모션 제어 서보 시스템에서 쉴딩, 그라운딩, 디자인 테크닉

다축 모션 제어 서보 시스템은 EMI로 영향 받을 수 있는 디지털과 마이크로프로세서 회로를 포함한다. 또한 10~300 MHz에서 상당한 EMI를 만들 수 있는 고 에너지 스위칭 앰프를 포함하고 있다. 스위칭 노이즈는 분명히 모션 컨트롤러와 다른 전자 장비의 바른 동작을 간섭할 잠재성이 있다. 대부분의 모션 제어기 제조사들은 그들의 제품이 EMI에 민감하지 않게 매우 조심한다. 그러나 완벽한 면역은 불가능하다. EMI 문제를 회피하는 약간의 책임은 불가피하게 제어 시스템 통합자에게 있다. 이 가이드는 효과적인 EMI 억제 모션 제어 시스템을 설계하기 위한 패널 레이아웃(layout), 와이어링(wiring), 그라운딩(grounding), 쉴딩(shielding) 테크닉에 대해서 설명한다. 모든 엔지니어링 설계에서 완벽한 설계와 실용성 사이에서 타협은 불가피하다. 여기서 제안 하는 모든 것을 채용할 수 없을지 모른다. 그러나 EMI를 줄이기 위해 조심하는 것은 시작 비용과 미래의 운영 문제를 줄일 것이다.

 

설계 목표와 테크닉

첫 번째 디자인 목표 중 하나는 모든 신호 공통 리턴 지점을 같은 전위로 유지하는 것이다. 스위칭 앰프에 의해 생성되는 고주파 하모닉(최대 300MHz)에서, 이것이 항상 쉬운 것은 아니다. 이런 주파수에서, 전형적인 12 게이지(직경 약 2mm, 최대 전류 약 40A) 그라운드 와이어는 그라운드로의 낮은 저항성 경로가 아니라 인덕터와 커패시터의 직렬처럼 보인다. 통상적인 와이어보다 실버 주석 도금된 평평한 브레이드(braid)와 철 서브 패널 자체를 사용하는 것이 더 좋은 리턴 경로를 제공한다. 똑같이 중요한 두 번째 목표는 회로 간에 자기(magnetic) 커플링을 최소화 하는 것이다. 이것은 일반적으로 최소 간격과 와이어 라우팅으로 달성된다. 라디오 주파수 커플링은 적절한 쉴딩과 그라운딩 기술로 우선 다뤄지는 문제이다. 전이 스파이크로부터 보호하고 스파이크를 제거하는 것은 파워 라인 필터와 릴레이 코일의 적절한 서프레서(suppressor) 그리고 다른 인덕티브 한 부하로 달성한다.

 

모터 케이블 설치

쉴드 드레인 와이어와 안전 그라운드 와이어 둘 다 모터 파워 단자 옆에 위치한 서보 드라이브 그라운드 단자에 테미네이트 시킨다. 모터 케이블의 서보 드라이브 쪽 끝 쉴드 되지 않은 돼지꼬리와 쉴드 드레인 와이어는 20 cm를 넘지 않게 한다. 모터 케이블은 분리된 선로로 배선하거나 바른 배치를 위해 안전하게 묶여 고정될 수 있다.

가능한 모든 경우에, 서보 드라이브와 모터 사이에 단자 블록을 추가지 마라. 그렇게 함으로써 반드시 피해야 할 서보 드라이브로 돌아가는 고 에너지 노이즈 경로를 효과적으로 줄일 수 있다.

 

엔코더/리졸버 케이블

엔코더 또는 리졸버 피드백 케이블과 모터 케이블 혹은 AC 파워 케이블 사이에 최소한 30cm의 분리가 유지되도록 한다. 엔코더 케이블보다 리졸버 케이블에 더 치명적인데 왜냐하면 신호가 아날로그 속성을 갖기 때문이다. 리졸버와 엔코더 피드백 케이블을 분리된 배선관이나 선로에 배치할 것을 강력히 권고한다. 50 m 이상의 엔코더 케이블에서 전압 강하는 엔코더에서 전압을 최소값 이하로 줄인다. 50 m 보다 긴 케이블을 사용해야만 한다면 엔코더에 전압을 공급하기 위해서 모터/엔코더 가까이에 5 VDC 전원을 공급할 필요가 있다. 엔코더나 리졸버 케이블이 모터나 AC 파워 케이블을 가로질러야 한다면, 서로 직각이 되도록 한다. 가능한 모든 경우에, 엔코더/리졸버와 서보 드라이브나 컨트롤러 사이에 단자 블록을 추가지 마라. 그렇게 함으로써 반드시 피해야 할 서보 드라이브나 컨트롤러로 돌아가는 고 에너지 노이즈 경로를 효과적으로 줄일 수 있다.

 

DC 파워 서플라이 와이어링

모든 파워 서플라이 리턴(기준 공통)은 낮은 임피던스 그라운드 스트랩을 사용해서 패널에 묶어야 한다. 이런 목적으로 최소 6mm 폭을 갖는 실버 주석 도금된 평평한 구리 브레이드가 이상적이다. 일반적인 와이어보다 브레이드를 사용하는 것이 선형 서플라이보다 스위칭 파워 서플라이를 사용할 때 더 중요하다. 이런 그라운딩 스트랩은 10 cm보다 짧아야 한다. 그라운드 스트랩은 어플리케이션 전기 코드의 요구에 따라 어떤 안전 그라운드 와이어에 추가로 사용되어져야 한다. PLC에 묶인 하나 이상의 컨트롤러 시스템에서 각 컨트롤러는 DC I/O 회로를 위해 각각 자신의 24VDC 파워 서플라이를 가져야 한다. 아날로그와 디지털회로를 포함한 파워 반도체 로직 보드에서 사용되는 저 전압 DC 파워 서플라이에서, 리드 와이어 길이를 최소로 유지하라. 20 cm 이하가 선호된다. 멀리 떨어진 회로 간에 하나의 파워 서플라이를 공유하기 보다는 가능하면 하나 이상의 파워를 사용해라. 서보 드라이브에 사용되는 고 전압 DC 파워 서플라이는 설치 매뉴얼의 지시에 따라서 서보 드라이브 가까이에 배치되어야 한다. 서보 드라이브가 외부 재생(regeneration) 저항을 갖고 있으면, 재생 와이어링은 모터 케이블과 같이 취급되어야 한다. 그것은 낮은 임피던스로 브레이드 된 쉴드를 가져야 하며 쉴드는 드라이브 끝에서만 패널에 테미네이트 되어야 한다.

 

DC 입력과 출력 와이어링

DC 전자기 릴레이 코일을 포함한 인덕티브 부하로의 연결은 부하 또는 코일이 스위치 오프하고 자기장이 없어질 때 유발되는 높은 에너지 스파이크를 흡수하기 위해서 고속 플라이백 다이오드로 터미네이션 되어야 한다. 이런 다이오드는 코일에 걸리는 전압과 반대 극성으로 코일을 가로질러 연결되어야 한다. 흡수되어야 할 에너지의 양은 상당할 수 있고 다이오드가 적절하게 정격화되는 것은 중요하다. 고정 상태 출력으로 구동되는 고정 상태 입력은 입력을 가로질러 블리더(bleeder) 저항을 가져서 출력이 꺼졌을 때 출력의 누설 전류에 대한 경로를 제공해야만 한다. 이것은 출력이 꺼졌을 때 입력이 잘못 켜지는 것을 예방하게 해준다. 저항의 크기는 출력 장치의 누설 전류와 입력 장치의 OFF 전압에 달려 있다.

 

AC 입력과 출력 와이어링

릴레이(solid state 또는 electromechanical)에 사용되는 AC 회로는 분리된 제어 트랜스포머로부터 파워 되어야만 한다. 이것은 특히 관련된 와이어링이 제어 캐버닛의 밖에서 달릴 때 그렇다. 전자기 코일을 포함한 모든 인덕티브 부하는 부하 또는 코일을 가로질러 스너버(전형적으로 0.1uF 커패시터와 직렬인 4.7kohm 저항)가 있어야 한다.  이 장치는 부하 또는 코일이 꺼져서 그 자기장을 잃을 때 리턴 되어 와이어링에 유발되는 높은 에너지를 흡수한다. 흡수되어야 할 에너지의 양은 상당할 수 있고 장치가 적절하게 정격화되는 것은 중요하다. MOVs(Metal Oxide Varisters)는 RC 스너버 대신에 종종 사용되지만 우선적으로 전이 때문에 생기는 손상으로부터 장비를 보호하기 위한 안정 장치로 노이즈 억제 측면에서 스너버 보다 덜 효과적이다. 또한 MOVs는 시간에 따라 열화(degrade) 된다.

 

AC 파워 와이어링

패널로 들어오는 파워는 그 안에 더러운 성분을 가지고 있다. 이것은 특히 가변 속도 드라이브와 가열 로(furnaces)같은 SCR 제어 장치를 많이 갖고 있는 시설에서 더 심하다. 라인 필터(삼상 혹은 단상)는 들어오는 파워라인의 안전 회로 바로 다음 그리고 어떤 치명적 제어 유닛 전에 배치되어야 한다. 제어기 안에 필터와 서프레서가 내장 되어 있는 것이 좋다. 그러나 이런 내장 장치가 고속 센서 입력과 아날로그 회로 같은 시스템의 다른 파트로부터의 노이즈까지 예방할 수 는 없다. 필터는 실용적으로 가능한 한 들어오는 파워 공급에 최대한 가까이 배치한다.

필터 된 깨끗한 와이어링을 필터 되지 않은 더러운 와이어링과 병렬로 달리는 것을 피한다. 깨끗한 와이어링이 더러운 것을 가로질러야 한다면 서로 직각을 유지한다. 제어기가 리셋 되지 않도록 규정된 최소 전압 이하로 AC 파워가 떨어지는 경향이 있으면 CVT(Constant Voltage Transformer)를 설치할 수 있다. 파워의 손실이 치명적이거나 파워 손실 이벤트에서 순서적으로 셧 다운 하는 것이 필요한 곳에서, UPS(uninterruptable power supply) 사용을 고려한다. 트랜스포머 2차의 뉴트럴(neutral)을 패널에 그라운드 하라. 이 때 회로의 전류와 전압에 기반한 적절한 폭을 가진 실버 주석 도금된 평평한 구리 브레이브 스트랩을 사용해서 낮은 임피던스 그라운드 경로를 만든다. 그라운드 스트랩은 안전 그라운드 와이어로도 사용되어야 한다. hot과 neutral 와이어를 함께 꼬아서 EMI 효과를 최소화 한다.

 

통신 케이블

통신에 사용되는 케이블은 고주파 신호를 전송하고 받도록 디자인 되어 있다. 서보 드라이브 같은 고 에너지 노이즈 소스와  한 인클로저 안에 배치되면, 통신 케이블에 커플 되는 노이즈는 실제 통신 신호와 유사한 주파수일 수 있다. 응용 통신 표준에 포함된 자세한 권장사항을 정확히 만족시키는 케이블, 터미네이션 장치, 스플릿터 등을 사용하는 것이 중요하다.  저렴한 하드웨어나 소비자용 전자 장비로 대체하는 것은 문제를 가져올 수 있다. 대부분의 통신 표준은 권장 네트워크 토포그래피(topography), 최소 드랍(drop) 길이, 터미네이션 위치 등을 정의한다. 이런 권장을 정확히 준수해야만 한다. 통신 케이블은 저 전압 DC 선로에 배치 되어야 한다. 통신은 AC 파워와 모터 케이블로부터 격리한다. 만약 가로질러야 한다면 서로 직각이 되도록 한다.

 

종합적 배치, 부착, 배선 실행

부품을 패널과 인클로저 문에 어떻게 배치하느냐는 고 에너지 간섭의 효과를 줄이거나 악화시키는데 중요한 역할을 할 수 있다.  와이어 길이를 줄이면서 격리를 최대화 하기 위한 목적으로, 유사한 부품들끼리 그룹으로 만들어서 이 그룹을 파워의 흐름 그리고(또는) 변환의 패턴에 따라서 배치하는 것이 좋다. 다른 회로 타입(AC/DC, 고전압/저전압, 디지털/아날로그)이 최소 30 cm 떨어트리지 않고 서로 평행하게 와이어가 달리는 것을 피한다. 서로 다른 타입의 와이어가 가로질러야 한다면 서로 직각이 되게 한다. 고전력 AC, 저전력 AC, 고전력 DC, 저전력 DC에 대해서 선로를 구분해서 제공한다. 캐버닛 문에 부품을 배치할 때, 문을 닫음으로 부품이 패널의 일부와 가까워서 문제를 유발하지 않도록 한다. 예들 들어, 비디오 단자기 트랜스포머나 서보 드라이브와 가까울 수 있다. 유닛을 부착할 때, 유닛과 부착 표면 모두에서 페인트를 벗겨내서 금속과 금속 간에 접촉이 되도록 한다. 외부 톱니 모양 와셔를 사용하면 접촉을 향상시킬 수 있다. 의심스러우면 새시와 부착 표면 간에 좋은 연결을 보증하기 위해서 실버 주석 도금된 평평한 브레이드로 만든 그라운드 스르탭을 사용한다. 케버닛 문을 인클로저에, 첫번째 서브 패널을 인클로저에, 각 서브 패널을 다음 것에 연결하기 위해 25 mm 실버 주석 도금된 평평한 구리 브레이드로 만들어진 그라운드 스트랩을 사용한다. 전기 코드가 전형적인 녹색 안전 그라운드 와이어를 요구하면, 이 가이드에서 제시하는 그라운드 스트랩에 더해서 그것을 사용한다.

 

캐버닛에서 기계로 그라운딩

캐버닛에서 기계로 그라운딩을 제공하기 위해서 모터 케이블에 포함된 그라운드 와이어에 의존하지 마라. 캐버닛과 기계 그라운드는 항상 같은 전위이어야 한다는 것을 확실히 하라. 모든 주요 기계 부분과 캐버닛 사이의 그라운드 연결에  #6 혹은 그것보다 더 큰 그라운드 와이어를 제공한다. 이런 목적으로 많은 작은 단면을 가진 도체들로 구성된 웰딩(welding) 케이블이 이상적이다. 그것이 고주파에서 일반 와이어보다 훨씬 더 효과적이다.

 

원문: Shielding and Grounding Electrical Panels. ORMEC