平面變壓器在伺服控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

卜慶貴

摘要：伺服控制器普遍應(yīng)用于電機(jī)控制，自動(dòng)化工廠等，如打印機(jī)，機(jī)械裝置，家用電器。電機(jī)控制器通常由兩部分電源模塊組成：主電源和控制電源。主電源主要是串聯(lián)安全回路，能夠使電機(jī)正常工作;當(dāng)按下緊急制動(dòng)按鈕后，主電源會(huì)被安全控制回路切斷電源。由于平面變壓器的體積小、功耗低、占空比少的優(yōu)勢(shì)能夠代替伺服電機(jī)控制器中的獨(dú)立電源模塊，減少電源模塊的使用，降低控制器的成本，將會(huì)更多地應(yīng)用于未來(lái)的電機(jī)控制器中。本文主要介紹平面變壓器的特點(diǎn)及其應(yīng)用于伺服控制器中的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)平面變壓器在伺服控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：印制板式變壓器;伺服電機(jī)控制器;PCB設(shè)計(jì)

引言：任何電路需要正常工作，都要用電源提供能量。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，電源己成為一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)，而且年產(chǎn)值正在飛快增長(zhǎng)。電源是一種功率轉(zhuǎn)換裝置，電子設(shè)備工作所需的能量均由電源來(lái)提供，因此，它的電源效率和體積對(duì)整個(gè)電子產(chǎn)品具有非常重要的影響。通常的電源電路都要使用變壓器等磁性元件，而在電源電路的小型化設(shè)計(jì)中，難度最大的就是將變壓器體積縮小。因?yàn)榇判栽煌诎雽?dǎo)體器件，很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電路集成化，并且漏磁較高。在這種情況下，為了減小變壓器體積和重量，從而提出平面變壓器。文章主要針對(duì)平面變壓器在伺服控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方面進(jìn)行分析，希望能給相關(guān)人士提供相關(guān)的參考價(jià)值[1]。

1. 平面變壓器的結(jié)構(gòu)

平面變壓器是一種具有高頻，低造型，而具有很高工作頻率等特點(diǎn)的儀器。其采用小尺寸的E形和RM形。通常由環(huán)形鐵氧體磁芯，高頻功率鐵氧體材料制成，降低在高頻下磁芯損耗;平面變壓器線圈繞組是由折疊式銅箔、印制電路板上的印制銅線或堆積于磁性薄膜上的細(xì)銅線條所構(gòu)成，平面變壓器扁平的形狀以至于它可以做成一種“千層餅”式結(jié)構(gòu)，來(lái)縮小體積降低，來(lái)增大空間利用率，提高伺服電機(jī)控制器穩(wěn)定性。在電子行業(yè)快速發(fā)展的今天，平面變壓器具備交流阻抗和較低漏感的特性，同時(shí)，減少了在高頻率狀況下由集膚效應(yīng)產(chǎn)生的渦流損耗。因此，可以通過(guò)降低渦流損耗的方式來(lái)提高變壓器傳遞效率，降低電能損耗，增大輸出功率。同時(shí)也能避免減少濾波等干擾問(wèn)題的出現(xiàn)，并且為伺服電機(jī)控制器的小型化、輕便化提供了條件，擴(kuò)大了平面變壓器的應(yīng)用范圍。近些年來(lái)，隨著工藝技術(shù)的提高，平面磁芯開發(fā)成功，實(shí)現(xiàn)了平面化的變壓器設(shè)計(jì)。由于平面變壓器要求磁芯、繞組是平面結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)該使用平面PCB繞組，平面繞組通常只有數(shù)匝，不僅減少銅損和電感以及電容，而且使繞制更加便利化。多層印制板已經(jīng)廣泛應(yīng)用在平面變壓器中，它具有功率密度高、穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為平面變壓器的重要組成部分之一。

2. 平面變壓器主要優(yōu)點(diǎn)

由于平面變壓器可做成平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)隨著平面磁芯已經(jīng)開發(fā)成功并且面向市場(chǎng)，可以使變壓器縮小體積好幾倍，降低生產(chǎn)成本。第一，降低交叉損耗。平面變壓器體積小可以降低交叉損耗，由于原副線圈繞組接觸緊密，使其具有較高的耦合系數(shù)提高工作效率;第二，提高設(shè)備穩(wěn)定性。提高設(shè)備工作壽命，減少變壓器更換周期性，對(duì)設(shè)備運(yùn)行可靠性有很大幫助;第三，避免電磁干擾。傳統(tǒng)的變壓器，通常由銅線和有氧鐵芯繞制而成，并且體積較大，極易產(chǎn)生電磁干擾，平面變壓器可以有效的避免此類問(wèn)題出現(xiàn);第四，實(shí)現(xiàn)繞組一致性。由于傳統(tǒng)的變壓器不規(guī)則的繞組間隔和人工組裝的誤差都會(huì)導(dǎo)致變壓器性能產(chǎn)生較大的差異。而平面變壓器采用PCB板自動(dòng)生產(chǎn)線技術(shù)要比常規(guī)變壓器更容易實(shí)現(xiàn)繞組和機(jī)械加工，有利于提高平面變壓器繞組的一致性[2]。

3.平面變壓器應(yīng)用在伺服控制器設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

伺服控制器上下橋驅(qū)動(dòng)電路均需采用獨(dú)立的電源，一套控制器的電源將達(dá)到5個(gè)以上，現(xiàn)有獨(dú)立電源模塊價(jià)格極其昂貴。而平面PCB變壓器，可以通過(guò)穩(wěn)壓器、濾波電路，同時(shí)通過(guò)匝數(shù)比轉(zhuǎn)換將電壓輸出為伺服控制器所需電壓，并且平面變壓器可以實(shí)現(xiàn)一路輸入，多路電壓輸出的功能，從而達(dá)到變壓的作用。并且平面變壓器是將“繞組”做在印刷電路板上，其扁平的幾何形狀具有降低短路損耗和空載損耗，同時(shí)減小漏感、降低交流阻抗等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于平面變壓器具有較好的溫升特性，可以在一個(gè)較小的密閉空間里可以達(dá)到很高的功率密度。尤其是需要在交直電流相互轉(zhuǎn)換的電源模塊中，能夠降低變壓器對(duì)電能的損耗。

4.平面變壓器應(yīng)用在伺服控制器設(shè)計(jì)中的發(fā)展趨勢(shì)

由于平面變壓器制作成本低、應(yīng)用范圍廣、被廣泛應(yīng)用于PCB電機(jī)控制器中代替獨(dú)立電源模塊，這種小型PCB平面變壓電機(jī)控制器將成為機(jī)電一體化控制領(lǐng)域廣泛使用的新型控制器[3]。同時(shí)，隨著科技的發(fā)展步伐不斷加快，多層PCB生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的越來(lái)越成熟。多層板開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域取得的重大進(jìn)展，使平面變壓器在電機(jī)控制器應(yīng)用領(lǐng)域起著重要的作用。目前性價(jià)比高的多層平面變壓器已經(jīng)可以完全滿足控制器的工廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)要求，而且它的生產(chǎn)工藝更加成熟使得印刷電路線圈的生產(chǎn)成本也在逐年降低。在未來(lái)發(fā)展中伺服控制器主要將以下三個(gè)方面作為主要發(fā)展方向：第一，小型化。目前，由于電子行業(yè)的快速發(fā)展，許多新型半導(dǎo)體器件被伺服控制器采用，平面變壓器代替電源模塊，對(duì)減小伺服控制器體積，有很大的幫助。第二，數(shù)字化。新型的伺服控制器將采用微調(diào)整控制器和專用信號(hào)處理器（DSP）替換模擬電子器件為主的伺服控制單元，通過(guò)更改程序來(lái)改變控制功能來(lái)提高開發(fā)效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。第三，集成化。采用高性能的DSP芯片，同時(shí)由于現(xiàn)在集成電路的在控制器中的廣泛使用，提高了控制器的集成度，克服了傳統(tǒng)的控制器的不足，提高了控制器的可靠性和準(zhǔn)確性[4]。

結(jié)論：

簡(jiǎn)而言之，平面PCB變壓器，是將“繞組”做在印制電路板上，其扁平的幾何外形減小了體積，降低了渦流損耗，同時(shí)又具有減小漏感、交流阻抗等特點(diǎn)，同時(shí)可以做到很高的功率密度。如果將平面PCB變壓器應(yīng)用于伺服控制器的設(shè)計(jì)中，既增強(qiáng)電源模塊的可靠性，又將節(jié)約控制器的成本，且具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊宏強(qiáng).我國(guó)本土PCB企業(yè)與全球頂尖企業(yè)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀對(duì)比研究[J].科技管理研究，2017，31（11）：191-194.

[2]李建兵，林欣，龐學(xué)民.平面變壓器綜述[C].教育部中南地區(qū)高等學(xué)校電子電氣基礎(chǔ)課教學(xué)研究會(huì)第二十屆學(xué)術(shù)年會(huì)，2018.

[3]林風(fēng)，陸治國(guó).開關(guān)電源中平面變壓器技術(shù)[J].電氣應(yīng)用，2015（8）：1-2.

[4]耿笑炎.高功率密度平面變壓器[D].電子科技大學(xué)，2015.