業界の知識
高速モーションコントロールシステムのエンコーダケーブルに特有のシグナルインテグリティの課題
エンコーダケーブル ロータリーエンコーダまたはリニアエンコーダとモーションコントローラまたはサーボドライブの間で位置および速度フィードバック信号を伝送します。汎用の制御ケーブルとは異なり、これらは 2 つの同時に相反する要求によって定義される環境で動作します。つまり、信号線は高周波デジタル パルスまたは微細なアナログ波形を最小限の歪みで伝送する必要がある一方、ケーブルは、重大な電磁干渉を生成するまさにモーターに電力を供給する電源ケーブルと並走または束ねられています。その結果、エンコーダ ケーブルの性能は、それ自体の電気パラメータだけでなく、それらのパラメータが特定のエンコーダ インターフェイス プロトコルや設置場所のノイズ環境とどのように相互作用するかによって決まることになります。
TTL または差動 RS-422 ライン ドライバ出力を使用するインクリメンタル エンコーダは、モータ速度とエンコーダ分解能に直接対応する周波数でパルス列を生成します。 3,000 RPM で動作するサーボ モーター上の 1 回転あたり 2,500 ラインのエンコーダは、チャネルごとに 125 kHz で出力パルスを生成します。また、直交デコードにより、コントローラーはエッジ遷移を 500 kHz で処理します。これらの周波数では、ケーブル静電容量が制限要因になります。信号導体間および信号とシールド間の分布静電容量により、各パルスエッジの立ち上がり時間が遅くなり、エンコーダが確実に動作できる最大ケーブル長が減少します。 RS-422 差動信号の場合、導体間容量が 100 pF/m のケーブルでは、500 kHz エッジ レートで使用可能なランレングスが 30 メートル未満に制限されますが、50 pF/m 以下に設計されたケーブルではその範囲を大幅に拡張できます。
EnDat、SSI、BiSS、HIPERFACE などのアブソリュート エンコーダ プロトコルでは、通常 1 MHz ～ 16 MHz の範囲のクロック周波数でエンコーダとドライブ間の双方向通信が必要となるため、ケーブル構造に追加の要求が生じます。これらの周波数では、ケーブルとドライバー/レシーバー回路間の特性インピーダンスの整合が重要になります。インピーダンスの不一致により信号反射が発生し、データ ライン上にノイズとして現れ、位置データが破損する可能性があります。適切に構築された エンコーダケーブル 高分解能絶対帰還システムにおける反射による誤差を最小限に抑えるために、差動ペアの特性インピーダンスを 100 ～ 120 Ω に指定し、ケーブル全長に沿って一貫して維持します。 Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd. は、これらの要求の厳しいプロトコルをサポートする安定したインピーダンス値を実現するために、厳密に制御された撚りピッチと絶縁形状を備えたエンコーダ ケーブルを製造しています。
シールド構造: 単一のシールド全体ではエンコーダ ケーブルに不十分なことが多い理由
信号ケーブルのシールドには単一の全体的なシールドが適切であるという標準的な想定は、特にノイズ感受性の異なる複数の信号タイプが同じケーブル本体を共有するエンコーダ ケーブルの用途では当てはまりません。一般的なエンコーダ ケーブルは、A/B/Z 直角位相信号ペア、エンコーダ電子機器用の供給電圧と接地導体、および場合によっては絶対位置保持のためのバッテリ バックアップ ペアを伝送します。それぞれ異なるインピーダンス、電流レベル、干渉に対する感度が異なります。これらすべてが単一の全体的なシールドのみで覆われている場合、電源導体とケーブル内の信号ペアの間の誘導結合および容量結合は制御されないままとなり、シールドはこの内部クロストークに対する保護を提供しません。
高性能エンコーダ ケーブルで使用されるソリューションは、層状シールド アーキテクチャです。つまり、各差動信号ペアの個別ペア シールドと、ケーブル全体の全体シールドを組み合わせたものです。個々のペアのシールド (通常はドレイン ワイヤを備えたアルミニウム/ポリエステル フォイル) は、隣接する信号ペア間、および信号ペアと電源導体間の容量結合を抑制します。フォイルまたは錫メッキ銅編組のシールド全体は、モーター ドライブ、隣接するケーブル トレイ、および一般的な産業用 EMI 環境からの外部電磁干渉に対する主な障壁となります。この 2 レベルのアプローチはケーブルの直径とコストを増加させますが、サブミクロンの位置決め分解能で動作する高精度モーション コントロール アプリケーションでは、代替手段 (ノイズによる位置フィードバック エラー) はケーブルのアップグレードよりもはるかに高価です。
シールド接地の実践は、シールドの構築と同じくらい重要です。エンコーダ ケーブルのシールド全体は、ドライブ/コントローラ側でのみ保護アースに接続し、モータ端と制御キャビネットの間のアース電位差によって駆動されるシールド電流ループを防ぐシングルエンド アースを形成する必要があります。シールドの両端が接地されており、グランド ループが存在する場合 (異なる構造用鋼セクションの電位がわずかに異なる大型機械では一般的です)、結果として生じるシールド電流がドレイン ワイヤを流れ、保護するはずだった信号線に電圧を誘導します。稼働中の機械における断続的なエンコーダ障害状態の多くは、ケーブルやエンコーダ自体の障害ではなく、この特定の接地エラーに遡ります。
| シールド構成 | 外部EMI保護 | ペア間クロストークの抑制 | 代表的な用途 |
|---|---|---|---|
| 全体的にフォイルのみ | 中程度 (HF) | なし | 低解像度インクリメンタル エンコーダ、ショートラン |
| 全体の三つ編みのみ | 良い (LF HF) | なし | 一般的なサーボ フィードバック、中程度のノイズ環境 |
| 個別ペアフォイル 全体フォイル | 良い (HF) | 高 | マルチプロトコルアブソリュートエンコーダ、ロングラン |
| 個々のペアフォイル全体の三つ編み | 優れた (LF HF) | 高 | 高-resolution servo, heavy EMI environments |
屈曲寿命要件と固定エンコーダケーブル設置と可動エンコーダケーブル設置の構造の違い
エンコーダ ケーブルは、異なるケーブル構造を必要とする 2 つの根本的に異なる機械環境に設置されます。1 つは機械フレーム上の固定エンコーダから制御キャビネットまでの固定配線で、もう 1 つは CNC マシニング センター、ロボット アーム、リニア アクチュエータ、ガントリー システムなどの可動機械軸での動的配線です。これら 2 つの設置タイプを交換可能なものとして扱うと、動的アプリケーションで固定設置ケーブルを使用したり、静的ルートでドラッグ チェーン ケーブルを過剰設計したりすると、早期の機械的故障や不必要なコストが発生します。
ドラッグ チェーンおよび連続フレックス アプリケーションの場合、エンコーダ ケーブルの構造は、同時にいくつかの機械的要求に対処する必要があります。導体の撚り線は、IEC 60228 に従ってクラス 5 またはクラス 6 である必要があり、曲げ応力を分散し疲労寿命を最大化するために細い個々のワイヤを使用します。断面積 0.14 mm² のクラス 6 のより線導体は、それぞれ直径 0.06 mm 未満の 50 本以上の個々のワイヤで構成されます。絶縁ポリマーは、全動作温度範囲にわたって応力亀裂を生じることなく柔軟性を維持する必要があり、汎用 PVC を除外し、低温柔軟性を維持した TPE または特別に配合した PVC を選択します。個々のシールドと全体のシールドは、ドレイン ワイヤに断線や断続的な開路状態を発生させることなく、数百万回の屈曲サイクルを通じて電気的連続性を維持するために、十分な重なりを備えた細線編組またはラップ フォイルで構築する必要があります。 Zhishang Cable は、各撚り導体要素の撚り長さを最適化して連続フレックス エンコーダ ケーブルを設計し、導体とシールドの螺旋形状が外部要素に引張過負荷を発生させることなくケーブルの曲げに自然に対応できるようにしています。
ドラッグ チェーン エンコーダ ケーブルの最小曲げ半径仕様は、単一の静的な値ではありません。動的曲げ半径 (動作中に継続的に適用される) と設置曲げ半径 (配線中に 1 回だけ曲げる) の間で異なります。ハイフレックスエンコーダケーブルの動的曲げ半径は通常、ケーブル外径の 7.5 倍から 10 倍と指定されますが、取り付け曲げ半径は 5 倍以下になる場合があります。取り付け曲げ半径を永続的な曲げとして適用すると (たとえば、ケーブル ダクトの狭いコーナーにケーブルを配線する場合)、持続的な機械的応力の領域が生じ、たとえケーブル自体が動いていなくても、その時点で疲労破壊が促進されます。この違いは、特にすでに確立された配線パス内の既存のケーブルを新しいケーブルに置き換える改修プロジェクトの場合には、設置技術者に明確に伝える必要があります。
エンコーダケーブル内の電源導体のサイズ設定: 電圧降下とノイズ結合のトレードオフ
ほとんどのエンコーダ ケーブルには、エンコーダ電子機器に動作電圧を供給するための専用導体が含まれています。通常、TTL 出力インクリメンタル エンコーダの場合は 5V DC、HTL および多くのアブソリュート エンコーダ タイプの場合は 8 ～ 30V DC です。これらの電力導体は、同等の電力ケーブルに比べて断面積が小さいですが、そのサイジングはエンコーダの性能に直接影響を及ぼしますが、これは見落とされがちです。電源導体に沿った電圧降下によりエンコーダ端子の供給電圧が低下し、指定された電圧範囲の下限近くで動作するエンコーダは、振幅が減少した出力信号、立ち上がり時間が増加したり、電圧マージンが非常に狭い 5V TTL エンコーダの場合には、ノイズによる故障と区別するのが難しい断続的な論理レベル エラーを生成する可能性があります。
許容可能な電圧降下を計算するには、エンコーダの消費電流、ケーブルの長さ、導体の断面積を知る必要があります。 0.14 mm² の電源導体を備えた 20 メートルのケーブルで 150 mA を消費する 5V エンコーダは、供給と帰還を合わせた降下が約 0.86 V 発生します。これは公称電源電圧の 17% 以上であり、エンコーダは定格 5 V 電源よりもはるかに低く、出力信号品質が低下するマージン内に収まります。電源導体の断面積を 0.25 mm² に増やすと、この電圧降下は約 0.48 V に減少し、適切な電源マージンが回復します。長いケーブルの配線が避けられない設置の場合、一部のサーボ ドライブ メーカーは、ケーブル抵抗を補償する調整可能なエンコーダ供給電圧出力を提供していますが、これにはケーブルの導体抵抗に関する正確な知識が必要であり、設計段階での正しい導体のサイジングに代わることはできません。
エンコーダケーブル内の電源導体は、電圧降下を超えて、潜在的なノイズ侵入経路となります。エンコーダ電源のスイッチング ノイズ（ドライブの内部電源によって生成されるか、マシンの DC バスから伝導されます）は、電源導体がケーブル内の信号ペアから適切に分離またはシールドされていない場合、隣接する信号ペアに容量結合します。これが、適切に設計されたエンコーダ ケーブルの電源導体が、ケーブル束内でランダムに配置されるのではなく、独自の個別のシールドを与えられたり、信号ペアから離れたケーブル外周に配置されたりすることが多い理由の 1 つです。 Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd. は、アプリケーション エンジニアリング サポートの一環として、実際のエンコーダ電流要件と設置距離に基づいて電力導体断面の選択とケーブル構造のオプションについて顧客にアドバイスし、電源関連の性能問題が現場で発生する前に防止します。
一般的なエンコーダケーブル構成の推定電圧降下 (5V 電源、150mA 負荷)
- 0.14 mm² 導体、10 m 延長: ~0.43V 降下 (5V の 8.6%)。標準の TTL エンコーダでは許容できる境界線です。
- 0.14 mm² 導体、20 m 延長: ~0.86V 降下 (5V の 17.2%)。供給電圧がエンコーダの最小定格を下回っている可能性があります。
- 0.25 mm² 導体、20 m 延長: ~0.48V 降下 (5V の 9.6%)。ほとんどの 5V エンコーダの許容範囲内です。
- 0.34 mm² 導体、30 m 延長: ~0.53V 降下 (5V の 10.6%)。ドライブ側電圧補償なしでの長時間運転に適しています。
