Por que os sistemas de servo usam fibra óptica de plástico para comunicação?

Os sistemas servo combinam controle de precisão com um ambiente eletricamente exigente. Um controlador de movimento pode trocar comandos sensíveis ao tempo com drives servo através de um link de nível de máquina curto, enquanto o cabo passa perto de cabos de motor, estágios de potência de inversor e estruturas de máquina aterradas.

Isso cria um problema de comunicação muito diferente da rede de escritório comum.

Para muitas aplicações servo, o principal desafio não é transmitir dados por quilômetros. É manter sinais de controle confiáveis em um ambiente afetado por interferência eletromagnética, transientes de comutação rápida, ruído de modo comum e diferenças de potencial elétrico.

É aqui que a comunicação óptica se torna valiosa.Quando a distância necessária é relativamente curta e a interface é projetada para isso,fibra óptica plástica (POF)pode fornecer um meio óptico prático.

O que Torna a Comunicação Servo Eletricamente Difícil?

Um sistema servo normalmente combina duas funções elétricas muito diferentes.

O lado de controle lida com comandos de posição, referências de velocidade, sincronização, feedback, diagnósticos e comunicação. O lado de potência fornece tensão e corrente em rápida mudança para o motor servo.

Essas funções geralmente operam próximas umas das outras.

Uma instalação servo típica coloca controladores de movimento, drives servo, cabos de alimentação de motor e links de comunicação dentro do mesmo gabinete ou ambiente de máquina.

Essa proximidade é importante porque os drives servo são sistemas de eletrônica de potência. Seu ambiente eletromagnético é significativo o suficiente para que sistemas de acionamento de potência de velocidade ajustável sejam especificamente cobertos pelaIEC 61800-3, o padrão EMC que aborda requisitos de emissão e imunidade para sistemas de acionamento de potência.

Eletrônica de Potência e Cabos de Motor Criam um Ambiente Barulhento

Um drive servo não regula a velocidade ou o torque do motor fornecendo uma tensão analógica perfeitamente suave.

Seu estágio inversor comuta rapidamente dispositivos semicondutores para criar as formas de onda de tensão e corrente exigidas pelo motor. A modulação por largura de pulso, ou PWM, é comumente usada nesse processo.

Essas transições de comutação criam mudanças rápidas de tensão e corrente.

Do ponto de vista da EMC, a preocupação não é apenas a frequência de comutação nominal. Bordas de comutação rápidas contêm energia de frequência mais alta que pode se acoplar a circuitos próximos através de vários mecanismos.

O acoplamento capacitivo pode ocorrer entre condutores de potência e circuitos de sinal próximos. O acoplamento indutivo pode resultar de corrente em rápida mudança. Capacitâncias parasitas entre o inversor, cabo do motor, enrolamentos do motor, estrutura da máquina e terra de proteção também podem fornecer caminhos para correntes de modo comum de alta frequência.

O cabo do motor se torna parte desse ambiente elétrico porque transporta a saída do inversor através da máquina, potencialmente perto da fiação de comunicação e controle.

                              Como os Drives Servo Criam um Ambiente de Comunicação com Alta EMI

Boa separação de cabos, blindagem, ligação, aterramento e projeto de gabinete podem reduzir esses efeitos, mas não mudam o fato básico de que a comunicação servo geralmente opera ao lado de uma forte fonte de ruído elétrico.

Potencial de Terra e Problemas de Modo Comum Podem Afetar Links de Sinal

A EMI é apenas parte do problema.

Um controlador e um drive servo podem ser montados em posições diferentes dentro de um gabinete ou máquina. Suas referências elétricas podem ser influenciadas pela impedância do condutor, correntes de fuga de alta frequência, correntes de comutação, topologia de aterramento e layout físico.

Como resultado, duas posições conectadas ao mesmo sistema de aterramento não permanecem necessariamente no mesmo potencial elétrico instantâneo sob todas as condições de operação.

Para um link de comunicação condutivo, isso importa.

Se dois dispositivos estiverem eletricamente conectados através de um cabo de sinal, diferenças de potencial elétrico podem contribuir para caminhos de corrente indesejados ou tensão de modo comum. A interface de comunicação deve tolerar essas condições enquanto ainda detecta corretamente o sinal de dados pretendido.

Sinalização diferencial, blindagem, componentes de isolamento e aterramento cuidadoso podem tornar a comunicação de cobre altamente confiável. Outra abordagem é remover completamente o caminho de comunicação condutivo.

Essa é uma das principais razões pelas quais os links ópticos são úteis em ambientes servo eletricamente difíceis.

Por Que a Fibra Óptica Funciona Bem Entre Controladores e Drives Servo?

A fibra óptica fornece um caminho de comunicação não condutivo entre dispositivos do sistema servo. Como a própria fibra não transporta corrente elétrica entre os pontos finais, ela pode impedir que o cabo de comunicação se torne um caminho para corrente de terra ou interferência acoplada eletricamente, o que é valioso em torno de inversores, motores e cabos de alta potência.

Um transmissor óptico converte o sinal de dados elétrico em luz. A fibra transporta essa luz para o dispositivo receptor, onde é convertida de volta em um sinal elétrico.

Portanto, não há condutor de sinal metálico correndo entre as duas portas ópticas.

A Fibra Não Transporta o Caminho de Ruído Elétrico

Uma fibra óptica dielétrica não se comporta como um condutor de comunicação metálico.

Campos elétricos ou magnéticos externos não induzem correntes de comunicação na própria fibra, e a fibra não pode fornecer um caminho condutivo para corrente de terra DC entre os dispositivos conectados.

Isso muda a relação entre o link de comunicação e o ambiente de potência circundante.

Considere um cabo de comunicação roteado perto da fiação de saída de um inversor servo. Com um link elétrico, a interface deve gerenciar a energia eletromagnética acoplada aos condutores enquanto preserva a integridade do sinal.

Com um link óptico, a informação viaja através da fibra como luz em vez de corrente elétrica.

Isso não significa que todo o sistema servo se torne imune à EMI. O transmissor, receptor, eletrônica do controlador, eletrônica do drive, fontes de alimentação, layout da PCB, aterramento e projeto geral do equipamento ainda requerem engenharia EMC adequada.

O benefício é mais específico: o próprio cabo de fibra não cria um caminho de acoplamento elétrico entre os dois pontos finais de comunicação.

O Isolamento Elétrico Separa os Dois Pontos Finais de Comunicação

Isso também explica a relação entre comunicação óptica e isolamento elétrico.

Com um meio de comunicação condutivo, as duas extremidades de um link estão eletricamente relacionadas, a menos que um isolamento adequado seja fornecido em outro lugar na interface.

Um caminho óptico muda essa relação.

O transmissor pode operar dentro de um domínio elétrico e o receptor dentro de outro, enquanto a informação cruza a fronteira como luz. O meio de comunicação, portanto, não fornece um caminho condutivo para corrente de loop de terra.

                                    Caminho de Comunicação de Cobre vs Isolamento Óptico

Isso pode ser especialmente valioso quando controladores e drives experimentam diferentes condições de modo comum.

No entanto, a distinção entre a fibra e o sistema completo é importante.

Uma fibra dielétrica remove o caminho de sinal condutivo, mas a capacidade de isolamento da interface completa ainda depende do transmissor, receptor, projeto da PCB, estrutura de isolamento, conectores e arquitetura do equipamento.

Portanto, a fibra deve ser entendida como um meio de comunicação que possibilita o isolamento, em vez de um substituto para um projeto elétrico adequado em nível de sistema.

Por Que os Links Servo Nem Sempre Precisam de Distância ou Largura de Banda Extremas

A fibra óptica é frequentemente associada a telecomunicações, data centers e redes de longa distância. Isso pode criar a impressão de que a fibra só é útil quando um sistema requer largura de banda extrema ou distância de transmissão muito longa.

A comunicação servo tem um conjunto diferente de prioridades.

Um sistema de controle de movimento pode exigir comunicação cíclica rápida, sincronização entre eixos, temporização previsível, entrega de comando estável e operação confiável em um ambiente eletricamente ruidoso.

Esses requisitos podem ser exigentes sem exigir transmissão de longa distância.

Muitos links servo permanecem dentro de uma máquina, célula de produção ou sistema de controle local. Em tais aplicações, estender a capacidade de transmissão muito além do link de nível de máquina necessário pode fornecer pouco valor de engenharia adicional.

O mesmo raciocínio se aplica à largura de banda.

A comunicação servo deve fornecer capacidade suficiente para a arquitetura de controle selecionada, mas a largura de banda bruta máxima não é automaticamente o principal critério de seleção. Uma vez que o ciclo de comunicação, sincronização, desempenho do protocolo e resposta do sistema necessários sejam atendidos, outros fatores podem se tornar mais importantes.

Nesse contexto, a comunicação óptica pode suportar o controle sincronizado, mantendo o meio de comunicação eletricamente separado do ambiente de potência circundante.

A questão de engenharia, portanto, não é simplesmente qual meio tem a maior largura de banda possível.

É qual meio atende de forma confiável aos requisitos de temporização, distância, imunidade a ruído, isolamento, mecânicos e de compatibilidade do sistema servo.

Por Que a Fibra Óptica Plástica se Adapta a Muitos Links Servo Curtos

Uma vez que um link óptico foi selecionado, outra questão aparece: por que usar fibra óptica plástica em vez de fibra de vidro convencional?

A resposta depende dos requisitos da aplicação.

POF não se destina a substituir todas as formas de fibra óptica de vidro. Suas vantagens se tornam mais relevantes quando um sistema industrial precisa de uma conexão óptica relativamente curta, acoplamento direto, montagem prática e transmissão confiável sem os requisitos de distância de uma rede de telecomunicações.

Um Grande Núcleo Torna o Acoplamento Óptico Menos Exigente

Muitos sistemas industriais de POF de índice escalonado usam um núcleo próximo a 1 mm de diâmetro.

Esse grande núcleo óptico pode reduzir a sensibilidade de acoplamento e suportar interfaces ópticas industriais mecanicamente mais simples.

                                        Por Que a POF de Núcleo Grande Simplifica o Acoplamento Óptico

Isso tem consequências práticas.

Quando o alvo óptico é relativamente grande, o transmissor, o conector e o receptor não exigem o mesmo grau de precisão de alinhamento exigido por geometrias ópticas muito menores.

Para equipamentos industriais, isso pode ser mais importante do que alcançar a menor atenuação possível em distâncias muito longas.

Uma máquina servo pode precisar de uma conexão óptica robusta que possa ser montada e mantida consistentemente. Se a distância de comunicação necessária for curta, as vantagens práticas do acoplamento de núcleo grande podem ser mais relevantes do que a capacidade de transmissão de longa distância.

Terminação Simples Pode Ser Valiosa em Equipamentos Industriais

A grande geometria da fibra também permite sistemas de conectores relativamente simples.

Dependendo da família de componentes, a POF industrial pode usar métodos de terminação snap-in, sem crimpagem, com travamento mecânico ou sem conector.

                                                   Terminação Industrial Simples de POF

Alguns sistemas permitem que a fibra seja cortada no comprimento e instalada mecanicamente diretamente no componente óptico. Outros usam um conector com um processo de corte e acabamento relativamente simples.

Isso pode tornar a POF útil em máquinas onde o isolamento óptico é necessário, mas a terminação complexa da fibra adicionaria esforço de instalação desnecessário.

Nem todo conector de POF usa o mesmo método de terminação.

Alguns sistemas ainda exigem corte controlado, preparação da face final ou polimento. Portanto, a instalação deve seguir os requisitos do conector e do transceptor reais.

A vantagem não é que a POF nunca precise de preparação de fibra.

É que a POF de núcleo grande pode suportar arquiteturas de conectores industriais comparativamente simples.

Alcance Curto Pode Ser um Recurso em Vez de uma Limitação

A fibra óptica plástica geralmente tem atenuação mais alta do que a fibra de sílica para telecomunicações.

Para comunicação de longa distância, essa é uma limitação importante.

Dentro de uma máquina compacta, no entanto, a distância de transmissão necessária pode ser curta o suficiente para que a atenuação ultra-baixa forneça pouco valor de sistema adicional.

Se um link controlador-para-drive só precisa operar dentro da distância suportada pelo sistema servo, a questão relevante é se o orçamento de potência óptica completo suporta esse link com margem adequada.

Um sistema de POF projetado para essa faixa pode, portanto, ser apropriado, mesmo que outra tecnologia de fibra pudesse transmitir muito mais longe.

Um meio de comunicação deve ser avaliado em relação ao link necessário, em vez de em relação ao desempenho máximo disponível de outra tecnologia.

Para links industriais curtos, a POF pode trocar a capacidade de longa distância por acoplamento e instalação óptica mais simples.

POF Não é a Fibra Certa para Todos os Sistemas Servo

O uso de comunicação óptica em sistemas servo não significa que todo sistema servo deva usar POF.

Sistemas modernos de controle de movimento usam diferentes arquiteturas de comunicação. Dependendo do projeto do equipamento, a rede controlador-para-drive pode usar comunicação de cobre, fibra óptica plástica, fibra óptica de sílica ou outra camada física.

Links ópticos mais longos podem favorecer a fibra de sílica devido à sua menor atenuação.

A temperatura também pode mudar a seleção. A faixa de operação permitida depende da fibra, jaqueta, conector e construção completa do cabo, portanto, o ambiente servo especificado deve ser verificado em relação à classificação do cabo.

Requisitos mecânicos também importam.

Um cabo instalado permanentemente dentro de um gabinete enfrenta estresses diferentes de um roteado através de uma seção de máquina em movimento contínuo.

Mais importante, a própria interface servo determina a compatibilidade.

Uma porta óptica projetada para um tipo de fibra específico, geometria de conector ou link óptico não pode ser convertida para outro sistema de fibra simplesmente porque a fibra alternativa tem especificações gerais atraentes.

Para aplicações servo, a compatibilidade do sistema vem antes do desempenho genérico da fibra.

Como Selecionar um Cabo de Fibra Servo

A seleção de um cabo de fibra servo de substituição ou personalizado deve começar com a interface de comunicação, não com a cor da jaqueta, diâmetro da fibra ou aparência do conector.

                                              Fatores de Seleção de Cabo de Fibra Servo

Dois cabos ópticos podem parecer semelhantes, mas serem inadequados para o mesmo sistema servo.

Comece com a Interface Servo, Não com o Diâmetro da Fibra

Primeiro, identifique a interface exata do controlador e do drive servo.

Verifique:

• o tipo de fibra óptica necessário;

• arquitetura do transmissor e receptor;

• família de conectores;

• número de fibras;

• construção de cabo permitida;

• comprimento máximo de link suportado;

• e quaisquer requisitos de compatibilidade específicos do sistema.

Se o fabricante do equipamento especificar um meio óptico ou arquitetura de cabo particular, esse requisito deve ter prioridade sobre suposições genéricas sobre POF.

O ajuste físico por si só não garante a compatibilidade óptica.

Verifique o Comprimento, Orçamento Óptico e Compatibilidade do Conector

Todo link óptico tem um orçamento de potência finito.

O transmissor lança potência óptica na fibra. Perda é introduzida pela fibra, conectores, juntas, efeitos de temperatura, contaminação e outras partes do link. O receptor ainda deve receber potência óptica suficiente para recuperar os dados transmitidos de forma confiável.

Portanto, o comprimento do cabo não pode ser selecionado independentemente do sistema óptico.

Uma especificação de cabo de fibra servo deve considerar tanto o comprimento físico quanto as limitações ópticas da interface do controlador e do drive.

A compatibilidade do conector é igualmente importante.

A fibra deve ser posicionada corretamente em relação ao transmissor e receptor. O tipo de fibra, a geometria do conector e a condição da face final podem influenciar o acoplamento óptico e a perda do link.

Para cabos de substituição, combinar a arquitetura óptica original é geralmente mais seguro do que escolher um cabo apenas porque o conector parece semelhante.

Condições Mecânicas e Ambientais Importam Tanto Quanto

O isolamento elétrico resolve apenas uma parte da aplicação.

Cabos de fibra servo ainda são componentes mecânicos instalados dentro de máquinas reais.

Condições importantes de seleção incluem:

O roteamento também merece atenção.

Um cabo de fibra pode evitar interferência elétrica de maneiras que um cabo de sinal condutivo não pode, mas ainda pode falhar se for dobrado bruscamente, esmagado, puxado excessivamente, exposto a um ambiente inadequado ou danificado por movimento repetido.

Por esse motivo, o raio de curvatura, a carga de tração, o ambiente operacional e os limites de manuseio devem ser tratados como parte da especificação do link de comunicação, em vez de detalhes secundários de instalação.

Problemas Elétricos do Sistema Servo e o Papel de um Link Óptico

A relação pode ser resumida diretamente:

Aterramento adequado, blindagem, layout do gabinete, instalação do cabo do motor e projeto do sistema de potência continuam importantes.

Seu valor é que o próprio cabo de comunicação deixa de ser um dos caminhos elétricos que precisam ser gerenciados.

A Razão Real Pela Qual a POF Aparece em Sistemas Servo

A fibra óptica plástica não deve ser vista simplesmente como uma coleção de recursos como um grande núcleo, conexão fácil ou transmissão de curta distância.

Essas características só importam quando resolvem um problema de aplicação.

Em um sistema servo, o raciocínio geralmente começa com a eletrônica de potência.

O drive comuta tensão e corrente significativas. O motor e sua fiação operam dentro desse ambiente de comutação. Controladores e drives também podem experimentar distúrbios de modo comum e diferenças de potencial elétrico.

A comunicação confiável deve coexistir com essas condições.

Um link óptico remove o caminho de sinal metálico entre os pontos finais de comunicação. Quando o link necessário é relativamente curto, o sistema não se beneficia necessariamente da capacidade de longa distância da fibra de qualidade de telecomunicações.

Nessa situação, o grande núcleo e os métodos de acoplamento comparativamente simples disponíveis com a POF industrial podem se tornar vantagens de engenharia úteis.

É por isso que a POF faz sentido em certos sistemas servo:

não porque as aplicações servo universalmente requerem fibra plástica, mas porque alguns links de comunicação servo precisam de isolamento elétrico e imunidade a ruído mais do que precisam de distância de transmissão extrema.Perguntas Frequentes

Por que os drives servo usam comunicação por fibra óptica?

A comunicação por fibra óptica pode fornecer um link não condutivo entre um controlador e um drive servo. Isso ajuda a evitar que o cabo de comunicação transporte corrente de loop de terra ou interferência acoplada eletricamente em ambientes contendo comutação de inversor, motores e cabos de potência.

A fibra óptica elimina os problemas de EMI em um sistema servo?

Não. A fibra remove um caminho de acoplamento elétrico importante, mas a eletrônica do drive, o controlador, os transceptores, as fontes de alimentação, o aterramento, o layout da PCB e o equipamento circundante ainda requerem projeto EMC adequado. A fibra melhora o comportamento elétrico do meio de comunicação; ela não torna a máquina inteira imune à EMI.

Por que usar fibra óptica plástica em vez de fibra de vidro em um sistema servo?

A POF pode ser atraente quando o link necessário é relativamente curto e o equipamento é projetado em torno de uma interface óptica de núcleo grande. Seu grande núcleo pode simplificar o acoplamento óptico e suportar sistemas de conectores comparativamente diretos. A fibra de vidro pode ser mais apropriada quando a distância mais longa, menor atenuação ou outros requisitos do sistema predominam.

A POF é rápida o suficiente para comunicação servo?

Depende da rede servo e dos componentes ópticos. Sistemas servo requerem taxa de dados suficiente e temporização previsível para sua arquitetura de controle. Portanto, a POF deve ser selecionada de acordo com a interface especificada do controlador e do drive, em vez de ser comparada apenas com a largura de banda máxima disponível de outras tecnologias de fibra.

Qual o comprimento de um cabo de fibra óptica servo?

Não há um comprimento máximo universal. A distância permitida depende do sistema servo, transmissor e receptor, tipo de fibra, perdas de conector, atenuação, temperatura e orçamento de potência óptica. O comprimento máximo de link especificado para o equipamento real deve ser tratado como o limite principal.

O que devo verificar ao substituir um cabo de fibra servo?

Comece com a interface exata do controlador e do drive servo. Confirme o tipo de fibra necessário, conector, número de fibras, comprimento permitido e requisitos de compatibilidade. Em seguida, verifique as condições mecânicas, como raio de curvatura, flexão, carga de tração, temperatura, exposição a produtos químicos, requisitos de jaqueta e limpeza do conector antes de selecionar o cabo de substituição.