平面变压器在伺服控制器设计中的应用

卜庆贵

摘要：伺服控制器普遍应用于电机控制，自动化工厂等，如打印机，机械装置，家用电器。电机控制器通常由两部分电源模块组成：主电源和控制电源。主电源主要是串联安全回路，能够使电机正常工作;当按下紧急制动按钮后，主电源会被安全控制回路切断电源。由于平面变压器的体积小、功耗低、占空比少的优势能够代替伺服电机控制器中的独立电源模块，减少电源模块的使用，降低控制器的成本，将会更多地应用于未来的电机控制器中。本文主要介绍平面变压器的特点及其应用于伺服控制器中的优势，并对平面变压器在伺服控制器设计中的应用前景进行阐述。

关键词：印制板式变压器;伺服电机控制器;PCB设计

引言：任何电路需要正常工作，都要用电源提供能量。进入21世纪以来，电源己成为一项相对独立的产业，而且年产值正在飞快增长。电源是一种功率转换装置，电子设备工作所需的能量均由电源来提供，因此，它的电源效率和体积对整个电子产品具有非常重要的影响。通常的电源电路都要使用变压器等磁性元件，而在电源电路的小型化设计中，难度最大的就是将变压器体积缩小。因为磁性元件不同于半导体器件，很难实现大规模电路集成化，并且漏磁较高。在这种情况下，为了减小变压器体积和重量，从而提出平面变压器。文章主要针对平面变压器在伺服控制器设计中的应用方面进行分析，希望能给相关人士提供相关的参考价值[1]。

1. 平面变压器的结构

平面变压器是一种具有高频，低造型，而具有很高工作频率等特点的仪器。其采用小尺寸的E形和RM形。通常由环形铁氧体磁芯，高频功率铁氧体材料制成，降低在高频下磁芯损耗;平面变压器线圈绕组是由折叠式铜箔、印制电路板上的印制铜线或堆积于磁性薄膜上的细铜线条所构成，平面变压器扁平的形状以至于它可以做成一种“千层饼”式结构，来缩小体积降低，来增大空间利用率，提高伺服电机控制器稳定性。在电子行业快速发展的今天，平面变压器具备交流阻抗和较低漏感的特性，同时，减少了在高频率状况下由集肤效应产生的涡流损耗。因此，可以通过降低涡流损耗的方式来提高变压器传递效率，降低电能损耗，增大输出功率。同时也能避免减少滤波等干扰问题的出现，并且为伺服电机控制器的小型化、轻便化提供了条件，扩大了平面变压器的应用范围。近些年来，随着工艺技术的提高，平面磁芯开发成功，实现了平面化的变压器设计。由于平面变压器要求磁芯、绕组是平面结构，所以应该使用平面PCB绕组，平面绕组通常只有数匝，不仅减少铜损和电感以及电容，而且使绕制更加便利化。多层印制板已经广泛应用在平面变压器中，它具有功率密度高、稳定性好、体积小等优点，现已成为平面变压器的重要组成部分之一。

2. 平面变压器主要优点

由于平面变压器可做成平面结构，同时随着平面磁芯已经开发成功并且面向市场，可以使变压器缩小体积好几倍，降低生产成本。第一，降低交叉损耗。平面变压器体积小可以降低交叉损耗，由于原副线圈绕组接触紧密，使其具有较高的耦合系数提高工作效率;第二，提高设备稳定性。提高设备工作寿命，减少变压器更换周期性，对设备运行可靠性有很大帮助;第三，避免電磁干扰。传统的变压器，通常由铜线和有氧铁芯绕制而成，并且体积较大，极易产生电磁干扰，平面变压器可以有效的避免此类问题出现;第四，实现绕组一致性。由于传统的变压器不规则的绕组间隔和人工组装的误差都会导致变压器性能产生较大的差异。而平面变压器采用PCB板自动生产线技术要比常规变压器更容易实现绕组和机械加工，有利于提高平面变压器绕组的一致性[2]。

3.平面变压器应用在伺服控制器设计中的优势

伺服控制器上下桥驱动电路均需采用独立的电源，一套控制器的电源将达到5个以上，现有独立电源模块价格极其昂贵。而平面PCB变压器，可以通过稳压器、滤波电路，同时通过匝数比转换将电压输出为伺服控制器所需电压，并且平面变压器可以实现一路输入，多路电压输出的功能，从而达到变压的作用。并且平面变压器是将“绕组”做在印刷电路板上，其扁平的几何形状具有降低短路损耗和空载损耗，同时减小漏感、降低交流阻抗等优点。同时由于平面变压器具有较好的温升特性，可以在一个较小的密闭空间里可以达到很高的功率密度。尤其是需要在交直电流相互转换的电源模块中，能够降低变压器对电能的损耗。

4.平面变压器应用在伺服控制器设计中的发展趋势

由于平面变压器制作成本低、应用范围广、被广泛应用于PCB电机控制器中代替独立电源模块，这种小型PCB平面变压电机控制器将成为机电一体化控制领域广泛使用的新型控制器[3]。同时，随着科技的发展步伐不断加快，多层PCB生产技术发展的越来越成熟。多层板开发技术领域取得的重大进展，使平面变压器在电机控制器应用领域起着重要的作用。目前性价比高的多层平面变压器已经可以完全满足控制器的工厂设计生产要求，而且它的生产工艺更加成熟使得印刷电路线圈的生产成本也在逐年降低。在未来发展中伺服控制器主要将以下三个方面作为主要发展方向：第一，小型化。目前，由于电子行业的快速发展，许多新型半导体器件被伺服控制器采用，平面变压器代替电源模块，对减小伺服控制器体积，有很大的帮助。第二，数字化。新型的伺服控制器将采用微调整控制器和专用信号处理器（DSP）替换模拟电子器件为主的伺服控制单元，通过更改程序来改变控制功能来提高开发效率，缩短产品开发周期。第三，集成化。采用高性能的DSP芯片，同时由于现在集成电路的在控制器中的广泛使用，提高了控制器的集成度，克服了传统的控制器的不足，提高了控制器的可靠性和准确性[4]。

结论：

简而言之，平面PCB变压器，是将“绕组”做在印制电路板上，其扁平的几何外形减小了体积，降低了涡流损耗，同时又具有减小漏感、交流阻抗等特点，同时可以做到很高的功率密度。如果将平面PCB变压器应用于伺服控制器的设计中，既增强电源模块的可靠性，又将节约控制器的成本，且具有可观的经济效益。

参考文献：

[1]杨宏强.我国本土PCB企业与全球顶尖企业运营现状对比研究[J].科技管理研究，2017，31（11）：191-194.

[2]李建兵，林欣，庞学民.平面变压器综述[C].教育部中南地区高等学校电子电气基础课教学研究会第二十届学术年会，2018.

[3]林风，陆治国.开关电源中平面变压器技术[J].电气应用，2015（8）：1-2.

[4]耿笑炎.高功率密度平面变压器[D].电子科技大学，2015.