクションを通るケーブルとは異なる応力にさらされます。
最も重要なのは、サーボ インターフェイス自体が互換性を決定することです。
特定のファイバ タイプ、コネクタ形状、または光リンク用に設計された光ポートは、代替ファイバが魅力的な一般仕様を備えているという理由だけで、別のファイバ システムに変換することはできません。
サーボ アプリケーションの場合、一般的なファイバーの性能よりもシステムの互換性が優先されます。
交換用またはカスタマイズされたサーボ ファイバー ケーブルの選択は、ジャケットの色、ファイバーの直径、コネクタの外観ではなく、通信インターフェイスから始める必要があります。
サーボファイバーケーブルの選択要素
2 本の光ケーブルは似ているように見えても、同じサーボ システムには適さない場合があります。
まず、正確なコントローラーとサーボドライブインターフェイスを特定します。
チェック：
必要な光ファイバーのタイプ。
送信機および受信機のアーキテクチャ。
コネクタファミリー。
繊維の数。
許可されたケーブル構造。
サポートされる最大リンク長。
システム固有の互換性要件。
機器メーカーが特定の光メディアまたはケーブル アーキテクチャを指定している場合は、その要件が POF に関する一般的な想定よりも優先される必要があります。
物理的な適合性だけでは光学的な互換性は保証されません。
すべての光リンクには有限の電力バジェットがあります。
送信機は光パワーをファイバーに送り出します。損失は、ファイバ、コネクタ、ジョイント、温度の影響、汚染、およびリンクの他の部分によって発生します。受信機は、送信されたデータを確実に復元するために十分な光パワーを受信する必要があります。
したがって、ケーブル長を光学系と独立して選択することはできません。
サーボ ファイバー ケーブルの仕様では、物理的な長さと、コントローラーおよびドライブ インターフェイスの光学的制限の両方を考慮する必要があります。
コネクタの互換性も同様に重要です。
ファイバーは送信機と受信機に対して正しく配置されている必要があります。ファイバの種類、コネクタの形状、端面の状態はすべて、光結合とリンク損失に影響を与える可能性があります。
交換用ケーブルの場合、コネクタが似ているという理由だけでケーブルを選択するよりも、元の光アーキテクチャと一致させる方が一般的に安全です。
電気的絶縁はアプリケーションの一部分のみを解決します。
サーボ ファイバー ケーブルは、依然として実際のマシン内に取り付けられる機械コンポーネントです。
重要な選択条件は次のとおりです。
| 選択項目 | なぜそれが重要なのか | 確認すべき内容 |
|---|---|---|
| ファイバー/インターフェースの互換性 | 光リンクが動作できるかどうかを判断します | サーボコントローラとドライブの仕様 |
| ケーブル長 | 総光損失に影響を与える | サポートされるリンク長と光バジェット |
| コネクタの種類 | 機械的および光学的結合を制御 | 正確なインターフェースとロック方法 |
| 最小曲げ半径 | 過度に曲げると損失が増加したり、ファイバーが損傷したりする可能性があります | ケーブルの仕様と配線 |
| 引張荷重 | 過度に引っ張るとファイバーや終端が損傷する可能性があります | 設置方法 |
| 固定または移動インストール | 繰り返しの動作により機械的ストレスが発生する | フレキシブルな要件 |
| 動作温度 | ファイバーとジャケットの特性は温度に依存します | 機械環境とケーブル定格 |
| 油または化学物質への曝露 | ケーブルの材質によっては適さない場合があります | 機械流体環境 |
| ジャケットと炎の要件 | 機器またはプロジェクトによって必要な場合があります | 設置仕様 |
| コネクタの清浄度 | 汚れは光損失を増加させる可能性があります | 設置とメンテナンスの手順 |
ルーティングにも注目が必要です。
ファイバーケーブルは、導電性信号ケーブルでは不可能な方法で電気的干渉を回避できますが、鋭く曲げたり、押しつぶしたり、過度に引っ張ったり、不適切な環境にさらしたり、繰り返しの動きによって損傷したりすると、故障する可能性があります。
このため、曲げ半径、引張荷重、動作環境、および取り扱い制限は、二次的な設置の詳細としてではなく、通信リンク仕様の一部として扱う必要があります。
この関係は次のように直接要約できます。
| サーボ環境条件 | 通信上の問題の可能性 | 光リンクがどのように役立つか |
|---|---|---|
| 高速インバータスイッチング | 伝導および放射EMI | ファイバーは誘導電気信号電流を伝導しません |
| 信号配線付近のモーター電源ケーブル | 電磁結合 | 光伝送により金属信号導体が不要になります |
| 異なる電位 | グランドループまたはコモンモード電流 | ファイバーが伝導通信経路を遮断する |
| 密集した機械配線 | 電気的結合の機会の増加 | 光通信により、導電性信号経路への依存が軽減されます。 |
| 近くで動作する電力および制御電子機器 | 困難なシグナルインテグリティ環境 | 電気ドメインは光を通じて情報を交換できる |
光ファイバーを使用しても、優れた EMC エンジニアリングの必要性がなくなるわけではありません。
適切な接地、シールド、キャビネットのレイアウト、モーターケーブルの設置、電源システムの設計は依然として重要です。
その価値は、通信ケーブル自体が管理しなければならない電気経路の 1 つではなくなることです。
プラスチック光ファイバは、コアが大きい、接続が簡単、距離が短いなどの機能を単に集めたものとして捉えるべきではありません。
これらの特性は、アプリケーションの問題を解決する場合にのみ重要になります。
サーボ システムでは、多くの場合、パワー エレクトロニクスから推論が始まります。
ドライブは重要な電圧と電流を切り替えます。モーターとそのケーブル配線は、そのスイッチング環境内で動作します。コントローラーとドライブは、コモンモード障害や電位差も発生する可能性があります。
信頼性の高い通信は、これらの条件と共存する必要があります。
光リンクは、通信エンドポイント間のメタリック信号パスを排除します。必要なリンクが比較的短い場合、システムは通信グレードのファイバーの長距離機能の恩恵を必ずしも受けられません。
そのような状況では、産業用 POF で利用できる大きなコアと比較的単純な結合方法が、エンジニアリング上の有益な利点となる可能性があります。
このため、特定のサーボ システムでは POF が意味を持ちます。それは、サーボ アプリケーションが一般的にプラスチック ファイバーを必要とするからではなく、一部のサーボ通信リンクでは、極端な伝送距離よりも電気的絶縁とノイズ耐性が必要なためです。
光ファイバー通信は、コントローラーとサーボドライブの間に非導電性リンクを提供できます。これにより、インバータ スイッチング、モータ、および電源ケーブルが含まれる環境において、通信ケーブルにグランド ループ電流が流れたり、電気的に結合された干渉が発生したりするのを防ぐことができます。
いいえ、ファイバーは重要な電気結合経路を取り除きますが、ドライブ電子機器、コントローラー、トランシーバー、電源、接地、PCB レイアウト、および周囲の機器には依然として適切な EMC 設計が必要です。ファイバーは通信媒体の電気的動作を改善します。マシン全体が EMI の影響を受けなくなるわけではありません。
POF は、必要なリンクが比較的短く、装置が大コアの光インターフェイスを中心に設計されている場合に魅力的です。大きなコアにより光結合が簡素化され、比較的簡単なコネクタ システムをサポートできます。長距離、低減衰、またはその他のシステム要件が優先される場合には、グラスファイバーの方が適している可能性があります。
それはサーボネットワークと光学コンポーネントによって異なります。サーボ システムは、制御アーキテクチャに十分なデータ レートと予測可能なタイミングを必要とします。したがって、POF は、他のファイバー技術で利用可能な最大帯域幅だけと比較するのではなく、指定されたコントローラーとドライブ インターフェイスに従って選択する必要があります。
普遍的な最大長はありません。許容距離は、サーボ システム、送信機と受信機、ファイバーの種類、コネクタの損失、減衰、温度、光パワー バジェットによって異なります。実際の装置に指定された最大リンク長は、主な制限として扱われます。
正確なコントローラーとサーボドライブインターフェイスから始めます。必要なファイバの種類、コネクタ、ファイバの数、許容される長さ、互換性要件を確認します。次に、交換用ケーブルを選択する前に、曲げ半径、曲げ、引張荷重、温度、化学薬品への曝露、ジャケット要件、コネクタの清浄度などの機械的条件を確認します。
サーボ システムは、精密な制御と電気的に要求の厳しい環境を組み合わせます。モーション コントローラーは、ケーブルがモーター ケーブル、インバーター パワー ステージ、および接地された機械構造の近くを通る間に、短い機械レベルのリンクを介してサーボ ドライブと時間に敏感なコマンドを交換することがあります。
これにより、通常のオフィス ネットワーキングとはまったく異なるコミュニケーションの問題が発生します。
多くのサーボ アプリケーションにとって、主な課題は、キロメートルを超えてデータを送信しないことです。電磁干渉、高速スイッチング過渡現象、コモンモードノイズ、電位差の影響を受ける環境でも信頼性の高い制御信号を維持します。
ここで光通信が価値を発揮します。必要な距離が比較的短く、インターフェースがそれに合わせて設計されている場合、プラスチック光ファイバー (POF)実用的な光媒体を提供できます。
サーボ システムは通常、2 つの非常に異なる電気的機能を組み合わせています。
制御側は、位置コマンド、速度指令、同期、フィードバック、診断、および通信を処理します。電源側は、急速に変化する電圧と電流をサーボ モーターに供給します。
これらの機能は、多くの場合、互いに近接して動作します。
一般的なサーボの設置では、モーション コントローラー、サーボ ドライブ、モーター電源ケーブル、および通信リンクが同じキャビネットまたはマシン環境内に配置されます。
サーボドライブはパワーエレクトロニクスシステムであるため、この近接性は重要です。電磁環境は非常に重要であるため、可変速パワードライブシステムは特に保護されています。IEC 61800-3、パワードライブシステムのエミッションおよびイミュニティ要件に対処する EMC 規格。
サーボドライブは、完全に滑らかなアナログ電圧を供給することによってモーターの速度やトルクを調整するわけではありません。
インバータ段は半導体デバイスを迅速に切り替えて、モータに必要な電圧と電流の波形を生成します。このプロセスでは、パルス幅変調 (PWM) が一般的に使用されます。
これらのスイッチング遷移により、電圧と電流が急速に変化します。
EMC の観点から見ると、問題は公称スイッチング周波数だけではありません。高速スイッチング エッジには、いくつかのメカニズムを通じて近くの回路に結合する可能性がある高周波エネルギーが含まれています。
容量結合は、電力導体と近くの信号回路の間で発生する可能性があります。電流が急速に変化すると、誘導結合が発生することがあります。インバーター、モーターケーブル、モーター巻線、機械フレーム、保護アース間の寄生容量も、高周波コモンモード電流の経路となる可能性があります。
モーター ケーブルは、通信および制御配線に近い機械を介してインバーター出力を伝送するため、この電気環境の一部となります。
サーボドライブが EMI の多い通信環境を作り出す仕組み
ケーブルの分離、シールド、接着、接地、およびキャビネットの設計を適切に行うことで、これらの影響を軽減できますが、サーボ通信が強力な電気ノイズ源のそばで動作することが多いという基本的な事実は変わりません。
EMI は問題の一部にすぎません。
コントローラとサーボドライブは、キャビネットまたは機械内の異なる位置に取り付けられる場合があります。それらの電気基準は、導体インピーダンス、高周波漏れ電流、スイッチング電流、接地トポロジ、物理的レイアウトの影響を受ける可能性があります。
その結果、同じ接地システムに接続された 2 つの場所は、すべての動作条件下で必ずしも正確に同じ瞬間電位を維持するとは限りません。
導電性の通信リンクにとって、これは重要です。
2 つのデバイスが信号ケーブルを介して電気的に接続されている場合、電位差が不要な電流経路やコモンモード電圧の原因となる可能性があります。通信インターフェイスは、目的のデータ信号を正しく検出しながら、これらの条件に耐える必要があります。
差動信号、シールド、絶縁コンポーネント、および慎重な接地により、銅線通信の信頼性が高まります。別のアプローチは、導電性通信パスを完全に削除することです。
これが、電気的に困難なサーボ環境で光リンクが役立つ主な理由の 1 つです。
光ファイバーは、サーボ システム デバイス間の非導電性通信パスを提供します。ファイバー自体はエンドポイント間に電流を流さないため、通信ケーブルが地電流や電気的結合干渉の経路になるのを防ぐことができ、これはインバーター、モーター、および高出力ケーブルの周囲で有益です。
光送信機は電気データ信号を光に変換します。ファイバーはその光を受信デバイスに運び、そこで電気信号に変換されます。
したがって、2 つの光ポート間に金属信号導体は存在しません。
誘電体光ファイバーは金属製の通信導体のようには動作しません。
外部の電界や磁界はファイバー自体に通信電流を誘導しないため、ファイバーは接続されたデバイス間の DC 接地電流の導電経路を提供できません。
これにより、通信リンクと周囲の電力環境との関係が変化します。
サーボインバータの出力配線の近くに通信ケーブルを配線した場合を考えます。電気リンクの場合、インターフェースは信号の完全性を維持しながら、導体に結合された電磁エネルギーを管理する必要があります。
光リンクでは、情報は電流ではなく光としてファイバーを通過します。
これは、サーボ システム全体が EMI の影響を受けなくなることを意味するものではありません。送信機、受信機、コントローラー電子機器、駆動電子機器、電源、PCB レイアウト、接地、および機器全体の設計には、依然として適切な EMC エンジニアリングが必要です。
メリットはより具体的には次のとおりです。ファイバー ケーブル自体は、2 つの通信エンドポイント間に電気結合パスを作成しません。
これは、光通信と電気的絶縁の関係も説明します。
導電性通信媒体では、インターフェイスのどこかに適切な絶縁が提供されない限り、リンクの両端は電気的に接続されます。
光路はその関係を変えます。
情報が光として境界を越える間、送信機は 1 つの電気ドメイン内で動作し、受信機は別の電気ドメイン内で動作できます。したがって、通信媒体はグランドループ電流の導電経路を提供しません。
銅線通信パスと光絶縁
これは、コントローラーとドライブが異なるコモンモード状態に陥った場合に特に役立ちます。
ただし、ファイバーと完全なシステムを区別することが重要です。
誘電体ファイバーは導電性信号経路を除去しますが、完全なインターフェイスの絶縁機能は依然として送信機、受信機、PCB 設計、絶縁構造、コネクタ、および機器のアーキテクチャに依存します。
したがって、ファイバーは、適切なシステムレベルの電気設計の代替物ではなく、絶縁を可能にする通信媒体として理解されるべきです。
光ファイバーは、多くの場合、電気通信、データセンター、長距離ネットワークに関連付けられています。このため、システムが極端な帯域幅または非常に長い伝送距離を必要とする場合にのみファイバーが役立つという印象を与える可能性があります。
サーボ通信には異なる優先順位があります。
モーションコントロール システムでは、高速周期通信、軸間の同期、予測可能なタイミング、安定したコマンド配信、および電気ノイズの多い環境での信頼性の高い動作が必要な場合があります。
これらの要件は長距離伝送を必要とせずとも厳しいものになる可能性があります。
多くのサーボ リンクは、機械、生産セル、またはローカル制御システム内に残ります。このようなアプリケーションでは、必要なマシンレベルのリンクをはるかに超えて伝送能力を拡張しても、追加のエンジニアリング価値はほとんど得られない可能性があります。
同じ理由が帯域幅にも当てはまります。
サーボ通信は、選択した制御アーキテクチャに十分な容量を提供する必要がありますが、生の最大帯域幅が自動的に主要な選択基準になるわけではありません。必要な通信サイクル、同期、プロトコルのパフォーマンス、およびシステムの応答が満たされると、他の要素がより重要になる可能性があります。
これに関連して、光通信は、通信媒体を周囲の電力環境から電気的に分離したまま、同期制御をサポートできます。
したがって、工学的な問題は、単にどのメディアが可能な限り最大の帯域幅を持つかということではありません。
それは、どの媒体がサーボ システムのタイミング、距離、耐ノイズ性、絶縁性、機械的、および互換性の要件を確実に満たすかということです。
光リンクを選択すると、なぜ従来のガラスファイバーではなくプラスチック光ファイバーを使用するのかという別の疑問が生じます。
答えはアプリケーションの要件によって異なります。
POF は、あらゆる形式のガラス光ファイバーを置き換えることを目的としたものではありません。その利点は、産業システムが比較的短い光接続、簡単な結合、実用的な組み立て、通信ネットワークの距離要件を必要としない信頼性の高い伝送を必要とする場合に最も重要になります。
多くの産業用ステップインデックス POF システムは、直径 1 mm に近いコアを使用します。
その大きな光コアにより、結合感度が低下し、機械的により単純な産業用光インターフェイスをサポートできます。
ラージコア POF が光結合を簡素化する理由
これには実際的な影響があります。
光学ターゲットが比較的大きい場合、トランスミッタ、コネクタ、およびレシーバは、はるかに小さい光学ジオメトリで要求されるのと同じ程度の位置合わせ精度を必要としません。
産業用機器の場合、これは非常に長い距離にわたって可能な限り低い減衰を達成することよりも重要な場合があります。
サーボ マシンには、一貫して組み立ておよび保守できる堅牢な光接続が必要な場合があります。必要な通信距離が短い場合は、長距離伝送能力よりも大コア結合の実際的な利点が重要になる可能性があります。
また、ファイバーの形状が大きいため、比較的単純なコネクタ システムも可能になります。
コンポーネント ファミリに応じて、産業用 POF では、スナップイン、圧着なし、機械的にロックされた、またはコネクタレスの終端方法が使用される場合があります。
シンプルな産業用POF終端
一部のシステムでは、ファイバーを適切な長さに切断し、光学コンポーネントに機械的に直接取り付けることができます。比較的単純な切断および仕上げプロセスを備えたコネクタを使用する製品もあります。
これにより、光絶縁が必要な機械において POF が役立ちますが、複雑なファイバ終端により不必要な設置作業が追加される可能性があります。
すべての POF コネクタが同じ終端方法を使用しているわけではありません。
一部のシステムでは、依然として制御された切断、端面の準備、または研磨が必要です。したがって、設置は実際のコネクタとトランシーバ システムの要件に従う必要があります。
利点は、POF が繊維の準備を必要としないということではありません。
それはそれですラージコア POF は、比較的単純な産業用コネクタ アーキテクチャをサポートできます。
プラスチック光ファイバは一般に、シリカ通信ファイバよりも減衰が高くなります。
長距離通信の場合、これは重要な制限です。
ただし、コンパクトなマシンの内部では、必要な伝送距離が十分に短いため、超低減衰によって追加のシステム価値がほとんど得られない場合があります。
コントローラーからドライブへのリンクがサーボ システムによってサポートされる距離内でのみ動作する必要がある場合、関連する問題は、完全な光パワー バジェットが適切なマージンを持ってそのリンクをサポートしているかどうかです。
したがって、たとえ別のファイバー技術がさらに遠くまで伝送できたとしても、その範囲向けに設計された POF システムが適切である可能性があります。
通信メディアは、別のテクノロジーから得られる最大のパフォーマンスではなく、必要なリンクに対して評価される必要があります。
短い産業リンクの場合、POF は長距離機能を交換して、より簡単な光結合と設置を実現します。
サーボ システムでの光通信の使用は、すべてのサーボ システムで POF を使用する必要があるという意味ではありません。
最新のモーション制御システムは、さまざまな通信アーキテクチャを使用しています。機器の設計に応じて、コントローラーからドライブまでのネットワークは、銅線通信、プラスチック光ファイバー、シリカ光ファイバー、または別の物理層を使用する場合があります。
光リンクが長い場合は、減衰が少ないため、シリカ ファイバが有利になる場合があります。
温度によっても選択が変わる場合があります。許容動作範囲はファイバ、ジャケット、コネクタ、および完全なケーブル構造によって異なるため、指定されたサーボ環境をケーブル定格と照合して確認する必要があります。
機械的な要件も重要です。
キャビネット内に恒久的に設置されたケーブルは、連続的に移動する機械セクションを通るケーブルとは異なる応力にさらされます。
最も重要なのは、サーボ インターフェイス自体が互換性を決定することです。
特定のファイバ タイプ、コネクタ形状、または光リンク用に設計された光ポートは、代替ファイバが魅力的な一般仕様を備えているという理由だけで、別のファイバ システムに変換することはできません。
サーボ アプリケーションの場合、一般的なファイバーの性能よりもシステムの互換性が優先されます。
交換用またはカスタマイズされたサーボ ファイバー ケーブルの選択は、ジャケットの色、ファイバーの直径、コネクタの外観ではなく、通信インターフェイスから始める必要があります。
サーボファイバーケーブルの選択要素
2 本の光ケーブルは似ているように見えても、同じサーボ システムには適さない場合があります。
まず、正確なコントローラーとサーボドライブインターフェイスを特定します。
チェック：
必要な光ファイバーのタイプ。
送信機および受信機のアーキテクチャ。
コネクタファミリー。
繊維の数。
許可されたケーブル構造。
サポートされる最大リンク長。
システム固有の互換性要件。
機器メーカーが特定の光メディアまたはケーブル アーキテクチャを指定している場合は、その要件が POF に関する一般的な想定よりも優先される必要があります。
物理的な適合性だけでは光学的な互換性は保証されません。
すべての光リンクには有限の電力バジェットがあります。
送信機は光パワーをファイバーに送り出します。損失は、ファイバ、コネクタ、ジョイント、温度の影響、汚染、およびリンクの他の部分によって発生します。受信機は、送信されたデータを確実に復元するために十分な光パワーを受信する必要があります。
したがって、ケーブル長を光学系と独立して選択することはできません。
サーボ ファイバー ケーブルの仕様では、物理的な長さと、コントローラーおよびドライブ インターフェイスの光学的制限の両方を考慮する必要があります。
コネクタの互換性も同様に重要です。
ファイバーは送信機と受信機に対して正しく配置されている必要があります。ファイバの種類、コネクタの形状、端面の状態はすべて、光結合とリンク損失に影響を与える可能性があります。
交換用ケーブルの場合、コネクタが似ているという理由だけでケーブルを選択するよりも、元の光アーキテクチャと一致させる方が一般的に安全です。
電気的絶縁はアプリケーションの一部分のみを解決します。
サーボ ファイバー ケーブルは、依然として実際のマシン内に取り付けられる機械コンポーネントです。
重要な選択条件は次のとおりです。
| 選択項目 | なぜそれが重要なのか | 確認すべき内容 |
|---|---|---|
| ファイバー/インターフェースの互換性 | 光リンクが動作できるかどうかを判断します | サーボコントローラとドライブの仕様 |
| ケーブル長 | 総光損失に影響を与える | サポートされるリンク長と光バジェット |
| コネクタの種類 | 機械的および光学的結合を制御 | 正確なインターフェースとロック方法 |
| 最小曲げ半径 | 過度に曲げると損失が増加したり、ファイバーが損傷したりする可能性があります | ケーブルの仕様と配線 |
| 引張荷重 | 過度に引っ張るとファイバーや終端が損傷する可能性があります | 設置方法 |
| 固定または移動インストール | 繰り返しの動作により機械的ストレスが発生する | フレキシブルな要件 |
| 動作温度 | ファイバーとジャケットの特性は温度に依存します | 機械環境とケーブル定格 |
| 油または化学物質への曝露 | ケーブルの材質によっては適さない場合があります | 機械流体環境 |
| ジャケットと炎の要件 | 機器またはプロジェクトによって必要な場合があります | 設置仕様 |
| コネクタの清浄度 | 汚れは光損失を増加させる可能性があります | 設置とメンテナンスの手順 |
ルーティングにも注目が必要です。
ファイバーケーブルは、導電性信号ケーブルでは不可能な方法で電気的干渉を回避できますが、鋭く曲げたり、押しつぶしたり、過度に引っ張ったり、不適切な環境にさらしたり、繰り返しの動きによって損傷したりすると、故障する可能性があります。
このため、曲げ半径、引張荷重、動作環境、および取り扱い制限は、二次的な設置の詳細としてではなく、通信リンク仕様の一部として扱う必要があります。
この関係は次のように直接要約できます。
| サーボ環境条件 | 通信上の問題の可能性 | 光リンクがどのように役立つか |
|---|---|---|
| 高速インバータスイッチング | 伝導および放射EMI | ファイバーは誘導電気信号電流を伝導しません |
| 信号配線付近のモーター電源ケーブル | 電磁結合 | 光伝送により金属信号導体が不要になります |
| 異なる電位 | グランドループまたはコモンモード電流 | ファイバーが伝導通信経路を遮断する |
| 密集した機械配線 | 電気的結合の機会の増加 | 光通信により、導電性信号経路への依存が軽減されます。 |
| 近くで動作する電力および制御電子機器 | 困難なシグナルインテグリティ環境 | 電気ドメインは光を通じて情報を交換できる |
光ファイバーを使用しても、優れた EMC エンジニアリングの必要性がなくなるわけではありません。
適切な接地、シールド、キャビネットのレイアウト、モーターケーブルの設置、電源システムの設計は依然として重要です。
その価値は、通信ケーブル自体が管理しなければならない電気経路の 1 つではなくなることです。
プラスチック光ファイバは、コアが大きい、接続が簡単、距離が短いなどの機能を単に集めたものとして捉えるべきではありません。
これらの特性は、アプリケーションの問題を解決する場合にのみ重要になります。
サーボ システムでは、多くの場合、パワー エレクトロニクスから推論が始まります。
ドライブは重要な電圧と電流を切り替えます。モーターとそのケーブル配線は、そのスイッチング環境内で動作します。コントローラーとドライブは、コモンモード障害や電位差も発生する可能性があります。
信頼性の高い通信は、これらの条件と共存する必要があります。
光リンクは、通信エンドポイント間のメタリック信号パスを排除します。必要なリンクが比較的短い場合、システムは通信グレードのファイバーの長距離機能の恩恵を必ずしも受けられません。
そのような状況では、産業用 POF で利用できる大きなコアと比較的単純な結合方法が、エンジニアリング上の有益な利点となる可能性があります。
このため、特定のサーボ システムでは POF が意味を持ちます。それは、サーボ アプリケーションが一般的にプラスチック ファイバーを必要とするからではなく、一部のサーボ通信リンクでは、極端な伝送距離よりも電気的絶縁とノイズ耐性が必要なためです。
光ファイバー通信は、コントローラーとサーボドライブの間に非導電性リンクを提供できます。これにより、インバータ スイッチング、モータ、および電源ケーブルが含まれる環境において、通信ケーブルにグランド ループ電流が流れたり、電気的に結合された干渉が発生したりするのを防ぐことができます。
いいえ、ファイバーは重要な電気結合経路を取り除きますが、ドライブ電子機器、コントローラー、トランシーバー、電源、接地、PCB レイアウト、および周囲の機器には依然として適切な EMC 設計が必要です。ファイバーは通信媒体の電気的動作を改善します。マシン全体が EMI の影響を受けなくなるわけではありません。
POF は、必要なリンクが比較的短く、装置が大コアの光インターフェイスを中心に設計されている場合に魅力的です。大きなコアにより光結合が簡素化され、比較的簡単なコネクタ システムをサポートできます。長距離、低減衰、またはその他のシステム要件が優先される場合には、グラスファイバーの方が適している可能性があります。
それはサーボネットワークと光学コンポーネントによって異なります。サーボ システムは、制御アーキテクチャに十分なデータ レートと予測可能なタイミングを必要とします。したがって、POF は、他のファイバー技術で利用可能な最大帯域幅だけと比較するのではなく、指定されたコントローラーとドライブ インターフェイスに従って選択する必要があります。
普遍的な最大長はありません。許容距離は、サーボ システム、送信機と受信機、ファイバーの種類、コネクタの損失、減衰、温度、光パワー バジェットによって異なります。実際の装置に指定された最大リンク長は、主な制限として扱われます。
正確なコントローラーとサーボドライブインターフェイスから始めます。必要なファイバの種類、コネクタ、ファイバの数、許容される長さ、互換性要件を確認します。次に、交換用ケーブルを選択する前に、曲げ半径、曲げ、引張荷重、温度、化学薬品への曝露、ジャケット要件、コネクタの清浄度などの機械的条件を確認します。
