電源およびデータのスリップ リング: 信号損失を回避

電力およびデータのスリップ リングは、回転ジョイントを介して電力と通信信号の両方を送信するため、マシンは無制限に回転し、ケーブルがねじれることがありません。よくある質問に対する簡単な答えは「はい」です。1 つのアセンブリで両方を搭載できます。現場で動作するかどうかを決めるのは回路数ではありません。これは、単一の回転インターフェイス内で電力と信号のパスがどのように配置され、シールドされ、接地され、配線されるかによって決まります。

電力とデータはまったく異なる動作をします。パワーリングは数十のアンペアを伝送したり、モータードライブを介してスイッチをオン/オフしたりすることができますが、ギガビット イーサネット ペアは安定したインピーダンスに依存するミリボルト-レベルの遷移を伝送します。適切な設計を行わずにそれらを近づけすぎると、CRC エラー、パケットのドロップ、エンコーダーのカウントのジャンプ、アナログ読み取り値のドリフト、またはベンチで再現するのが難しい断続的な通信などの症状が現れます。信頼性の高い複合スリップ リングは、信号タイプ、電流および電圧レベル、回転速度、デューティ サイクル、接地、シールド、ケーブル配線、実際の動作環境に基づいて構築されています。

1 つのスリップ リングで電力とデータの両方を伝送できますか?

はい。適切に設計されたアセンブリでは、1 つの回転インターフェイスで電力とデータを組み合わせることができます。サプライヤーによっては、これを電源およびデータ スリップ リング、電源および信号を組み合わせたスリップ リング、または単に電源と通信の混合用に構築されたカスタム スリップ リングと呼ぶ場合があります。

ただし、この 2 つを組み合わせるということは、回路を追加することと同じではありません。電源リングには、ドライブやコンタクタからのより高い電流、より高い電圧、またはスイッチング ノイズが流れる可能性があります。信号回路では多くの場合、安定したインピーダンス、低い接触ノイズ、シールド、およびそれらのノイズ源からの距離が必要です。単一のリング スタックは両方の要求を同時に満たす必要があります。

通常、次のような場合には、組み合わせた設計が適切です。

• 機械は継続的かつ無制限の回転を必要とします。
• 電力と通信は同じ軸を通過する必要があります。
• ケーブルをねじったり、巻き付けたりすることは許可されません。
• 2 つの別々のロータリー ジョイントを設置する余地はありません。または
• 単一の統合アセンブリにより、配線と保守が簡素化されます。

一般的な用途には、産業用ロボットとインデックス テーブル、梱包機と包装機、クレーンと回転プラットフォーム、レーダーとアンテナ ポジショナ、パンチルト監視ヘッド、医療用画像ガントリーなどがあります。

電源回路とデータ回路を慎重に分離する必要がある理由

電力とデータは 1 つのスリップ リングを共有できますが、2 つを同じように扱うべきではありません。設計作業のほとんどは、電源パスが生成する電気ノイズから信号パスを保護することに費やされます。

電源回路からの EMI および RFI

-高電流リング、モーター ドライブ、可変周波数ドライブ（VFD）、ソレノイド、スイッチング電源はすべて、電磁干渉を放射し、伝導します。たとえば、数キロヘルツで VFD スイッチングを行うと、近くの導体に広帯域ノイズが注入されます。機密性の高いデータ ラインがその回路とスペースを共有している場合、ノイズが混入して信号が破損する可能性があります。

結果は、スリップ リングがどこに配置されているかによって異なります。静かな実験室の機器では、小さな外乱は気づかれない可能性があります。ドライブに隣接するモーション制御軸でも、同じ障害によって、チェックサムに失敗した CAN フレーム、スループットを低下させるイーサネット再送信、ジッタを発生するエンコーダ エッジ、またはサイクル途中でコントローラに障害が発生する可能性があります。-

チャンネル間のクロストーク

クロストークとは、ある回路から隣接する回路へエネルギーが漏れることです。電力導体、イーサネット ペア、エンコーダ ライン、アナログ リード、および制御ワイヤをコンパクトな回転スタックに詰め込むことが最も重要です。適切な実践では、物理的な間隔、同様の回路のグループ化、シールド、クリーンな接地、最も敏感な信号の専用パスによってこの問題を軽減します。私たちのメモチャンネル間のクロストークを防ぐレイアウトについてはさらに詳しく説明しますが、原理は単純です。攻撃者と被害者を分離し、すべてのシールドに定義されたリターン パスを与えることです。

信号が異なれば要件も異なります

すべてのデータ ラインが同じように壊れやすいわけではありません。個別のオン/オフ信号は、高精度のエンコーダ フィードバックやギガビット イーサネットを台無しにする条件を許容します。ギガビット イーサネット、によって定義されています。IEEE 802.3 規格ファミリー、ツイストペアの完全性と制御されたインピーダンスに依存しますが、CAN バスは次のように標準化されています。{0}ISO11898、安定した差動信号に依存します。このため、スリップ リングは回線数だけではなく、信号タイプと性能目標によって指定する必要があります。特にデータ面に関しては、イーサネット スリップ リング ガイド実践的な詳細について説明します。

実際のポイント:誰もが呼び出し音を数える前に、すべてのプロトコルとそのデータ レートに名前を付けます。プロトコルは、接触タイプ、シールド、内部レイアウトを決定します。

電力とデータを組み合わせる設計手法

信頼性の高い複合スリップ リングでは、ほとんどの場合、複数の保護方法を併用します。どの組み合わせが適しているかは、電力レベル、信号タイプ、利用可能なスペース、必要な耐用年数によって異なります。

1. リングスタック内の物理的な分離。最も基本的な方法は、高出力リングを信号リングから遠ざけ、同様の回路をグループ化し、別々の内部パスに配線することです。{0}距離を置くと結合が減少します。スペースが狭いコンパクトなアセンブリでは、以下の他の方法により多くの負荷がかかります。
2. シールドケーブル。通信線がモーター、ドライブ、高電力配線の近くを通る場合、ケーブル シールドが信号導体への干渉を防ぎます。{0}スリップ リング内のシールドは、マシンの残りの部分と一致する必要があります。システムがリングの外側でシールドされたケーブルを使用する場合、通常、シールド パスは回転インターフェイスを通過する必要があります。私たちの概要信頼性の高い信号伝送のためのシールドソリューションオプションを順に見ていきます。
3. 専用のグランドおよびシールド回路。スリップ リングには、グランドまたはシールドの導通用に予約されたリングを含めることができ、ケーブル シールド、機器のグランド、および回転構造間の関係を管理します。接地計画が弱いと、シールドの利点が打ち消されたり、新たなノイズが発生したりする可能性があるため、ボルトで固定するのではなく、設計で組み込む必要があります。
4. 個別のコアまたは信号モジュール。要求の厳しいジョブの場合、アセンブリは個別のコアまたは内部モジュールを使用できます。1 つのセクションは電力用、もう 1 つは通信用です。これにより、単一の共有スタックよりも強力な分離が実現され、高電流、高電圧、またはエラーに対する低い耐性に適しています。
5. RFI バリア、セパレータ プレート、密閉セクション。-非導電性セパレータ、内部シールド プレート、または密閉された信号セクションにより、通信チャネルが電力から隔離されます。大規模なアセンブリでは、データ回路が保護された状態を保つために、小さな信号用スリップ リングが大きな電力用スリップ リングのハウジング内に配置されることがあります。

実際のポイント:大電流電力と高速データが混在する場合は、単一の手法に依存するのではなく、分離、シールド、接地を組み合わせる必要があります。-

電源およびデータのスリップ リングを指定する方法

設計手法を知ることは別のことです。マシンを明確な仕様に変えることは別のことです。これらの 5 つのステップは、「電源とイーサネットが必要」という要求を、エンジニアが推測せずに引用できるものに導きます。

1. 電源回路を定義します。電圧、電流、AC または DC、連続負荷または断続負荷、突入電流またはピーク電流、および各回路が駆動するもの (モーター、ヒーター、照明、制御) をリストします。ノイズの多い回路や高電流回路では、より広い間隔、より大きな導体、または異なる接点材料が必要になる場合があります。-
2. すべての信号プロトコルを識別します。「データ」だけでなく、プロトコルとそのターゲットを記述します。例: 10/100 Mbps またはギガビット イーサネット、CAN バス、RS-485、RS-232、USB、HD-SDI、エンコーダ、アナログ、またはディスクリート I/O、さらにリングの両側のインピーダンス、シールド、コネクタ タイプ、ケーブルの合計長。
3. EMIとノイズ環境を評価します。近くのドライブ、モーター、溶接機、スイッチング電源、長いケーブル配線に注意してください。電気的に危険な場所になるほど、回路リストが短く見えても、設計にはより多くのシールドと分離が必要になります。
4. 機械エンベロープを確認します。ボアまたはシャフトの直径、外径と高さの制限、取り付けパターン、回転速度と方向、デューティ サイクル、予想される耐用年数、およびケーブルの出口方向を提供します。コンパクトな機械には、多くの場合、大きな貫通穴アセンブリとはまったく異なるソリューションが必要です。-
5. シールド、接地、テスト、環境を確認してください。シールドの連続性、機械の接地方法、期待する検証、および IP 定格を含む環境目標を指定します。のIEC 60529で定義されたIPコード防塵と防水に対する保護を評価します。私たちの説明者はスリップリングのIP定格は、各桁が実際に何を意味するかを示しています。

標準とカスタムのパワーおよびデータ スリップ リング

標準のスリップ リングは、アプリケーションに単純な電源回路、低速信号、適度な回転、クリーンな電気環境がある場合に機能します。-既製製品は、要件が既存の設計と一致する場合、リードタイムとコストを削減します。電力と機密データが同じ軸を共有する必要がある場合、通常はカスタム設計が信頼性の点で十分に報われます。以下の表は、それぞれがどこに当てはまるのか、および比較をまとめたものです。標準スリップ リングとカスタム スリップ リングの比較トレードオフについて詳しく説明します。-

実際のポイント:右側の列に 1 行でも入っている場合は、プロジェクトをカスタムとして扱い、それに応じて指定します。-

エンジニアリングのレビューとテスト

仕様の価値は、その背後にある検証によってのみ決まります。電力とデータを組み合わせたスリップ リングを運用する前に、その設計を想定するのではなく実証する必要があります。一般的なレビューでは次のことがチェックされます。

• 導通と接触抵抗回転中に抵抗がどのように動作するかなど、すべての回路で。
• 絶縁抵抗回路間およびハウジングまで。
• 誘電（ハイポット）強度余裕を持った定格電圧で。
• シグナルインテグリティデータ チャネルに関するもの（動作中のデータ レートでのビットエラーやパケット チェックなど）-。
• 回転寿命試験予想される速度とデューティサイクルで。そして
• EMI/EMC評価電力と高速データがアセンブリを共有する場合。{0}}

これらのチェックの内容を確認したい場合は、次のチュートリアルをご覧ください。スリップリングのテスト方法一般的な方法について説明します。

代表的なフィールド ケース: 検査用ターンテーブルは、同じコンパクトなスリップ リングを介してギガビット イーサネット カメラと 24 V モーター回路を実行しました。ベンチ テストは合格しましたが、運用環境では、ドライブが立ち上がるとリンクが断続的に低下しました。修正は回路を増やすことではありませんでした。イーサネット ペアは、スタックのモーター リングとは反対側のシールドされたインピーダンス制御された接点に移動され、ケーブル シールドは専用リングを介してシャーシ グランドに接続されました。パケットエラーはなくなりました。このパターンは頻繁に繰り返されます。混合電源障害と-データ障害は通常、回路数の問題ではなく、レイアウト、シールド、接地の問題です。-

アプリケーション例

ロボット工学とファクトリーオートメーション

ロボット ジョイント、インデックス テーブル、自動検査セルは、回転軸を介して電力、制御、イーサネット、センサーのフィードバックを定期的に受け渡します。統合されたスリップリングによりケーブルのねじれが解消され、連続動作が可能になります。ここでの通常の課題は、サイクル数が高く、通信ドロップアウトに対する許容度が低いことです。

クレーンおよび重機

クレーン、回転プラットフォーム、建設機械は、照明、制御装置、カメラ、オペレーター システムに電力を供給します。これらの場所では、振動、屋外暴露、強力な電気ノイズが追加されるため、設計は頑丈なハウジング、密閉、および慎重なシールド接地を必要とするようになります。

医療および画像システム

信号の中断が画像や測定に影響を与える可能性があるため、イメージング ガントリーおよび同様の機器には、コンパクトなサイズ、スムーズな回転、クリーンなデータ転送が求められます。これらのビルドでは、低ノイズの接触と保守的なテスト マージンが優先されます。-のガイドを参照してください医療機器用スリップリング特定の制約については。

監視、レーダー、回転センサー

回転台、レーダー台座、回転センサー パッケージは、電力とビデオ、イーサネット、RF{1}} 関連信号、または制御データを組み合わせます。連続回転と高帯域幅信号により、制御されたインピーダンスと低ノイズが優先されます。-

よくある質問

1 つのスリップ リングで電力とイーサネットの両方を伝送できますか?

はい。内部レイアウト、接点システム、ケーブル配線、およびシールドが必要なデータ レートと電気環境に合わせて設計されている場合、スリップ リングは電力とイーサネットを一緒に伝送できます。

スリップ リングはギガビット イーサネットを送信できますか?

できる。ギガビット リンクには、リングを介してケーブル シールドが設けられ、電源やスイッチング回路から遠ざけられた、専用接点上のインピーダンス制御されたシールド付きツイストペアが必要です。-これを導入すると、連続回転による完全なギガビット スループットが達成可能になります。

電力回路とデータ回路をスリップリング内で分離する必要がありますか?

ほとんどの組み合わせデザインでは、その通りです。分離することで、EMI、クロストーク、信号の歪みが軽減されます。どのくらい分離するかは、電力レベル、信号の種類、利用可能なスペースによって異なります。

スリップリングでの信号干渉を防ぐにはどうすればよいですか?

階層化アプローチを通じて、電源リングと信号リングの間の物理的間隔、連続シールドを備えたシールドケーブル、専用のグランドまたはシールド回路、適切な回路グループ化、および必要に応じて個別のモジュールまたは RFI バリアを使用します。

イーサネット スリップ リングにはシールド付きツイスト ペアが必要ですか?

電源付近や騒音の多いマシン内で信頼性の高い高速イーサネットを使用するには、シールド付きツイストペアが安全な選択であり、シールドは回転インターフェースを介して継続する必要があります。-クリーンな環境内の短くて低速のリンクでは、シールドなしのペアを使用できる場合がありますが、その決定はプロトコル、EMI リスク、および接地方法に従って行う必要があります。

スリップリングでのデータ損失の原因は何ですか?

一般的な原因には、電源回路からの EMI 結合、チャネル間のクロストーク、インピーダンスの不一致、シールドの破損または不適切な終端、回転中の接触抵抗ノイズ、データ ラインがノイズ源に近すぎる配線などがあります。{0}ほとんどは CRC エラー、再送信、エンコーダ ジッター、または断続的なドロップアウトとして現れます。

シールドケーブルは常に必要ですか?

いつもではありません。シールドされたケーブルは、電気的にノイズの多い環境、またはシステムの残りの部分がすでにシールドされたケーブルを使用している場合に最も重要です。プロトコル、EMI リスク、接地方法、および全体的なシステム要件に基づいて決定します。

カスタム スリップ リングはどのような場合に選択すればよいですか?

アプリケーションに高出力データと機密データが混在している場合、スペースが限られている場合や特殊な取り付けがある場合、過酷な条件に直面している場合、または厳密な信号の信頼性が必要な場合は、カスタムを選択してください。{0}単一の要件が特殊な場合、通常はカスタム設計がリスクの低い方法です。-

重要なポイント

電力およびデータのスリップ リングにより、機械は 1 つの統合アセンブリ内で連続回転することで電力と通信信号を通過させることができます。信頼性の高い性能は回路の追加によって得られるものではありません。それは、信号絶縁、シールド、接地、レイアウト、機械的制限、実際の動作環境に基づいてアセンブリを設計し、テストを通じて結果を検証することから生まれます。

単純な作業の場合は、標準のスリップ リングで十分な場合があります。混合電源、イーサネット、CAN バス、ビデオ、エンコーダ、またはセンサー信号の場合、専用設計により統合リスクが軽減され、長期的な信頼性が向上します。-まず、電力、プロトコル、機械的エンベロープ、環境、および接地戦略を定義します。適切な仕様であれば、カスタムスリップリングソリューション要求の厳しい機器にクリーンでコンパクト、信頼性の高い回転接続を提供します。