RS-485, 5 VDC und 24 VDC über ein einziges Ethernet-Kabel

Ich habe vor kurzem begonnen, an einem Projekt zu arbeiten, das Motortreiber und Mikrocontroller in einer Netzwerktopologie beinhaltet. Dies ist eher eine theoretische Frage, nur etwas, worüber ich nachgedacht habe. Die Mikrocontroller laufen mit 5 VDC, die Motoren mit 24 VDC und die Mikrocontroller müssen miteinander kommunizieren. Die Mikrocontroller steuern die Motoren lokal mit PWM-Signalen über die 24-V-Versorgung. Das ist jetzt mit vielen Kabeln gelöst.

Meine Frage lautet also wie folgt: Da RS-485 nur 2 Drähte verbrauchen würde, würden in einem Ethernet-Kabel immer noch 4 Drähte verbleiben. Wäre es also möglich, diese verbleibenden Drähte zu verwenden, um sowohl die 5-V- als auch die 24-V-Spannungspegel bereitzustellen dass nur ein Kabel verwendet wird?

Ich frage das eher aus geräuschtechnischer Sicht. Das 24-V-Netzwerk verfügt über Motoren, die von PWM-Signalen angetrieben werden. Ich kann mir vorstellen, dass dies zu Rauschen führen könnte, die RS-485 würde ebenfalls dazu beitragen, und dann gibt es die 5 V für die Mikrocontroller und Sensoren. Aber auf der anderen Seite sollte der Punkt eines verdrillten Paares die Rauschunterdrückung sein. Wir sprechen von maximal 3 m Kabel.

Was sind die aktuellen Anforderungen an die Geräte?
Klingt plausibel, je nach Datenrate. Sie hätten jedoch eine begrenzte Leistungsfähigkeit. Ich habe gesehen, wie 24-V-Systeme damit davonkamen, alles in ein ungeschirmtes Kabel zu stecken, inmitten eines entsetzlichen Rauschens. 5 V scheinen besser lokal erzeugt zu werden
Das Datenblatt besagt, dass der Motor einen Nennstrombedarf von weniger oder gleich 2100 mA hat. Der Mikrocontroller ist ein einfacher PIC mit einigen Sensoren, also nicht viel.
Es wäre klüger, die Kabel zu trennen, um Übersprechen zu vermeiden
Wenn Sie überprüfen möchten, wie viel Übersprechen Sie erhalten, terminieren Sie beide Enden mit der angepassten Impedanz der verdrillten Doppelleitung und führen Sie dann eine PWM des Motors durch, um das Übersprechen mit zwei angepassten Sonden zu messen, die mit einer flachen Linie in AB auf einem DSO kalibriert sind. Auch bei 2 Kabeln werden Sie wahrscheinlich große geklemmte CM-Drosseln am Motorkabel benötigen.
Wir mischen Signale ('485, LVDS) und pulsierende Versorgungsspannungen immer im selben Kabel. Der Schlüssel zum Erfolg ist Isolation. Alle differentiellen Digitalsignale laufen über Twisted Shield Pair (TSP)-Drähte mit kontrollierter Impedanz. Die Stromversorgungsdrähte sind mit ihren Rückleitungen verdrillt und können (aber nicht immer) auch eine Abschirmung um sich herum haben. Es kann also gemacht werden, aber wie bei so vielen Dingen muss auf die Details geachtet werden. Dies sind auch kundenspezifische Kabel, die wir nach unseren eigenen Spezifikationen entwerfen und bauen lassen, keine Ethernet-Kabel von der Stange.

Antworten (1)

"...wäre es möglich...?" Absolut!
Ist es eine gute Idee? Vielleicht.

Sie haben einen guten Start, wenn Sie Gehirn und Muskeln separat antreiben. Aber Sie können immer noch ein gewisses induziertes Rauschen von einem zum anderen bekommen, teilweise weil die Drehungen nicht perfekt sind und sie nicht voneinander abgeschirmt sind .

@ Petes Kommentar ist auch eine gute Idee. Halten Sie die Netzteile immer noch getrennt, aber senden Sie:

  • Konstante 24V für die Motoren. (hat immer noch viel Stromwelligkeit, aber nicht viel Spannungswelligkeit wie eine bereits gesteuerte Leitung)
  • Vielleicht 9V für die MCUs. Ein lokaler Regler auf jeder Platine senkt diese 9 V auf 5 V, genau dort, wo sie benötigt werden.

Unter 9V würde ich nicht gehen. Viele Linearregler benötigen 2 V Headroom, nur um überhaupt zu funktionieren (mindestens 7 V für 5 V Ausgang; 6 V Eingang würden ~4 V Ausgang erzeugen, wenn der Regler in die Sättigung geht), und die zusätzlichen 2 V darüber ermöglichen ein gewisses rauschinduziertes "Wackeln".

Hilfreich sind auch lokale Kondensatoren auf beiden Seiten des Reglers. Sie übernehmen bei hohen Frequenzen, während der Regler eigentlich für DC und "DC-ähnliche" tiefe Frequenzen gedacht ist.

Wenn ein bestehender Standard für Sie von Wert ist, sollten Sie sich PoE ansehen. (Power over Ethernet) Es gibt zwei Varianten, die beide eine einzelne 48VDC-Versorgung und (normalerweise) ein Schaltnetzteil (DC-DC-Wandler) auf der Empfängerseite als Selbstverständlichkeit verwenden. Der Ausgang dieses Umschalters kann beliebig sein, einschließlich mehrerer Ausgänge mit unterschiedlichen Spannungen.

Die beiden Varianten sind einfach, auf welchen Drähten diese 48-V-Versorgung dargestellt wird:

  • Man verwendet die Datenleitungen für 10/100 Ethernet, so dass in diesem Kabel noch 2 unbenutzte Paare sind. Dies geschieht mit Transformatoren mit Mittelanzapfung an beiden Enden (möglicherweise in den Buchsen selbst vergraben): Ein Paar ist 0 V (Masse) und das andere Paar +48 V.
    Dies wird häufig von Switches und anderen Netzwerkgeräten verwendet, die ohnehin die Datenleitungen verwenden.
  • Der andere verwendet diese unbenutzten Paare. Wie zuvor hat ein Paar beide Drähte auf 0 V (Masse) und das andere Paar beide auf +48 V.
    Dies wird häufig von eigenständigen PoE-Injektoren verwendet, damit sie die Datenleitungen für 10/100 überhaupt nicht berühren müssen. (Gigabit verwendet sie alle, daher funktioniert dieser Grund dafür nicht mehr.)

Ein PoE-Gerät muss beide Variationen in jeder Polarität (4 Möglichkeiten) akzeptieren, um vollständig standardkonform zu sein, zusätzlich zu der Signalisierung, die eine standardkonforme Quelle benötigt, um die Stromversorgung an diesem Port zu ermöglichen. (damit Sie Ihren Laptop nicht in die Luft jagen, indem Sie ihn an einen PoE-Switch anschließen)

Die Injektorversion (Stromversorgung der unbenutzten Paare) würde mit allem funktionieren, was sonst nur 2 Paare benötigt. Beispielsweise RS485 in jede Richtung.
Die Switch-Version erfordert einen DC-Durchschnitt von 0 V auf den Kommunikationsleitungen, was Ethernet erfüllt, RS485 jedoch nicht. Sie könnten es trotzdem zum Laufen bringen, mit ein bisschen Füllen auf Protokollebene, oder es könnte "einfach funktionieren" mit spärlicher Kommunikation und einem Empfänger, der 0 V Differenz als Leerlauf interpretiert.

Nur noch eine letzte Sache, könnte ich auch einen 24V-> 5V-Spannungsregler verwenden und dann das 5V-Netzteil ganz loswerden?
@MarcellJuhász Theoretisch ja, aber Motorgeräusche neigen dazu, direkt durch einen Regler zu gehen. Vor allem, wenn Sie die Filterkappen drumherum sparen (oder weglassen!). Ein Schaltnetzteil hat wahrscheinlich schon genug, um sein eigenes Schaltrauschen zu bewältigen, ein Linearregler jedoch wahrscheinlich nicht. (Außerdem wäre ein linearer Regler schrecklich ineffizient, wenn er 24 V bis auf 5 V absenken würde. Stromeingang = Stromausgang, und nur die Spannung ändert sich. Dieser Leistungsunterschied geht als Wärme im Regler verloren.)
Das Durchdringen von Rauschen ist nur eine Funktion der begrenzten Reaktionszeit. Ein Linearregler ist im Wesentlichen ein automatischer Widerstand. Wenn er also aus irgendeinem Grund aufhören würde, sich anzupassen, würde die Ausgangsspannung stark von der Eingangsspannung und dem Ausgangsstrom beeinflusst, einschließlich des Rauschens, das sie haben. Es ist die ständige Anpassung, die die Dinge schön hält, aber das kann nur so schnell gehen. Switcher sind etwas komplizierter, aber sie enden immer noch mit einer ähnlichen Falle.
RS-485, 5 VDC und 24 VDC über ein einziges Ethernet-Kabel
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