Защита от электромагнитных помех в сервостистемах

Правильный выбор экранированных кабелей является одним из самых важных шагов при создании надежных и точных сервосистем

Кабели выпускаются с различной экранировкой и типами проводов

Экранировка кабелей защищает сигналы в жилах от внешних источников электромагнитных помех, а также уменьшает излучение самого кабеля, которое может оказывать влияние на оборудование и проводку рядом с кабелем.

Типы электромагнитных помех

Чтобы понять принципы экранирования, необходимо сначала понять принципы передачи электромагнитных помех через соединения, так как экранировка, предназначенная для одних типов соединений, может оказаться совершенно неэффективной для других. Более того, неправильная привязка (заземление) экрана может привести даже к худшим результатам, чем отсутствие самой экранировки. Четыре типа помех в цепях могут привести к ухудшению качества сигнала:

• емкостные помехи;
• индуктивные (магнитные) помехи;
• внутренние помехи;
• излучательные помехи.

Емкостные помехи обычно доставляют меньше всего проблем и легче всего подавляются. Тем не менее, они могут приводить к искажению высокочастотных сигналов в проводниках с большим выходным сопротивлением. Характеристики: высокочастотные флуктуации напряжения, не связанные с изменением тока. Их можно заметить на осциллографе с обыкновенным заземлением. С точки зрения математических формул эти помехи можно отделить от излучательных помех. Способы подавления: использовать кабели с заземленной экранировкой. Заземление особенно важно, поскольку кабель находится в емкостной связи с экраном.

Индуктивные (магнитные) помехи возникают в результате воздействия сильного магнитного поля, действующего по принципу генератора. Это может привести к возникновению тока в проводнике с относительно низким импедансом и нарушить процесс передачи сигнала. Электромагнитные помехи данного типа и вызванные ими реакции в системе могут оказаться достаточно мощными для включения или отключения приборов. Характеристики: в индуктивных (магнитных) помехах отсутствует постоянная составляющая, частоты могут варьироваться от самых низких до самых высоких в пределах измерения (> 500 МГц). С математической точки зрения индукционные помехи описываются так же, как и емкостные. Способы подавления: как правило, эффективной оказывается витая пара с заземленной экранирующей оплеткой. Экранировка такого типа подавляет помехи от источников и приемников, снижая как излучение, так и поглощение индуктивных помех благодаря непосредственной близости проводников к заземленной оплетке. Индуктивные помехи пойдут по пути наименьшего индуктивного сопротивления, так что оплетка поглотит их до того, как они смогут достигнуть кабелей. Экранировка фольгой не столь эффективна из-за магнитных вихревых токов.

Внутренние помехи — помехи, возникающие при непосредственном подключении источника шума к системе, например, когда источник питания создает импульсные помехи на линии переменного тока. Характеристики: внутренние помехи могут иметь ненулевую постоянную составляющую. Сдвиг постоянной составляющей — один из признаков типа соединения. Помехи могут оказаться низкочастотным (например, шум 50 Гц) и не будут описываться законами импеданса (кроме ограничения по мощности). Способы подавления: от внутренних помех нужно избавляться при помощи изоляции, фильтрации или других методов согласования импедансов. Экранировка неэффективна при подавлении, но, по крайней мере, поможет не допустить выход помехи за пределы системы. Сильные внутренние импульсные помехи в неэкранированной системе могут стать индуктивными.

Излучательные помехи — наиболее сложный тип помех, имеющий ряд важных для понимания специфических ограничений, связанных с частотами. Характеристики: как правило, прибор должен находиться на расстоянии 1/2 (длина волны) от источника излучения и иметь «антенну» длиной, как минимум, /20. В этом случае источник помех будет располагаться вне прибора. Способы подавления: экранировки фольгой недостаточно. Экранировка оплеткой может быть эффективной, хотя ее применение в случае излучательных помех сопряжено с дополнительными требованиями. Во-первых, экран не должен прерываться внутри экранируемых цепей. Обязательна полная экранировка со всех направлений. В случае очень высоких частот небольшие отверстия или дорожки, которые обычно допустимы, могут давать существенный вклад в импеданс. Даже безобидное отверстие, через которое проходит кабель, может стать местом проникновения излучательных помех. Тот, кто знаком со стерео-радиоприемниками, знает правильный способ экранировки и может указать контуры и конденсаторы, подверженные влиянию излучательных помех.

При изгибе и скручивании кабелей сильно сокращается срок их службы. При необходимости сделайте крепление, обеспечивающее продольное смещение кабеля

Выбор типа кабеля

Выбор подходящего типа экранированного кабеля под конкретную задачу и частотную область — основной пункт в обеспечении сохранности низкоуровневых сигналов в цепях управления, точного и надежного позиционирования сервосистемы. Кроме того, применяемые в контурах управления высокой мощности экранированные кабели гарантируют, что приводная система не влияет на окружающее оборудование. Например, правильно подключенный экран может предотвратить шумовой ток через заземление (его иногда называют помехой общего вида). Экранировка при помощи оплетки, спиральной обмотки и фольги обеспечивает путь с наименьшим импедансом для низко- и высокочастотного шумового тока, возвращая его обратно на двигатель. Основное назначение экранировки состоит в подавлении радиоизлучения. Часть энергии помех, достигающая экрана кабеля, отражается, часть перенаправляется по экрану с низким импедансом, но оставшаяся часть энергии шума проникает за экран и искажает низкоуровневые сигналы в близлежащих цепях. Задача состоит в выборе наиболее эффективной экранировки, сводящей к минимуму проникновение помех. Силовые кабели серводвигателей и линии обратной связи подвержены влиянию как собственного радиоизлучения, так и влиянию внешних электромагнитных помех. В дополнение к помехам, создаваемым расположенным рядом оборудованием и кабелями приводной сервосистемы, сами двигатели генерируют основную часть электрического шума. Чтобы свести его к минимуму, кабели контуров обратной связи, аналоговые, цифровые и другие низковольтные цепи экранируются, чтобы подавить как поглощаемые, так и излучаемые электромагнитные помехи. Витые пары также часто экранируются, что позволяет снизить перекрестные помехи. Скрутка сигнального и заземляющего провода снижает излучение, а экранировка полученной витой пары создает еще один уровень защиты и подавляет перекрестные помехи между внешними цепями и жилами в кабеле. Наружная экранировка защищает цепь от внешних электромагнитных помех и снижает излучение самого кабеля. Силовые кабели сервосистем создают мощное электромагнитное излучение из-за очень быстрого включения и выключения тока двигателя. Из-за резкого изменения тока возникают существенные высокочастотные помехи емкостного и индуктивного типа, излучаемые силовым кабелем. Экранировка силовых кабелей снижает уровень излучения, а также защищает контуры обратной связи и оборудование системы. При выборе правильной экранировки необходимо учитывать множество факторов, включая экранирующий материал. Среди них:

• некоторые кабели имеют общую экранировку, заключающую в себе все проводники одновременно,
• в других кабелях экранируются отдельные проводники или пары,
• кабели, предназначенные для неблагоприятных внешних условий, содержат как индивидуальную, так и общую экранировку.

Двойная экранировка, разделенная слоем изолятора, улучшает защиту от помех, но снижает гибкость кабеля. Например, первый слой экранировки из алюминиевой фольги дает 100% покрытия и защиту от высокочастотных помех. Второй слой из медной оплетки (поверх изоляционного слоя) повышает защиту от низкочастотных помех, существенно добавляет прочности и увеличивает срок службы при изгибе.

Три типа экранировки

Кабели с экранировкой из оплетки, спиральной обмотки и фольги подходят для всего диапазона напряжений стандартных сервосистем.

Оплетка обычно состоит из сплетенных в сеть медных нитей, покрывающих отдельные проводники, витые пары или все жилы в кабеле одновременно. Доля покрытия определяется плотностью расположения нитей в оплетке и обычно составляет 60-95%. Больший процент покрытия означает лучшую защиту от электромагнитных помех и пониженное радиоизлучение. От диаметра нитей, обычно равного 32 и 40 AWG (прим.: American Wire Gauge (AWG) — используемая в США система стандартов маркировки толщины провода. Чем меньше номер AWG, тем толще провод и ниже его сопротивление), напрямую зависит гибкость оплетки, срок службы при изгибе и степень покрытия. Луженые нити более устойчивы к коррозии, обеспечивают лучший электрический контакт и удобнее при пайке, но не столь гибки, как неизолированные нити того же размера. Гибкие кабели для сервосистем обычно имеют оплетку из очень качественных неизолированных нитей. Сигнальные кабели должны состоять из заключенных в экран из фольги витых пар в общей оплетке.

Спиральная обмотка обеспечивает большую гибкость и время жизни при изгибе, чем оплетка. Она состоит из оголенной или луженой проволоки, закрученной по спирали вокруг проводника. 

Существует оптимальное сочетание механической прочности и степени экранировки кабеля для приложений

Спиральная обмотка лучше всего подходит для низких частот и часто обеспечивает покрытие более 95%. Она применяется в самых гибких и устойчивых к деформациям, например к скручиванию, кабелях, когда экранировка из оплетки и, особенно, из фольги может быть повреждена при скручивании кабеля. Заземление спиральной обмотки усложняется в случае ее замкнутости. Экран из фольги обычно делается из алюминиевой фольги на полиэфирной подложке. Подложка необходима для механической прочности. Алюминий обеспечивает эффективную защиту от высокочастотных помех емкостного типа. Медная проволока используется не так часто и покрывает низший частотный диапазон. Экран из фольги может накладываться на проводник одним из трех способов: фольгой к проводнику, фольгой наружу или с загнутыми в форме буквы Z краями наматываемой полоски фольги. Два первых способа допускают некоторую утечку шума, поскольку в местах наложения фольги и подложки нет прямого проводящего контакта. В то время как изгиб краев в форме буквы Z позволяет добиться полного покрытия проводника, так как при наложении фольга непосредственно соприкасается с фольгой. Дополнительный провод вдоль экрана из фольги обеспечивает надежность заземления.

Требования стандартов UL, CSA, CE

Кроме уменьшения или полного подавления помех при работе сервосистем и окружающего оборудования, экранировка может оказаться необходимой для обеспечения соответствия определенным регулирующим стандартам, например CE (стандарты качества и безопасности Европейского союза). Диаметр проводника, тип изоляции и знак качества (если есть) обычно нанесены на изоляцию кабеля вместе с классом по напряжению и температуре. Знаки Лаборатории по технике безопасности США (UL) и Канадского агентства по стандартизации (CSA) подтверждают, что кабель проверен одной или обеими организациями на предмет безопасности использования в соответствии с техническими условиями производителя. Однако это не означает, что кабель отлично экранирован. Стандарт CE устанавливает пределы уровня возникающего в линии шума, но только лишь использование сертифицированного на стандарт CE кабеля не гарантирует, что вся система соответствует стандарту CE. Соответствие стандарту также определяется тем, как используется кабель, так что без тщательного изучения технических характеристик и тестирования на реальной установке не обойтись.

Требования к гибкости

Кабели для задач, где главным фактором является гибкость, обычно имеют:

• качественные проводники из медных нитей;
• гибкую изоляцию;
• нескользящие изоляционные компоненты на каждом слое проводника;
• равномерную обмотку связки проводников;
• внутреннюю оболочку между связкой проводников и экраном;
• очень качественную медную экранирующую оплетку;
• экран из фольги со шнуром вокруг линии для обратной связи;
• гибкую внешнюю оболочку.

Экраны гибких кабелей делаются из качественных неизолированных медных нитей, которые очень легко принимают форму связки проводников. Когда кабель сгибается, экран должен скользить вдоль связки проводников с низким трением и не застревать на неодно-родностях, формируемых отдельными проводниками или промежутками между ними. Отсутствие гладкой цилиндрической поверхности под экраном может привести к безвозвратной деформации (скручиванию) кабеля. Между экраном и связкой проводников помещается тонкая внутренняя оболочка, чтобы заполнить промежутки между проводниками и тем самым сформировать гладкую цилиндрическую поверхность, по которой будет хорошо скользить экран. Хорошим способом создания гладкой поверхности под экраном является добавление наполнителей и обмотки из текстильных волокон. Особенность другого процесса изготовления кабелей — штампованная внутренняя оболочка, которая, благодаря своей структуре, поддерживает практически идеальную цилиндрическую форму связки проводников даже во время изгиба. Данный метод требует больше затрат, чем технология с наполнителем и обмоткой, но обеспечивает большую надежность. Экран оплетается или наматывается на внутреннюю оболочку, затем покрывается наружной оболочкой. Относительное смещение составляющих кабеля во время сгиба создает трибоэлектрический шум, что приводит к возникновению статических и пьезоэлектрических помех. В тщательно сконструированных кабелях это явление сведено к минимуму, однако его нужно всегда принимать во внимание. Различные типы деформаций влияют на выбор составляющих кабеля, включая экран. К обычным типам деформации кабелей относятся продольный изгиб, поперечный изгиб и скручивание. В технических характеристиках указывается тип деформации, которая не нанесет кабелю повреждений. Поперечный изгиб — это изгиб или вращение свободного конца закрепленного на шарнире кабеля в разные стороны. Продольный изгиб возникает при фиксации одного конца кабеля и перемещении другого конца вперед и назад. Кабели, предназначенные только для линейных изгибов не должны подвергаться скручиванию. Например, скручивание имеет место в робототехнике, когда рука робота, внутри которой находятся кабели, вращается против и по часовой стрелке. Для таких задач лучше всего подходит экран из спиральной обмотки.

Смотрите также сборник «Электромагнитная совместимость в электронике».