Pourquoi les servos utilisent-ils des fibres optiques en plastique pour communiquer?

Les systèmes d'asservissement combinent un contrôle de précision avec un environnement électriquement exigeant. Un contrôleur de mouvement peut échanger des commandes sensibles au temps avec des variateurs d'asservissement via une liaison courte au niveau de la machine, tandis que le câble passe à proximité des câbles de moteur, des étages de puissance d'onduleur et des structures de machine mises à la terre.

Cela crée un problème de communication très différent de celui des réseaux de bureau ordinaires.

Pour de nombreuses applications d'asservissement, le principal défi n'est pas de transmettre des données sur des kilomètres. Il s'agit de maintenir des signaux de commande fiables dans un environnement affecté par les interférences électromagnétiques, les transitoires de commutation rapides, le bruit de mode commun et les différences de potentiel électrique.

C'est là que la communication optique devient précieuse.Lorsque la distance requise est relativement courte et que l'interface est conçue pour cela,la fibre optique plastique (POF)peut fournir un support optique pratique.

Qu'est-ce qui rend la communication d'asservissement électriquement difficile ?

Un système d'asservissement combine normalement deux fonctions électriques très différentes.

Le côté commande gère les commandes de position, les références de vitesse, la synchronisation, le retour d'information, le diagnostic et la communication. Le côté puissance fournit une tension et un courant rapidement variables au moteur d'asservissement.

Ces fonctions fonctionnent souvent à proximité l'une de l'autre.

Une installation d'asservissement typique place les contrôleurs de mouvement, les variateurs d'asservissement, les câbles d'alimentation moteur et les liaisons de communication dans le même armoire ou environnement machine.

Cette proximité est importante car les variateurs d'asservissement sont des systèmes de puissance électronique. Leur environnement électromagnétique est suffisamment significatif pour que les systèmes d'entraînement de puissance à vitesse réglable soient spécifiquement couverts parIEC 61800-3, la norme CEM traitant des exigences d'émission et d'immunité pour les systèmes d'entraînement de puissance.

L'électronique de puissance et les câbles moteur créent un environnement bruyant

Un variateur d'asservissement ne régule pas la vitesse ou le couple du moteur en fournissant une tension analogique parfaitement lisse.

Son étage onduleur commute rapidement des dispositifs semi-conducteurs pour créer les formes d'onde de tension et de courant requises par le moteur. La modulation de largeur d'impulsion, ou PWM, est couramment utilisée dans ce processus.

Ces transitions de commutation créent des changements rapides de tension et de courant.

Du point de vue de la CEM, la préoccupation n'est pas seulement la fréquence de commutation nominale. Les fronts de commutation rapides contiennent de l'énergie à plus haute fréquence qui peut se coupler aux circuits voisins par plusieurs mécanismes.

Le couplage capacitif peut se produire entre les conducteurs de puissance et les circuits de signal voisins. Le couplage inductif peut résulter d'un courant variant rapidement. Les capacités parasites entre l'onduleur, le câble moteur, les enroulements moteur, le châssis de la machine et la terre de protection peuvent également fournir des chemins pour les courants de mode commun à haute fréquence.

Le câble moteur fait partie de cet environnement électrique car il transporte la sortie de l'onduleur à travers la machine, potentiellement à proximité du câblage de communication et de commande.

                              Comment les variateurs d'asservissement créent un environnement de communication riche en EMI

Une bonne séparation des câbles, un blindage, une liaison, une mise à la terre et une conception d'armoire peuvent réduire ces effets, mais ils ne changent pas le fait fondamental que la communication d'asservissement fonctionne souvent à côté d'une source de bruit électrique puissante.

Le potentiel de terre et les problèmes de mode commun peuvent affecter les liaisons de signal

L'EMI n'est qu'une partie du problème.

Un contrôleur et un variateur d'asservissement peuvent être montés à des positions différentes dans une armoire ou une machine. Leurs références électriques peuvent être influencées par l'impédance des conducteurs, les courants de fuite à haute fréquence, les courants de commutation, la topologie de mise à la terre et la disposition physique.

En conséquence, deux emplacements connectés au même système de mise à la terre ne restent pas nécessairement au même potentiel électrique instantané dans toutes les conditions de fonctionnement.

Pour une liaison de communication conductrice, cela est important.

Si deux appareils sont connectés électriquement par un câble de signal, les différences de potentiel électrique peuvent contribuer à des chemins de courant indésirables ou à une tension de mode commun. L'interface de communication doit tolérer ces conditions tout en détectant correctement le signal de données prévu.

La signalisation différentielle, le blindage, les composants d'isolation et une mise à la terre soignée peuvent rendre la communication cuivre très fiable. Une autre approche consiste à supprimer complètement le chemin de communication conducteur.

C'est l'une des principales raisons pour lesquelles les liaisons optiques sont utiles dans les environnements d'asservissement électriquement difficiles.

Pourquoi la fibre optique fonctionne-t-elle bien entre les contrôleurs et les variateurs d'asservissement ?

La fibre optique fournit un chemin de communication non conducteur entre les appareils du système d'asservissement. Comme la fibre elle-même ne transporte pas de courant électrique entre les points d'extrémité, elle peut empêcher le câble de communication de devenir un chemin pour le courant de terre ou les interférences couplées électriquement, ce qui est précieux autour des onduleurs, des moteurs et des câbles de forte puissance.

Un émetteur optique convertit le signal de données électrique en lumière. La fibre transporte cette lumière vers le récepteur, où elle est reconvertie en signal électrique.

Il n'y a donc pas de conducteur de signal métallique entre les deux ports optiques.

La fibre ne transporte pas le chemin de bruit électrique

Une fibre optique diélectrique ne se comporte pas comme un conducteur de communication métallique.

Les champs électriques ou magnétiques externes n'induisent pas de courants de communication dans la fibre elle-même, et la fibre ne peut pas fournir de chemin conducteur pour le courant de terre CC entre les appareils connectés.

Cela modifie la relation entre la liaison de communication et l'environnement de puissance environnant.

Considérez un câble de communication acheminé près du câblage de sortie d'un onduleur d'asservissement. Avec une liaison électrique, l'interface doit gérer l'énergie électromagnétique couplée dans les conducteurs tout en préservant l'intégrité du signal.

Avec une liaison optique, l'information voyage à travers la fibre sous forme de lumière plutôt que de courant électrique.

Cela ne signifie pas qu'un système d'asservissement complet devient immunisé contre les EMI. L'émetteur, le récepteur, l'électronique du contrôleur, l'électronique du variateur, les alimentations, la disposition des PCB, la mise à la terre et la conception globale de l'équipement nécessitent toujours une ingénierie CEM appropriée.

L'avantage est plus spécifique :le câble fibre lui-même ne crée pas de chemin de couplage électrique entre les deux points d'extrémité de communication.

L'isolation électrique sépare les deux points d'extrémité de communication

Cela explique également la relation entre la communication optique et l'isolation électrique.

Avec un support de communication conducteur, les deux extrémités d'une liaison sont électriquement liées, sauf si une isolation appropriée est fournie ailleurs dans l'interface.

Un chemin optique modifie cette relation.

L'émetteur peut fonctionner dans un domaine électrique et le récepteur dans un autre, tandis que l'information traverse la frontière sous forme de lumière. Le support de communication ne fournit donc pas de chemin conducteur pour le courant de boucle de masse.

                                    Chemin de communication cuivre vs isolation optique

Cela peut être particulièrement précieux lorsque les contrôleurs et les variateurs subissent des conditions de mode commun différentes.

Cependant, la distinction entre la fibre et le système complet est importante.

Une fibre diélectrique supprime le chemin de signal conducteur, mais la capacité d'isolation de l'interface complète dépend toujours de l'émetteur, du récepteur, de la conception du PCB, de la structure d'isolation, des connecteurs et de l'architecture de l'équipement.

La fibre doit donc être comprise comme un support de communication permettant l'isolation plutôt qu'un substitut à une conception électrique appropriée au niveau du système.

Pourquoi les liaisons d'asservissement n'ont-elles pas toujours besoin d'une distance ou d'une bande passante extrêmes ?

La fibre optique est souvent associée aux télécommunications, aux centres de données et aux réseaux longue distance. Cela peut donner l'impression que la fibre n'est utile que lorsqu'un système nécessite une bande passante extrême ou une très longue distance de transmission.

La communication d'asservissement a un ensemble de priorités différent.

Un système de contrôle de mouvement peut nécessiter une communication cyclique rapide, une synchronisation entre les axes, un timing prévisible, une livraison de commande stable et un fonctionnement fiable dans un environnement électriquement bruyant.

Ces exigences peuvent être exigeantes sans nécessiter de transmission longue distance.

De nombreuses liaisons d'asservissement restent à l'intérieur d'une machine, d'une cellule de production ou d'un système de contrôle local. Dans de telles applications, étendre la capacité de transmission bien au-delà de la liaison requise au niveau de la machine peut apporter peu de valeur d'ingénierie supplémentaire.

Le même raisonnement s'applique à la bande passante.

La communication d'asservissement doit fournir une capacité suffisante pour l'architecture de contrôle sélectionnée, mais la bande passante brute maximale n'est pas automatiquement le critère de sélection principal. Une fois que le cycle de communication, la synchronisation, les performances du protocole et la réponse du système requis sont satisfaits, d'autres facteurs peuvent devenir plus importants.

Dans ce contexte, la communication optique peut prendre en charge le contrôle synchronisé tout en maintenant le support de communication électriquement séparé de l'environnement de puissance environnant.

La question d'ingénierie n'est donc pas simplement quel support a la bande passante la plus élevée possible.

C'est quel support répond de manière fiable aux exigences de synchronisation, de distance, d'immunité au bruit, d'isolation, mécaniques et de compatibilité du système d'asservissement.

Pourquoi la fibre optique plastique convient à de nombreuses liaisons d'asservissement courtes

Une fois qu'une liaison optique a été sélectionnée, une autre question se pose : pourquoi utiliser de la fibre optique plastique plutôt que de la fibre de verre conventionnelle ?

La réponse dépend des exigences de l'application.

La POF n'est pas destinée à remplacer toutes les formes de fibre optique de verre. Ses avantages sont les plus pertinents lorsqu'un système industriel a besoin d'une connexion optique relativement courte, d'un couplage simple, d'un assemblage pratique et d'une transmission fiable sans les exigences de distance d'un réseau de télécommunications.

Un grand cœur rend le couplage optique moins exigeant

De nombreux systèmes industriels de POF à saut d'indice utilisent un cœur de près de 1 mm de diamètre.

Ce grand cœur optique peut réduire la sensibilité du couplage et supporter des interfaces optiques industrielles mécaniquement plus simples.

                                        Pourquoi la POF à grand cœur simplifie le couplage optique

Cela a des conséquences pratiques.

Lorsque la cible optique est relativement grande, l'émetteur, le connecteur et le récepteur ne nécessitent pas le même degré de précision d'alignement que les géométries optiques beaucoup plus petites.

Pour l'équipement industriel, cela peut être plus important que d'atteindre l'atténuation la plus faible possible sur de très longues distances.

Une machine d'asservissement peut avoir besoin d'une connexion optique robuste qui peut être assemblée et entretenue de manière cohérente. Si la distance de communication requise est courte, les avantages pratiques du couplage à grand cœur peuvent être plus pertinents que la capacité de transmission longue distance.

Une terminaison simple peut être précieuse dans l'équipement industriel

La grande géométrie de la fibre permet également des systèmes de connecteurs relativement simples.

Selon la famille de composants, la POF industrielle peut utiliser des méthodes de terminaison par encliquetage, sans sertissage, à verrouillage mécanique ou sans connecteur.

                                                   Terminaison industrielle simple de POF

Certains systèmes permettent de couper la fibre à la longueur désirée et de l'installer mécaniquement directement dans le composant optique. D'autres utilisent un connecteur avec un processus de coupe et de finition relativement simple.

Cela peut rendre la POF utile dans les machines où l'isolation optique est requise, mais où une terminaison de fibre complexe ajouterait un effort d'installation inutile.

Tous les connecteurs POF n'utilisent pas la même méthode de terminaison.

Certains systèmes nécessitent toujours une coupe contrôlée, une préparation de la face d'extrémité ou un polissage. L'installation doit donc suivre les exigences du connecteur et du système émetteur-récepteur réels.

L'avantage n'est pas que la POF ne nécessite jamais de préparation de fibre.

C'est quela POF à grand cœur peut supporter des architectures de connecteurs industriels comparativement simples.

La courte portée peut être une caractéristique plutôt qu'une limitation

La fibre optique plastique a généralement une atténuation plus élevée que la fibre de verre de télécommunication.

Pour la communication longue distance, c'est une limitation importante.

À l'intérieur d'une machine compacte, cependant, la distance de transmission requise peut être suffisamment courte pour que l'atténuation ultra-faible n'apporte que peu de valeur système supplémentaire.

Si une liaison contrôleur-variateur n'a besoin de fonctionner qu'à la distance prise en charge par le système d'asservissement, la question pertinente est de savoir si le budget de puissance optique complet prend en charge cette liaison avec une marge adéquate.

Un système POF conçu pour cette portée peut donc être approprié, même si une autre technologie de fibre pourrait transmettre beaucoup plus loin.

Un support de communication doit être évalué par rapport à la liaison requise plutôt qu'à la performance maximale disponible d'une autre technologie.

Pour les liaisons industrielles courtes, la POF peut échanger la capacité longue distance contre un couplage optique et une installation plus simples.

La POF n'est pas la fibre adaptée à tous les systèmes d'asservissement

L'utilisation de la communication optique dans les systèmes d'asservissement ne signifie pas que tous les systèmes d'asservissement doivent utiliser de la POF.

Les systèmes de contrôle de mouvement modernes utilisent différentes architectures de communication. Selon la conception de l'équipement, le réseau contrôleur-variateur peut utiliser la communication cuivre, la fibre optique plastique, la fibre optique de verre ou une autre couche physique.

Les liaisons optiques plus longues peuvent favoriser la fibre de verre en raison de son atténuation plus faible.

La température peut également modifier la sélection. La plage de fonctionnement autorisée dépend de la fibre, de la gaine, du connecteur et de la construction complète du câble, de sorte que l'environnement d'asservissement spécifié doit être vérifié par rapport à la classification du câble.

Les exigences mécaniques sont également importantes.

Un câble installé en permanence à l'intérieur d'une armoire est soumis à des contraintes différentes de celui acheminé à travers une section de machine en mouvement continu.

Plus important encore, l'interface d'asservissement elle-même détermine la compatibilité.

Un port optique conçu pour un type de fibre particulier, une géométrie de connecteur ou une liaison optique ne peut pas être converti en un autre système de fibre simplement parce que la fibre alternative a des spécifications générales attrayantes.

Pour les applications d'asservissement, la compatibilité du système prime sur les performances génériques de la fibre.

Comment sélectionner un câble fibre pour asservissement

La sélection d'un câble fibre de remplacement ou personnalisé pour asservissement doit commencer par l'interface de communication, et non par la couleur de la gaine, le diamètre de la fibre ou l'apparence du connecteur.

                                              Facteurs de sélection de câble fibre pour asservissement

Deux câbles optiques peuvent se ressembler tout en étant inadaptés au même système d'asservissement.

Commencer par l'interface d'asservissement, pas par le diamètre de la fibre

Identifiez d'abord l'interface exacte du contrôleur et du variateur d'asservissement.

Vérifiez :

• le type de fibre optique requis ;

• l'architecture de l'émetteur et du récepteur ;

• la famille de connecteurs ;

• le nombre de fibres ;

• la construction de câble autorisée ;

• la longueur de liaison maximale prise en charge ;

• et toute exigence de compatibilité spécifique au système.

Si le fabricant de l'équipement spécifie un support optique ou une architecture de câble particulière, cette exigence doit primer sur les hypothèses génériques concernant la POF.

L'ajustement physique seul ne garantit pas la compatibilité optique.

Vérifier la longueur, le budget optique et la compatibilité des connecteurs

Chaque liaison optique a un budget de puissance fini.

L'émetteur lance de la puissance optique dans la fibre. La perte est introduite par la fibre, les connecteurs, les jonctions, les effets de température, la contamination et d'autres parties de la liaison. Le récepteur doit toujours recevoir suffisamment de puissance optique pour récupérer de manière fiable les données transmises.

La longueur du câble ne peut donc pas être sélectionnée indépendamment du système optique.

Une spécification de câble fibre pour asservissement doit tenir compte à la fois de la longueur physique et des limitations optiques de l'interface du contrôleur et du variateur.

La compatibilité des connecteurs est tout aussi importante.

La fibre doit être positionnée correctement par rapport à l'émetteur et au récepteur. Le type de fibre, la géométrie du connecteur et l'état de la face d'extrémité peuvent tous influencer le couplage optique et la perte de liaison.

Pour les câbles de remplacement, faire correspondre l'architecture optique d'origine est généralement plus sûr que de choisir un câble uniquement parce que le connecteur semble similaire.

Les conditions mécaniques et environnementales comptent tout autant

L'isolation électrique ne résout qu'une partie de l'application.

Les câbles fibre pour asservissement sont toujours des composants mécaniques installés à l'intérieur de machines réelles.

Les conditions de sélection importantes comprennent :

Le routage mérite également une attention particulière.

Un câble fibre peut éviter les interférences électriques d'une manière qu'un câble de signal conducteur ne peut pas, mais il peut toujours échouer s'il est plié brusquement, écrasé, tiré excessivement, exposé à un environnement inadapté ou endommagé par un mouvement répété.

Pour cette raison, le rayon de courbure, la charge de traction, l'environnement d'exploitation et les limites de manipulation doivent être considérés comme faisant partie de la spécification de la liaison de communication plutôt que comme des détails d'installation secondaires.

Problèmes électriques des systèmes d'asservissement et rôle d'une liaison optique

La relation peut être résumée directement :

La fibre optique n'élimine pas le besoin d'une bonne ingénierie CEM.

Une mise à la terre, un blindage, une disposition d'armoire, une installation de câble moteur et une conception de système d'alimentation appropriées restent importants.

Sa valeur réside dans le fait que le câble de communication lui-même cesse d'être l'un des chemins électriques à gérer.

La vraie raison pour laquelle la POF apparaît dans les systèmes d'asservissement

La fibre optique plastique ne doit pas être considérée simplement comme une collection de caractéristiques telles qu'un grand cœur, une connexion facile ou une transmission à courte distance.

Ces caractéristiques n'ont d'importance que lorsqu'elles résolvent un problème d'application.

Dans un système d'asservissement, le raisonnement commence souvent par l'électronique de puissance.

Le variateur commute une tension et un courant importants. Le moteur et son câblage fonctionnent dans cet environnement de commutation. Les contrôleurs et les variateurs peuvent également subir des perturbations de mode commun et des différences de potentiel électrique.

Une communication fiable doit coexister avec ces conditions.

Une liaison optique supprime le chemin de signal métallique entre les points d'extrémité de communication. Lorsque la liaison requise est relativement courte, le système ne bénéficie pas nécessairement de la capacité longue distance de la fibre de qualité télécommunication.

Dans cette situation, le grand cœur et les méthodes de couplage comparativement simples disponibles avec la POF industrielle peuvent devenir des avantages d'ingénierie utiles.

C'est pourquoi la POF a du sens dans certains systèmes d'asservissement :non pas parce que les applications d'asservissement nécessitent universellement de la fibre plastique, mais parce que certaines liaisons de communication d'asservissement ont besoin d'isolation électrique et d'immunité au bruit plus qu'elles n'ont besoin d'une distance de transmission extrême.

Questions fréquemment posées

Pourquoi les variateurs d'asservissement utilisent-ils la communication par fibre optique ?

La communication par fibre optique peut fournir une liaison non conductrice entre un contrôleur et un variateur d'asservissement. Cela aide à empêcher le câble de communication de transporter un courant de boucle de masse ou des interférences couplées électriquement dans les environnements contenant la commutation de l'onduleur, les moteurs et le câblage d'alimentation.

La fibre optique élimine-t-elle les problèmes d'EMI dans un système d'asservissement ?

Non. La fibre supprime un chemin de couplage électrique important, mais l'électronique du variateur, le contrôleur, les émetteurs-récepteurs, les alimentations, la mise à la terre, la disposition des PCB et l'équipement environnant nécessitent toujours une conception CEM appropriée. La fibre améliore le comportement électrique du support de communication ; elle ne rend pas la machine entière immunisée contre les EMI.

Pourquoi utiliser de la fibre optique plastique plutôt que de la fibre de verre dans un système d'asservissement ?

La POF peut être attrayante lorsque la liaison requise est relativement courte et que l'équipement est conçu autour d'une interface optique à grand cœur. Son grand cœur peut simplifier le couplage optique et supporter des systèmes de connecteurs comparativement simples. La fibre de verre peut être plus appropriée lorsque la distance plus longue, l'atténuation plus faible ou d'autres exigences du système prédominent.

La POF est-elle assez rapide pour la communication d'asservissement ?

Cela dépend du réseau d'asservissement et des composants optiques. Les systèmes d'asservissement nécessitent un débit de données suffisant et un timing prévisible pour leur architecture de contrôle. La POF doit donc être sélectionnée selon l'interface spécifiée du contrôleur et du variateur plutôt que comparée uniquement à la bande passante maximale disponible auprès d'autres technologies de fibre.

Quelle est la longueur maximale d'un câble fibre optique pour asservissement ?

Il n'y a pas de longueur maximale universelle. La distance autorisée dépend du système d'asservissement, de l'émetteur et du récepteur, du type de fibre, des pertes de connecteur, de l'atténuation, de la température et du budget de puissance optique. La longueur de liaison maximale spécifiée pour l'équipement réel doit être considérée comme la limite principale.

Que dois-je vérifier lors du remplacement d'un câble fibre pour asservissement ?

Commencez par l'interface exacte du contrôleur et du variateur d'asservissement. Confirmez le type de fibre requis, le connecteur, le nombre de fibres, la longueur autorisée et les exigences de compatibilité. Vérifiez ensuite les conditions mécaniques telles que le rayon de courbure, la flexion, la charge de traction, la température, l'exposition chimique, les exigences de gaine et la propreté du connecteur avant de sélectionner le câble de remplacement.