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有关编码器信号电缆与传输抗干扰的讨论

文章出处:德伍拓 责任编辑:admin 人气:41 发表时间:2021-04-07 16:30 【   

自动化行业里某些人对编码器的重视程度还很不够,更别说对一根编码器信号电缆了,“双绞屏蔽”“越粗越好”“接地接地再接地,看见空的就接地”看似有多简单?但这些模糊甚至有错误的对电缆的理解,问题是到了现场干扰的出现,往往就是从一根简单的电缆和接法就理解错了开始的。  其实编码器信号电缆技术含量颇高,其中包含了物理学基础和材料学知识等,越是基础的东西离物理学原理越近,需要理解原理结合基础原理和实验室试验及现场实践验证,而不再是只靠产品说明书手册了。

德国编码器对于信号电缆一直有严格指定的要求。而我无法在这里一次给出标准答案,我没有足够的实验室条件,只有从电磁波信号原理推演。只是依据十二年前向一家外企电缆厂家定制做过一根编码器电缆。这家外企电缆厂原来就有电缆,但我按照对电缆的理解提出了针对编码器的专门定制要求,看中的是他们有实验室条件,可以测试和提供我要求的参数,实验参数固定化。这根电缆我们已经用了12年,大大小小的项目也做了不少,也有很多知情的同行用过并得到了认可,而这家外企转向进入工控领域,做起了机器人电缆也很成功,。所谓知己知彼百战不殆,在本文我们讨论的是:我们需要先了解编码器信号是什么样的信号,电缆有什么特性,干扰可能是从哪里来,才能根据现场错杂的干扰环境分析出对策。我这里挑了行业里关于编码器信号电缆认识比较模糊甚至有些错误的问题,抛砖引玉提供业内真正是在现场实践者来参考与讨论,也欢迎留言争论。

一,编码器信号是什么?

编码器信号有很多种类。这里只讲用的最多的增量脉冲信号和数字串行信号(SSI等信号),电子开关频率800KHz以下的。其他的总线信号的电缆、单电缆技术的电缆和工业以太网的电缆不在此文讨论。(我也还没搞懂呢)   这里讲的编码器信号是方波。但是,电缆线的传导电特性是以电磁波的计算并设计的。方波并不是单一频率的电磁波,按傅立叶分解,方波是有很多种频率的电磁波的叠加组合,下图演示的是方波最少有N=19个不同频率的电磁波合成的。(N=1代表只有一种频率的电磁波)。  

所以,编码器电缆线上传输的信号,是一组从较低频率的电磁波到较高频率的电磁波的组合。 电磁波的频率特性: 极低频 ELF 3KHZ以下 甚低频 VLF 3-30KHZ 低 频 LF 30-300KHZ 中 频 MF 300-3MHZ 高 频 HF 3-30MHZ 甚高频 VHF 30-300MHZ(电视1---12频道) 特高频 UHF 300-3GHZ(电视13频道以上) 超高频 SHF 3G-30GHZ 光也是电磁波。高频率的电磁波很多特性就是我们熟悉的光的特性。

电磁波通过不同介质界面时,会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波在导体介质中传播,既有沿导线方向的传播,也有沿导线直径方向的传播,并在导线的外径表面发生“折射”而辐射出另一个介质去(类似光遇见了水面,可以是进入另一个导体介质,也可能是空间辐射),和“反射”回导线介质的继续传播(类似于光线在水面反射)。各种波长反复的“反射”波杂乱了后形成了“散射”(类似于雾气),导体内的杂质吸收了电磁波能量发热形成了波的“吸收”(类似于电磁灶微波炉原理)。电磁波既有在导体内的传播,也有离开导体界面向外辐射的传播。电磁波频率低时,主要借由有形的导电体传递。原因是在低频的电振荡中,磁电之间的相互变化比较缓慢,其能量几乎全部返回原电路而没有足够的能量辐射出去;电磁波频率高时逐渐增加了向外辐射的比例,在高频率的电磁振荡中,磁电互变甚快,能量不可能全部返回原振荡电路,于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去,不需要介质也能向外传递能量,这就是一种辐射。

较高频率的电磁波在到达导体界面时,一部分折射离开导体辐射出去了,另一部分又像碰到镜面反射回导体,这一部分反射回来的高频电磁波与下一波向外移动的电磁波叠加,形成了集中在导体表面的移动的结果,因此,高频率的电磁波有沿导体表面移动的“集肤效应”和离开导体表面的“辐射效应”。较高频率的电磁波也较容易被导体杂质吸收而迅速衰减。

当较高频率的电磁波导体表面是尖锐的界面时,因为尖端的外形特征反射后仍然可能是向外的,而增加了多次辐射的机会,这种在表面移动的波就更容易向外辐射出去,而反射回来的波就很少了,这就是高频电磁波的尖端辐射效应。这也是高频电波发射的天线原理。

LC高频振荡电路,是指用电感L、电容C组成选频网络的振荡电路,用于产生高频正弦波信号。电感L的两种极端是螺旋的线圈甚至一长段金属导线,电容的两种极端是两个不接触的金属导体板或者一个尖锐的发散的金属尖端与大地构成了一个电容C。其中,一个尖锐发散的金属尖端与大地更容易形成一个振荡发射的天线,在一定的能量、频率和电路开放形态下,LC高频振荡电路将电磁波发射到空间(发射天线),或者接收来自空间的电磁波(接收天线)。

小结:电磁波是一种能量,是正弦移动的波,高频信号走导线表面传导,高频信号有向空间辐射的比例,当金属有一长段导线与尖锐的尖角的情况下,高频信号在尖端更容易辐射,或者接收外部高频电磁波(干扰)。


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