Why Do Servo Systems Use Plastic Optical Fiber for Communication?

서보 시스템은 정밀 제어와 전기적으로 까다로운 환경을 결합합니다. 모션 컨트롤러는 짧은 기계 레벨 링크를 통해 서보 드라이브와 시간 민감한 명령을 교환할 수 있으며, 케이블은 모터 케이블, 인버터 전력 단, 접지된 기계 구조물에 가깝게 실행됩니다.

이는 일반적인 사무실 네트워킹과는 매우 다른 통신 문제를 야기합니다.

많은 서보 애플리케이션에서 주요 과제는 수 킬로미터에 걸쳐 데이터를 전송하는 것이 아닙니다. 전자기 간섭, 빠른 스위칭 과도 현상, 공통 모드 노이즈 및 전위차의 영향을 받는 환경에서 안정적인 제어 신호를 유지하는 것입니다.

이것이 광 통신이 유용해지는 지점입니다.요구되는 거리가 비교적 짧고 인터페이스가 이를 위해 설계된 경우,플라스틱 광섬유(POF)는 실용적인 광학 매체를 제공할 수 있습니다.

서보 통신을 전기적으로 어렵게 만드는 요인은 무엇입니까?

서보 시스템은 일반적으로 두 가지 매우 다른 전기적 기능을 결합합니다.

제어 측은 위치 명령, 속도 참조, 동기화, 피드백, 진단 및 통신을 처리합니다. 전력 측은 서보 모터에 빠르게 변화하는 전압과 전류를 공급합니다.

이러한 기능은 종종 서로 가깝게 작동합니다.

일반적인 서보 설치는 모션 컨트롤러, 서보 드라이브, 모터 전력 케이블 및 통신 링크를 동일한 캐비닛 또는 기계 환경 내에 배치합니다.

서보 드라이브는 전력 전자 시스템이기 때문에 이러한 근접성이 중요합니다. 이들의 전자기 환경은 조정 가능한 속도 전력 구동 시스템이 IEC 61800-3 (전력 구동 시스템의 방출 및 내성 요구 사항을 다루는 EMC 표준)에 의해 특별히 다루어질 만큼 중요합니다.

전력 전자 장치 및 모터 케이블은 노이즈가 많은 환경을 만듭니다.

서보 드라이브는 완벽하게 부드러운 아날로그 전압을 공급하여 모터 속도 또는 토크를 조절하는 것이 아닙니다.

이의 인버터 단은 반도체 장치를 빠르게 스위칭하여 모터에 필요한 전압 및 전류 파형을 생성합니다. 이 과정에서 일반적으로 펄스 폭 변조(PWM)가 사용됩니다.

이러한 스위칭 전환은 전압과 전류의 빠른 변화를 야기합니다.

EMC 관점에서 우려는 명목상의 스위칭 주파수뿐만이 아닙니다. 빠른 스위칭 에지는 여러 메커니즘을 통해 주변 회로로 커플링될 수 있는 고주파 에너지를 포함합니다.

정전 용량 커플링은 전력 도체와 주변 신호 회로 사이에 발생할 수 있습니다. 유도 커플링은 빠르게 변화하는 전류로 인해 발생할 수 있습니다. 인버터, 모터 케이블, 모터 권선, 기계 프레임 및 보호 접지 사이의 기생 커패시턴스도 고주파 공통 모드 전류 경로를 제공할 수 있습니다.

모터 케이블은 기계 전체에 인버터 출력을 전달하며 잠재적으로 통신 및 제어 배선에 가깝게 위치하므로 이 전기 환경의 일부가 됩니다.

                              서보 드라이브가 EMI가 심한 통신 환경을 만드는 방법

적절한 케이블 분리, 차폐, 본딩, 접지 및 캐비닛 설계는 이러한 영향을 줄일 수 있지만, 서보 통신이 종종 강력한 전기적 노이즈 소스 옆에서 작동한다는 기본적인 사실을 바꾸지는 않습니다.

접지 전위 및 공통 모드 문제는 신호 링크에 영향을 미칠 수 있습니다.

EMI는 문제의 일부일 뿐입니다.

컨트롤러와 서보 드라이브는 캐비닛 또는 기계 내의 다른 위치에 장착될 수 있습니다. 이들의 전기적 참조는 도체 임피던스, 고주파 누설 전류, 스위칭 전류, 접지 토폴로지 및 물리적 레이아웃의 영향을 받을 수 있습니다.

결과적으로 동일한 접지 시스템에 연결된 두 위치가 모든 작동 조건에서 항상 정확히 동일한 순간적인 전기적 전위에 유지되는 것은 아닙니다.

전도성 통신 링크의 경우 이는 중요합니다.

두 장치가 신호 케이블을 통해 전기적으로 연결되어 있다면, 전위차는 원치 않는 전류 경로 또는 공통 모드 전압에 기여할 수 있습니다. 통신 인터페이스는 의도된 데이터 신호를 올바르게 감지하면서도 이러한 조건을 허용해야 합니다.

차동 신호, 차폐, 절연 부품 및 신중한 접지는 구리 통신을 매우 안정적으로 만들 수 있습니다. 또 다른 접근 방식은 전도성 통신 경로를 완전히 제거하는 것입니다.

이것이 전기적으로 까다로운 서보 환경에서 광 링크가 유용한 주된 이유 중 하나입니다.

컨트롤러와 서보 드라이브 간에 광섬유가 잘 작동하는 이유는 무엇입니까?

광섬유는 서보 시스템 장치 간에 비전도성 통신 경로를 제공합니다. 섬유 자체는 종단점 간에 전기 전류를 전달하지 않기 때문에 통신 케이블이 접지 전류 또는 전기적으로 커플링된 간섭의 경로가 되는 것을 방지할 수 있으며, 이는 인버터, 모터 및 고전력 케이블 주변에서 유용합니다.

광 송신기는 전기 데이터 신호를 빛으로 변환합니다. 섬유는 그 빛을 수신 장치로 전달하고, 거기서 다시 전기 신호로 변환됩니다.

따라서 두 광 포트 사이에 금속 신호 도체가 실행되지 않습니다.

섬유는 전기적 노이즈 경로를 전달하지 않습니다.

유전체 광섬유는 금속 통신 도체처럼 작동하지 않습니다.

외부 전기장 또는 자기장은 섬유 자체에 통신 전류를 유도하지 않으며, 섬유는 연결된 장치 간에 DC 접지 전류의 전도성 경로를 제공할 수 없습니다.

이는 통신 링크와 주변 전력 환경 간의 관계를 변화시킵니다.

서보 인버터의 출력 배선 근처에 라우팅된 통신 케이블을 고려하십시오. 전기 링크의 경우 인터페이스는 신호 무결성을 유지하면서 도체로 커플링된 전자기 에너지를 관리해야 합니다.

광 링크의 경우 정보는 전기 전류 대신 빛으로 섬유를 통해 이동합니다.

이는 전체 서보 시스템이 EMI에 면역이 된다는 것을 의미하지는 않습니다. 송신기, 수신기, 컨트롤러 전자 장치, 드라이브 전자 장치, 전원 공급 장치, PCB 레이아웃, 접지 및 전체 장비 설계는 여전히 적절한 EMC 엔지니어링이 필요합니다.

이점은 더 구체적입니다: 섬유 케이블 자체는 두 통신 종단점 간에 전기적 커플링 경로를 생성하지 않습니다.

전기 절연은 두 통신 종단점을 분리합니다.

이것은 또한 광 통신과 전기 절연 간의 관계를 설명합니다.

전도성 통신 매체의 경우, 링크의 두 끝은 적절한 절연이 인터페이스의 다른 곳에 제공되지 않는 한 전기적으로 관련이 있습니다.

광 경로는 그 관계를 변화시킵니다.

송신기는 한 전기 도메인 내에서 작동하고 수신기는 다른 도메인 내에서 작동할 수 있으며, 정보는 빛으로 경계를 넘습니다. 따라서 통신 매체는 접지 루프 전류의 전도성 경로를 제공하지 않습니다.

                                    구리 통신 경로 대 광 절연

이는 컨트롤러와 드라이브가 다른 공통 모드 조건을 경험할 때 특히 유용할 수 있습니다.

그러나 섬유와 전체 시스템 간의 구별은 중요합니다.

유전체 섬유는 전도성 신호 경로를 제거하지만, 전체 인터페이스의 절연 능력은 여전히 송신기, 수신기, PCB 설계, 절연 구조, 커넥터 및 장비 아키텍처에 따라 달라집니다.

따라서 섬유는 적절한 시스템 레벨 전기 설계의 대체품이 아니라 절연을 가능하게 하는 통신 매체로 이해해야 합니다.

서보 링크가 항상 극단적인 거리나 대역폭을 필요로 하지 않는 이유

광섬유는 종종 통신, 데이터 센터 및 장거리 네트워크와 관련이 있습니다. 이는 섬유가 시스템이 극단적인 대역폭이나 매우 긴 전송 거리를 필요로 할 때만 유용하다는 인상을 줄 수 있습니다.

서보 통신은 다른 우선 순위를 가지고 있습니다.

모션 제어 시스템은 빠른 주기 통신, 축 간 동기화, 예측 가능한 타이밍, 안정적인 명령 전달 및 전기적으로 노이즈가 많은 환경에서의 안정적인 작동을 필요로 할 수 있습니다.

이러한 요구 사항은 장거리 전송을 필요로 하지 않으면서도 까다로울 수 있습니다.

많은 서보 링크는 기계, 생산 셀 또는 로컬 제어 시스템 내에 유지됩니다. 이러한 애플리케이션에서 필요한 기계 레벨 링크를 훨씬 초과하는 전송 기능을 확장하는 것은 엔지니어링 가치를 거의 제공하지 못할 수 있습니다.

동일한 추론이 대역폭에도 적용됩니다.

서보 통신은 선택된 제어 아키텍처에 충분한 용량을 제공해야 하지만, 최대 원시 대역폭이 자동으로 주요 선택 기준은 아닙니다. 필요한 통신 주기, 동기화, 프로토콜 성능 및 시스템 응답이 충족되면 다른 요인이 더 중요해질 수 있습니다.

이 맥락에서 광 통신은 통신 매체를 주변 전력 환경과 전기적으로 분리하면서 동기화된 제어를 지원할 수 있습니다.

따라서 엔지니어링 질문은 단순히 어떤 매체가 가능한 가장 높은 대역폭을 가지고 있는지가 아닙니다.

서보 시스템의 타이밍, 거리, 노이즈 내성, 절연, 기계적 및 호환성 요구 사항을 안정적으로 충족하는 매체는 무엇입니까?

플라스틱 광섬유가 많은 짧은 서보 링크에 적합한 이유

광 링크가 선택되면 또 다른 질문이 나타납니다. 왜 일반 유리 섬유 대신 플라스틱 광섬유를 사용해야 할까요?

답변은 애플리케이션 요구 사항에 따라 다릅니다.

POF는 모든 형태의 유리 광섬유를 대체하기 위한 것이 아닙니다. 산업 시스템이 비교적 짧은 광 연결, 간단한 커플링, 실용적인 조립 및 통신 네트워크의 거리 요구 사항 없이 안정적인 전송을 필요로 할 때 그 장점이 가장 관련성이 높습니다.

큰 코어는 광 커플링을 덜 까다롭게 만듭니다.

많은 산업용 스텝 인덱스 POF 시스템은 직경이 1mm에 가까운 코어를 사용합니다.

그 큰 광 코어는 커플링 민감도를 줄이고 기계적으로 더 간단한 산업용 광 인터페이스를 지원할 수 있습니다.

                                        왜 대형 코어 POF가 광 커플링을 단순화하는가

이는 실질적인 결과를 가져옵니다.

광학 타겟이 비교적 클 때, 송신기, 커넥터 및 수신기는 훨씬 작은 광학 기하학에서 요구하는 것과 동일한 정렬 정밀도를 필요로 하지 않습니다.

산업 장비의 경우, 이는 매우 긴 거리에 걸쳐 가능한 가장 낮은 감쇠를 달성하는 것보다 더 중요할 수 있습니다.

서보 기계는 견고한 광 연결이 필요할 수 있으며, 이는 일관되게 조립 및 유지 관리될 수 있습니다. 요구되는 통신 거리가 짧다면, 대형 코어 커플링의 실질적인 장점이 장거리 전송 능력보다 더 관련성이 높을 수 있습니다.

간단한 종단은 산업 장비에서 가치가 있을 수 있습니다.

큰 섬유 기하학은 비교적 간단한 커넥터 시스템도 가능하게 합니다.

부품군에 따라 산업용 POF는 스냅인, 크림프리스, 기계식 잠금 또는 커넥터리스 종단 방법을 사용할 수 있습니다.

                                                   간단한 산업용 POF 종단

일부 시스템은 섬유를 길이로 절단하여 광학 부품에 직접 기계적으로 설치할 수 있습니다. 다른 시스템은 비교적 간단한 절단 및 마감 공정을 사용하는 커넥터를 사용합니다.

이는 광학 절연이 필요하지만 복잡한 섬유 종단이 불필요한 설치 노력을 추가할 수 있는 기계에서 POF를 유용하게 만들 수 있습니다.

모든 POF 커넥터가 동일한 종단 방법을 사용하는 것은 아닙니다.

일부 시스템은 여전히 제어된 절단, 엔드페이스 준비 또는 연마를 필요로 합니다. 따라서 설치는 실제 커넥터 및 트랜시버 시스템의 요구 사항을 따라야 합니다.

장점은 POF가 섬유 준비를 전혀 필요로 하지 않는다는 것이 아닙니다.

그것은 대형 코어 POF가 비교적 간단한 산업용 커넥터 아키텍처를 지원할 수 있다는 것입니다.

짧은 도달 거리는 제한 사항이 아닌 기능이 될 수 있습니다.

플라스틱 광섬유는 일반적으로 실리카 통신용 섬유보다 감쇠가 높습니다.

장거리 통신의 경우 이는 중요한 제한 사항입니다.

그러나 컴팩트한 기계 내부에서는 요구되는 전송 거리가 초저감쇠가 시스템 가치를 거의 제공하지 못할 만큼 짧을 수 있습니다.

컨트롤러-드라이브 링크가 서보 시스템에서 지원하는 거리 내에서만 작동하면 되는 경우, 관련 질문은 전체 광 전력 예산이 적절한 마진으로 해당 링크를 지원하는지 여부입니다.

따라서 해당 범위에 대해 설계된 POF 시스템은 다른 섬유 기술이 훨씬 더 멀리 전송할 수 있더라도 적합할 수 있습니다.

통신 매체는 다른 기술에서 사용 가능한 최대 성능이 아니라 요구되는 링크에 대해 평가되어야 합니다.

짧은 산업용 링크의 경우, POF는 더 간단한 광 커플링 및 설치를 위해 장거리 기능을 교환할 수 있습니다.

POF는 모든 서보 시스템에 적합한 섬유가 아닙니다.

서보 시스템에서 광 통신을 사용하는 것이 모든 서보 시스템이 POF를 사용해야 한다는 것을 의미하지는 않습니다.

현대 모션 제어 시스템은 다른 통신 아키텍처를 사용합니다. 장비 설계에 따라 컨트롤러-드라이브 네트워크는 구리 통신, 플라스틱 광섬유, 실리카 광섬유 또는 다른 물리적 계층을 사용할 수 있습니다.

더 긴 광 링크는 낮은 감쇠로 인해 실리카 섬유를 선호할 수 있습니다.

온도도 선택에 영향을 미칠 수 있습니다. 허용 가능한 작동 범위는 섬유, 재킷, 커넥터 및 전체 케이블 구성에 따라 달라지므로 지정된 서보 환경은 케이블 등급과 비교하여 확인해야 합니다.

기계적 요구 사항도 중요합니다.

영구적으로 캐비닛 내부에 설치된 케이블은 지속적으로 움직이는 기계 섹션을 통해 라우팅된 케이블과는 다른 스트레스를 받습니다.

가장 중요하게는 서보 인터페이스 자체가 호환성을 결정합니다.

특정 섬유 유형, 커넥터 기하학 또는 광 링크에 대해 설계된 광 포트는 대안 섬유가 매력적인 일반 사양을 가지고 있다고 해서 다른 섬유 시스템으로 변환될 수 없습니다.

서보 애플리케이션의 경우, 시스템 호환성이 일반 섬유 성능보다 우선합니다.

서보 광섬유 케이블 선택 방법

교체 또는 맞춤형 서보 광섬유 케이블을 선택할 때는 재킷 색상, 섬유 직경 또는 커넥터 모양이 아니라 통신 인터페이스에서 시작해야 합니다.

                                              서보 광섬유 케이블 선택 요인

두 개의 광 케이블은 비슷하게 보일 수 있지만 동일한 서보 시스템에 적합하지 않을 수 있습니다.

섬유 직경이 아닌 서보 인터페이스로 시작하십시오.

먼저 정확한 컨트롤러 및 서보 드라이브 인터페이스를 식별하십시오.

확인하십시오:

• 필요한 광섬유 유형;

• 송신기 및 수신기 아키텍처;

• 커넥터군;

• 섬유 수;

• 허용 가능한 케이블 구성;

• 최대 지원 링크 길이;

• 및 특정 시스템 호환성 요구 사항.

장비 제조업체가 특정 광학 매체 또는 케이블 아키텍처를 지정하는 경우, 해당 요구 사항은 POF에 대한 일반적인 가정보다 우선해야 합니다.

물리적 적합성만으로는 광학적 호환성을 보장하지 않습니다.

길이, 광학 예산 및 커넥터 호환성 확인

모든 광 링크에는 유한한 전력 예산이 있습니다.

송신기는 섬유로 광 전력을 발사합니다. 손실은 섬유, 커넥터, 조인트, 온도 효과, 오염 및 링크의 다른 부분에 의해 발생합니다. 수신기는 전송된 데이터를 안정적으로 복구하기 위해 여전히 충분한 광 전력을 수신해야 합니다.

따라서 케이블 길이는 광학 시스템과 독립적으로 선택할 수 없습니다.

서보 광섬유 케이블 사양은 물리적 길이와 컨트롤러 및 드라이브 인터페이스의 광학적 제한 사항을 모두 고려해야 합니다.

커넥터 호환성도 마찬가지로 중요합니다.

섬유는 송신기 및 수신기에 대해 올바르게 위치해야 합니다. 섬유 유형, 커넥터 기하학 및 엔드페이스 상태는 모두 광 커플링 및 링크 손실에 영향을 미칠 수 있습니다.

교체 케이블의 경우, 원래 광학 아키텍처와 일치시키는 것이 커넥터가 비슷하게 보인다는 이유만으로 케이블을 선택하는 것보다 일반적으로 더 안전합니다.

기계적 및 환경적 조건도 마찬가지로 중요합니다.

전기 절연은 애플리케이션의 한 부분만 해결합니다.

서보 광섬유 케이블은 여전히 실제 기계 내부에 설치되는 기계 부품입니다.

중요한 선택 조건은 다음과 같습니다:

라우팅도 주의해야 합니다.

광섬유 케이블은 전도성 신호 케이블이 할 수 없는 방식으로 전기 간섭을 피할 수 있지만, 날카롭게 구부러지거나, 찌그러지거나, 과도하게 당겨지거나, 부적합한 환경에 노출되거나, 반복적인 움직임으로 손상되면 여전히 실패할 수 있습니다.

이러한 이유로 굽힘 반경, 인장 하중, 작동 환경 및 취급 제한은 통신 링크 사양의 일부로 취급되어야 하며, 부차적인 설치 세부 사항으로 취급되어서는 안 됩니다.

서보 시스템의 전기적 문제와 광 링크의 역할

이 관계는 직접적으로 요약될 수 있습니다:

광섬유는 좋은 EMC 엔지니어링의 필요성을 제거하지 않습니다.

적절한 접지, 차폐, 캐비닛 레이아웃, 모터 케이블 설치 및 전력 시스템 설계는 여전히 중요합니다.

그 가치는 통신 케이블 자체가 관리해야 하는 전기 경로 중 하나가 되지 않는다는 것입니다.

POF가 서보 시스템에 나타나는 실제 이유

플라스틱 광섬유는 단순히 큰 코어, 쉬운 연결 또는 단거리 전송과 같은 기능의 집합으로 간주되어서는 안 됩니다.

이러한 특성은 애플리케이션 문제를 해결할 때만 중요합니다.

서보 시스템에서 추론은 종종 전력 전자 장치에서 시작됩니다.

드라이브는 상당한 전압과 전류를 스위칭합니다. 모터와 그 케이블은 해당 스위칭 환경 내에서 작동합니다. 컨트롤러와 드라이브는 또한 공통 모드 장애 및 전위차를 경험할 수 있습니다.

안정적인 통신은 이러한 조건과 공존해야 합니다.

광 링크는 통신 종단점 간의 금속 신호 경로를 제거합니다. 요구되는 링크가 비교적 짧을 때, 시스템은 통신 등급 섬유의 장거리 기능으로부터 반드시 이점을 얻는 것은 아닙니다.

이러한 상황에서 산업용 POF에서 사용할 수 있는 큰 코어와 비교적 간단한 커플링 방법은 유용한 엔지니어링 이점이 될 수 있습니다.

이것이 POF가 특정 서보 시스템에서 의미가 있는 이유입니다: 서보 애플리케이션이 보편적으로 플라스틱 섬유를 필요로 하기 때문이 아니라, 일부 서보 통신 링크가 극단적인 전송 거리보다 전기 절연과 노이즈 내성을 더 필요로 하기 때문입니다.

자주 묻는 질문

서보 드라이브는 왜 광섬유 통신을 사용합니까?

광섬유 통신은 컨트롤러와 서보 드라이브 사이에 비전도성 링크를 제공할 수 있습니다. 이는 통신 케이블이 인버터 스위칭, 모터 및 전력 케이블링을 포함하는 환경에서 접지 루프 전류 또는 전기적으로 커플링된 간섭을 운반하는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

광섬유가 서보 시스템의 EMI 문제를 제거합니까?

아니요. 섬유는 중요한 전기적 커플링 경로를 제거하지만, 드라이브 전자 장치, 컨트롤러, 트랜시버, 전원 공급 장치, 접지, PCB 레이아웃 및 주변 장비는 여전히 적절한 EMC 설계가 필요합니다. 섬유는 통신 매체의 전기적 동작을 개선합니다. 전체 기계를 EMI에 면역으로 만들지는 않습니다.

서보 시스템에서 유리 섬유 대신 플라스틱 광섬유를 사용하는 이유는 무엇입니까?

POF는 요구되는 링크가 비교적 짧고 장비가 대형 코어 광 인터페이스를 중심으로 설계된 경우 매력적일 수 있습니다. 큰 코어는 광 커플링을 단순화하고 비교적 간단한 커넥터 시스템을 지원할 수 있습니다. 유리 섬유는 더 긴 거리, 낮은 감쇠 또는 기타 시스템 요구 사항이 우선하는 경우 더 적합할 수 있습니다.

POF는 서보 통신에 충분히 빠릅니까?

서보 네트워크 및 광학 부품에 따라 다릅니다. 서보 시스템은 제어 아키텍처에 대해 충분한 데이터 속도와 예측 가능한 타이밍을 필요로 합니다. 따라서 POF는 다른 섬유 기술에서 사용 가능한 최대 대역폭과만 비교하는 것이 아니라 지정된 컨트롤러 및 드라이브 인터페이스에 따라 선택해야 합니다.

서보 광섬유 케이블은 얼마나 길 수 있습니까?

보편적인 최대 길이는 없습니다. 허용되는 거리는 서보 시스템, 송신기 및 수신기, 섬유 유형, 커넥터 손실, 감쇠, 온도 및 광 전력 예산에 따라 달라집니다. 실제 장비에 대해 지정된 최대 링크 길이는 주요 제한 사항으로 취급되어야 합니다.

서보 광섬유 케이블을 교체할 때 무엇을 확인해야 합니까?

정확한 컨트롤러 및 서보 드라이브 인터페이스로 시작하십시오. 필요한 섬유 유형, 커넥터, 섬유 수, 허용 가능한 길이 및 호환성 요구 사항을 확인하십시오. 그런 다음 굽힘 반경, 유연성, 인장 하중, 온도, 화학 물질 노출, 재킷 요구 사항 및 커넥터 청결도와 같은 기계적 조건을 확인한 후 교체 케이블을 선택하십시오.