Les connecteurs enfichables hybrides garantissent un système d'entraînement moteur compact, flexible et performant

L'utilisation de contrôleurs de moteur de plus en plus compacts se développe dans un large éventail d'applications Internet industriel des objets (IIoT) et Industrie 4.0, de la robotique à la manutention en passant par l'industrie alimentaire. Cependant, plus les contrôleurs sont petits, plus il devient difficile pour les concepteurs d'acheminer et de connecter les signaux d'alimentation et de données de manière simple et rentable, tout en garantissant la compatibilité électromagnétique (CEM) et la sécurité des opérateurs.

Des interfaces open-source avancées, comme Hiperface DSL et SCS open link, ont émergé pour aider à connecter les signaux d'alimentation et de données à l'aide d'un seul connecteur compact. La connectivité s'en trouve simplifiée, mais la qualité, la conception et les performances d'un tel connecteur sont d'une importance capitale pour garantir l'intégrité des signaux, la compatibilité électromagnétique et la conformité aux exigences de contact et d'étanchéité IP20.

Cet article décrit brièvement les interfaces Hiperface DSL et SCS open link avant d'aborder les exigences mécaniques et électriques d'un mécanisme de connecteur capable de transporter à la fois les signaux d'alimentation et de données dans un environnement à espace restreint. Il présente ensuite les connecteurs d'entraînement moteur hybrides de Weidmüller et montre comment ils peuvent être utilisés pour répondre à ces exigences.

Présentation de Hiperface DSL et SCS open link

Le passage à Hiperface DSL et à SCS open link vise à placer l'alimentation et les données sur le même connecteur afin d'économiser de l'espace, de réduire les coûts et de simplifier la conception des contrôleurs de moteurs hautes performances (Figure 1). Les deux solutions sont basées sur RS-485.

Figure 1 : Les connecteurs enfichables hybrides pour Hiperface DSL et SCS open link permettent des gains d'espace sur le circuit imprimé d'entraînement moteur et simplifient la connectivité. (Source de l'image : Weidmüller)

Hiperface DSL est un protocole numérique pour câble unique incluant deux fils blindés pour la communication bidirectionnelle et l'alimentation du codeur, les câbles d'alimentation du moteur et les câbles de frein moteur (Figure 2).

Figure 2 : Un câble compatible Hiperface DSL basique se compose de trois éléments : une alimentation (alimentation triphasée, grand élément marron et noir, et terre, élément marron et jaune/vert), une paire blindée séparément pour le frein moteur (petit élément marron et noir), et une paire blindée séparément pour les données (éléments marron et bleu et marron et gris) pour le transfert de données numériques, et ce, dans un seul câble blindé. (Source de l'image : Weidmüller)

Hiperface DSL a un taux de transmission de données de 9,375 mégabauds (Mbauds) sur des longueurs de câble allant jusqu'à 100 mètres (m) entre le contrôleur de moteur et le moteur. Il existe deux façons de transmettre des données via Hiperface DSL : de manière cyclique, aussi rapidement que possible compte tenu des conditions de signal et de bruit, ou de manière synchrone avec l'horloge du contrôleur. Le protocole Hiperface DSL offre plusieurs fonctionnalités importantes :

• Capacité à traiter de manière synchrone les informations de position et de vitesse de rotation provenant du codeur avec des temps de cycle de seulement 12,1 microsecondes (μs).
• Temps de cycle maximum de 192 μs pour la transmission de la position de sécurité du système de retour moteur.
• Conformité aux exigences de niveau d'intégrité de sécurité SIL 2 de la norme CEI 61508 pour la transmission redondante de la position de sécurité du système de retour moteur avec un temps de cycle maximum de 192 μs.
• Conformité aux exigences SIL 3 de la norme CEI 61508 en conditions d'utilisation dans des systèmes de retour moteur appropriés.
• Transfert bidirectionnel général de données avec une largeur de bande jusqu'à 340 kilobauds (kbauds) pour la transmission de paramètres, y compris le stockage d'une étiquette de type électronique des données du contrôleur de moteur et d'une étiquette de type électronique pour le système de retour moteur.
• Un canal séparé transportant les données des capteurs de moteurs externes (accélération, couple, température, etc.), connectés au réseau de retour moteur par le protocole Hiperface DSL Sensor Hub.

L'interface de retour moteur SCS open link est également conçue pour prendre en charge les données bidirectionnelles entre un moteur et un contrôleur, y compris les données de codeur à des débits jusqu'à 10 Mbauds. Elle accepte les implémentations à deux et quatre fils. SCS open link est optimisé pour l'Industrie 4.0, notamment pour les applications IIoT émergentes, telles que la surveillance de l'état des moteurs et la maintenance prédictive.

Comme Hiperface DSL, SCS open link est certifié jusqu'au niveau SIL 3. De plus, SCS open link répond aux exigences de sécurité fonctionnelle de la norme EN ISO 13849, niveau de performances e (PLe), catégorie 3. Ces solutions à un seul câble répondent aux exigences de sécurité fonctionnelle des normes CEI 61508-2: 2010 et CEI 61784-3: 2017.

Défi du connecteur avec Hiperface DSL et SCS open link

Pour que Hiperface DSL et SCS open link fonctionnent de manière fiable, une connexion correctement blindée est requise entre un moteur avec codeur et l'entraînement. Les connecteurs enfichables et les bornes de connexion permettent de réduire le nombre d'interfaces. Des câbles blindés continus sont également nécessaires entre le moteur et le codeur et l'entraînement. Un seul câble blindé avec deux connecteurs enfichables, l'un optimisé pour la connexion au moteur et l'autre optimisé pour la connexion à l'entraînement, fournit une approche économique et est mis en œuvre à la fois dans Hiperface DSL et SCS open link.

En plus de l'utilisation d'un câble blindé, le blindage doit être correctement terminé aux deux extrémités du câble. Des connecteurs enfichables circulaires (généralement des connecteurs circulaires M23) avec un logement métallique sont utilisés sur le côté moteur de l'interconnexion (Figure 3).

Figure 3 : Des longueurs de câble jusqu'à 100 m entre le moteur et l'entraînement sont prises en charge par Hiperface DSL et SCS open link ; la connexion du moteur est à gauche, le connecteur enfichable hybride pour le contrôleur de moteur est à droite. (Source de l'image : Weidmüller)

Pour maîtriser les coûts, le connecteur enfichable situé côté entraînement de l'interconnexion ne nécessite pas de boîtier métallique. La conception physique des connecteurs d'entraînement n'étant pas normalisée, les concepteurs d'entraînements doivent faire preuve de prudence lorsqu'ils développent leur propre connecteur afin de répondre aux exigences de performances, tout en garantissant une connexion facile aux circuits imprimés pour simplifier les connexions et minimiser le coût des connecteurs. Avec une conception et un assemblage appropriés des câbles, et de bonnes pratiques en matière de blindage EMI, des longueurs de câbles jusqu'à 100 m sont possibles.

Solutions de connecteurs trois-en-un pour l'alimentation, les signaux et la compatibilité électromagnétique

Bien qu'il soit possible d'investir du temps dans le développement d'une conception de connecteur, peu de concepteurs d'entraînements de moteur disposent de l'expérience ou du temps requis pour se familiariser avec les nuances de conception des connecteurs, même s'ils exigent les meilleures performances possibles. Au lieu de cela, ils peuvent se tourner vers des entreprises telles que Weidmüller qui se sont déjà penchées sur ces questions et ont trouvé des solutions élégantes.

Par exemple, leurs connecteurs OMNIMATE Power Hybrid offrent une solution trois-en-un incluant des fonctionnalités de signaux, d'alimentation et CEM pour mettre en œuvre les protocoles Hiperface DSL et SCS open link, tout en économisant de l'espace sur le circuit imprimé d'entraînement moteur ainsi que dans l'armoire de commande. Les connecteurs sont disponibles en plusieurs configurations, notamment à 6 positions (Figure 4, à gauche), 7 positions, 8 positions et 9 positions (Figure 4, à droite).

Figure 4 : Les connecteurs OMNIMATE Power Hybrid offrent une solution trois-en-un (alimentation, signaux, CEM) avec une bride centrale autobloquante (rouge). Ils sont disponibles avec six (à gauche), sept, huit ou neuf (à droite) positions. (Source de l'image : Weidmüller)

Ces connecteurs hybrides incluent des contacts d'alimentation et de signaux avec des connexions de fils enfichables sur un pas de 7,62 millimètres (mm), et ils répondent aux exigences des normes CEI 61800-5-1 et UL 1059 Classe C 600 volts (V) (pour les contacts d'alimentation).

Les connecteurs présentent plusieurs caractéristiques de conception pratiques, nécessaires pour garantir des connexions fiables. Tout d'abord, ils offrent une bonne séparation entre les connexions d'alimentation du codeur et du moteur afin de minimiser les problèmes de compatibilité électromagnétique. Ensuite, la disposition des différentes connexions de signaux et d'alimentation a été soigneusement étudiée. Par exemple, les connexions « neutres », telles que la mise à la terre PE, sont situées au milieu, et les connexions de signaux et de données pour les lignes de codeur et les lignes de frein moteur sont placées symétriquement et latéralement.

Pour faciliter l'utilisation, le mécanisme de verrouillage automatique enfichable sans outil réduit le temps d'installation et de maintenance. Le système de verrouillage réduit également l'espace nécessaire d'une largeur de pas par rapport aux autres solutions. L'angle d'entrée des câbles de 30° sur le blindage permet de gagner jusqu'à 10 centimètres (cm) entre les rangées, ce qui réduit la taille de la solution.

Utiliser efficacement le connecteur OMNIMATE Power Hybrid

Pour tirer pleinement parti des connecteurs OMNIMATE Power Hybrid, des pratiques d'assemblage de câble et des terminaisons de blindage appropriées sont nécessaires pour contrôler les interférences électromagnétiques (EMI) et garantir la fiabilité du système. Malgré sa conception bien pensée, l'OMNIMATE Power Hybrid reste une interface à un seul câble, et les lignes d'alimentation et de signaux sont toujours relativement proches les unes des autres. En tant que telle, une bonne pratique de conception exige de garantir une connexion à faible impédance entre le blindage du câble et le connecteur. Le fait que l'OMNIMATE dispose d'une plaque de connexion de blindage avec un contact à ressort enfichable est particulièrement utile. Cela fournit une connexion de blindage résistante aux vibrations avec l'entraînement et une connexion solide des tresses de blindage pour les câbles d'alimentation et de codeur (Figure 5). Une solution optimale consiste à disposer de la plus grande surface de contact possible pour les connexions de blindage.

Figure 5 : Exemple de connexion de blindage à faible impédance entre un câble unique et une solution de connecteur enfichable hybride à l'aide d'une attache de câble métallique. (Source de l'image : Weidmüller)

Plusieurs options de fixation sont disponibles pour connecter les blindages extérieur et intérieur à la plaque de connexion du blindage. Ces options incluent diverses combinaisons d'attaches de câbles métalliques et de colliers de serrage, disposés de manière à garantir une fixation sûre et aussi proche que possible des connexions de signaux (Figure 6).

Figure 6 : Il existe plusieurs façons de connecter le blindage du câble au connecteur OMNIMATE Power Hybrid, notamment en utilisant des attaches de câble métalliques et des colliers de serrage. (Source de l'image : Weidmüller)

La conception mécanique à ressort offre aux concepteurs de contrôleurs de moteurs une liberté maximale pour placer la connexion de blindage sur un dissipateur thermique ou directement sur le circuit imprimé, garantissant une surface de contact fiable et résistante aux vibrations.

Sécurité et tests de performances

Une fois la conception terminée et l'assemblage de câble réalisé, il est important de mesurer l'efficacité du blindage du câble. Par exemple, la mesure KS04B de la norme VG95373-41 relative à la compatibilité électromagnétique des matériels – méthodes de mesure des câbles blindés et des gaines de protection blindées est utile pour déterminer l'impact des points de contact sur la tresse de blindage et les prises et fiches, ainsi que la qualité du blindage lui-même. La méthode de mesure est limitée, mais elle est utile pour comparer et évaluer l'efficacité des différents blindages et des différentes approches de contact de blindage (Figure 7). Les limites de la mesure KS 04 B incluent une longueur de câble normalisée de seulement 1 m et l'utilisation d'un système de 50 ohms (Ω) qui ne tient pas compte de l'impédance réelle du câble.

Figure 7 : Perte d'insertion selon VG95373-41 comparant trois méthodes de connexion de blindage, la ligne d'orientation (en rouge) représentant les valeurs attendues typiques. (Source de l'image : Weidmüller)

Ces connecteurs enfichables répondent aux normes de sécurité IP20 et ne présentent aucun danger pour l'opérateur lorsqu'ils sont câblés correctement. Cependant, un contrôleur de moteur typique contient des condensateurs à valeur élevée pouvant causer un choc électrique à l'opérateur s'ils ne sont pas manipulés correctement. Il est essentiel que les condensateurs aient été déchargés et qu'aucune tension ne soit présente lors des opérations de maintenance. Malgré l'indice de protection IP20, il est toujours recommandé aux opérateurs de laisser les condensateurs se décharger pendant plusieurs minutes avant de toucher les connecteurs, pour un niveau de sécurité supplémentaire. Enfin, la conception ouverte de ces connecteurs hybrides permet aux opérateurs de voir et de vérifier instantanément que tous les câbles sont intacts et correctement connectés.

Conclusion

L'évolution vers un système d'interconnexion hybride unique pour transmettre à la fois l'alimentation et les données dans des contrôleurs de moteurs hautes performances compacts complique la tâche des concepteurs qui doivent prendre en charge la compatibilité électromagnétique et garantir un fonctionnement fiable, tout en assurant la sécurité des opérateurs. Toutefois, comme on l'a vu, il existe des solutions de connecteurs enfichables hybrides trois-en-un bien conçues qui prennent en charge des protocoles tels que Hiperface DSL et SCS open link pour l'alimentation et les données, tout en fournissant un blindage CEM fiable et en répondant aux normes de sécurité IP20.