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可靠而高效的工业PCB连接,如何轻松实现?

作者: 时间:2023-09-04 来源:Mouser 收藏

让机器代替人去工作,是人类社会发展的一个主旋律,围绕这个愿景的努力和尝试从未停止。到了20世纪后半期,人们又在工业制造中引入了“自动化”的概念,也就是采用各种技术、方法和工具,尽可能减少生产流程中的人为干预,使得整个流程更加高效、快速和无差错,从此人类正式走入了工业自动化时代。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202309/450201.htm

进入21世纪,人类在工业自动化的基础上又向前迈了一大步。工业4.0的概念被提出,其主旨就是通过各种信息化的技术推动工业的数字化转型,释放出蕴藏在数据中的巨大潜能,引领工业制造进入智能化时代。

不过,无论工业自动化如何演变,在生产制造的现场,各种分析、决策和控制的最终落脚点,主要还是在电机这个执行部件的驱动上——让电机根据控制指令及时、准确地动作,是不可或缺的关键一环。变频器和伺服驱动器就是工业自动化中完成电机驱动很常见的设备。

电机驱动方案的连接挑战

变频器的工作原理是先将工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源,通过改变这个交流电源的频率实现电机速度调节。变频器通常由整流单元、中间电路、逆变器和控制器四部分组成,适用于变频电机、普通交流电机的驱动。

伺服驱动器是一种更加复杂和精准的电机驱动设备,它是在开环控制的交直流电机的基础上,将通过旋转编码器、旋转变压器等获取的速度和位置信号反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制,再加上驱动器内部的电流闭环调节,使得输出的位置、方位、状态等被控量,能够跟随输入目标(如位移或转角)的变化而自动调控,形成一个能够实现动态平衡的随动系统。

变频器和伺服驱动器两者的技术架构和特性,决定了它们适用于不同的应用场景。一般来讲,变频器系统相对简单,成本较低,功率更高,适合在对速度和力矩控制要求不是很高的场景中使用;而伺服驱动器具有高精度、高性能、高响应的特点,在有严格位置控制要求的场景中更适用。

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图1:变频器(左)和伺服驱动器(右)

(图源:Phoenix Contact)

虽然技术特点和应用场景不尽相同,但是在工业自动化发展的大潮中,变频器和伺服驱动器等电机驱动设备面临的挑战却有很多相同之处,其中一个非常值得关注的课题就是连接性设计上的挑战。

一方面,随着工业设备智能化水平的提升,需要越来越多地接入相关的传感、控制信号和数据,以及供电电源,因此外部端口的设计会更复杂;另一方面,随着设备功能的增加,工业设备内部架构也会变得越发复杂,内部不同组件、模块和之间的互连性设计难度也会加大。

而且所有这些互连方案的设计,还必须要满足小型化以及工业应用特有的可靠性要求。此外,值得注意的是,工业连接设计还需要考虑到现场装配和维修等工作的要求,尽可能简化连接过程,让连接操作更简便、更高效。

所有这些设计挑战,转化为对变频器和伺服驱动器PCB连接设计的要求,可以概括为以下四个要点:

1. 具有可靠的电气连接特性

2. 适应空间紧凑的应用要求

3. 支持简便高效的配接操作

4. 提供灵活多样的可扩展性

好消息是,Phoenix Contact全系列工业PCB连接产品,就是为满足上述这些要求而设计的,无论是外接端口还是内部连接,开发者都可以从中找到理想的解决方案!下文就为大家推介其中三款代表性的产品,相信它们可靠而高效的连接特性,一定会令你过目不忘。

PTS和PTSA PCB接线端子

PCB接线端子的作用,就是将线缆可靠地连接到PCB上。在很多人眼里,这是一个结构相对简单的互连组件,但想要设计出一款满足工业应用要求的PCB接线端子,还是要费一些心思。

以Phoenix Contact的PTS和PTSA PCB接线端子为例,为了实现更高效的快速接线,其采用了直插式技术,组装时无需使用工具,按入式弹簧连接技术能够在快速连接的同时确保互连的可靠性。与标准螺钉端接和实心导线插件选项相比,这种接线端子的接线速度更快,配接操作十分简便。此外,PTS和PTSA PCB接线端子还设有水平电线连接和集成测试点,可快速识别连接正确性,为用户实际操作提供便利。

在设计灵活性和可扩展性方面,PTS和PTSA PCB接线端子也有非常全面的考量。比如这些产品系列提供2至24位的型号可选;具有2.5、3.5、5和7mm脚距,额定电流范围从2A至12A,额定电压从160V至320V;同时,还可提供不同的安装角度选项,包括45°、直角、直式、水平和垂直产品,可以满足多样化的设计要求。而且,由于这些PCB接线端子作为单片组装,因此可轻松定制极数或色编码,满足用户个性化的设计要求。

可见。PTS和PTSA PCB接线端子身上体现出的易用性和灵活性,可以满足广泛工业PCB连接场景中高效连接的要求,在变频器和伺服驱动器这两种设备中应用再合适不过了。

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图2:PTS和PTSA PCB接线端子

(图源:Phoenix Contact)

COMBICON control接线端子

从名称就能够看出,COMBICON control是面向测量和控制应用的PCB接线端子产品,其包括固定式和插拔式两种类型,前者适用于直接PCB连线,后者则可与插入式连接器适配,提供水平、垂直或倾斜等不同方向的快速连接。

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图3:COMBICON control接线端子

(图源:Phoenix Contact)

简单易用、可靠而高效——这是COMBICON control接线端子非常突出的特点。为了达到这个设计目标,COMBICON control接线端子采用了螺钉、推入式弹簧、刺破式和压接等不同的连接方式,这些连接方案各具特色,能够满足不同应用的特定要求,而且它们都可以在确保可靠的电气连接的同时,大大简化配接的操作过程,树立了行业标杆。

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图4:COMBICON control接线端子采用多样的连接方式(图源:Phoenix Contact)

此外,COMBICON control接线端子中还包括经过防爆认证的产品,这些产品已通过IEC/EN 60079-0 和IEC/EN 60079-7标准的认证,对于那些工作于有潜在爆炸性风险环境的设备,此类PCB接线端子显然是不二之选。

MKKDS系列固定式接线端子是COMBICON control中的一个代表性产品,其采用双排设计,接线密度高;且由于层间相互错开,因此很便于接线操作。该产品提供3.5mm和5mm的针距,外形紧凑,螺钉接线的方式能够确保线缆的稳固连接,因此十分适合于变频器控制电路接口等相关产品的设计。

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图5:MKKDS系列固定式接线端子

(图源:Phoenix Contact)

在COMBICON control可插拔连接器方面,DFMC系列是值得推荐的产品。该连接器是2.54mm和3.5mm针距的双排超薄连接器,外形小巧;其采用弹簧接线的方式,提供可选的螺顶法兰和锁放杆,锁放杆松开时可起到助推作用,兼顾了连接的稳固性和便利性,适用于伺服驱动器控制电路接口等应用场景。

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图6:DFMC系列可插拔连接器

(图源:Phoenix Contact)

拥有优异的特性,再加上丰富的产品组合,以及与波峰焊等自动化生产工艺兼容,COMBICON control接线端子在工业自动化设备的PCB连接中总是扮演着重要的角色。

无处不在的数据连接

随着工业自动化对于数据的依赖越来越多,提供可靠数据传输的连接器和通信接口在变频器和伺服驱动器中的应用也日趋广泛。

板对板连接器是实现高密度的PCB互连、实现更紧凑设计的重要技术路径。针对工业设备内部PCB连接,Phoenix Contact的FINEPITCH板对板连接器提供了一个理想的解决方案。该连接器系列提供从0.635mm到2.54mm各种脚距的产品,可满足多种设计、堆叠高度和位数等个性化PCB布局的需求,产品也可支持夹层、共面以及母板与子卡的连接,为设计提供极大的灵活性。

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图7:FINEPITCH板对板连接器

(图源:Phoenix Contact)

以FINEPITCH 0.8mm板对板连接器(FP 0,8系列)为例,为了实现可靠而高效的连接,其进行了一系列的设计优化。

●  首先,FP 0,8系列板对板连接器采用了创新的ScaleX技术,其双触头设计支持长达1.5mm的可变插配长度,可确保连接的可靠稳固。

●  其次,该板对板连接器可提供高公差补偿,良好壳体结构可以有效地保护触头,这为配接操作带来很大的便利性。

●  再有,FP 0,8系列所提供的屏蔽型产品,采用特有的封闭屏蔽概念,实现了出色的电磁兼容(EMC)保护以及优异的信号完整性,这使得其支持的数据传输速率高达52Gbps。

●  最后,FP 0,8系列板对板连接器产品组合丰富,具有多种位数、6到18mm堆叠高度,以及屏蔽型和非屏蔽型不同类型的产品,可以为设计带来极大的自由度。

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图8:FP 0,8系列板对板连接器采用创新的ScaleX技术(图源:Phoenix Contact)

总之,FINEPITCH系列板对板连接器具有出色的灵活性,能够在较小空间内实现信号和数据传输,非常适用于变频器和伺服驱动器这类工业PCB设备的内部连接,满足其小型化、多功能的设计要求。

在通信接口上,Phoenix Contact也有非常丰富的产品。如支持工业以太网连接的工业级RJ45连接器,Phoenix Contact就可以提供全系列的产品,设备端、现场端、预制电缆各类产品一应俱全,这些产品包括不同的配置,比如90°和180°的配接方向、单口和多端口的插座、支持五种出线方向等。而且Phoenix Contact的RJ45连接器均满足波峰焊 / SMD / THR工艺要求,支持自动化量产的要求。

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图9:Phoenix Contact的RJ45连接器

(图源:Phoenix Contact)

Phoenix Contact的D-SUB连接器适用于变频器编码器接口等信号的互连,包括针式和孔式,以及9 / 15 / 25 / 44等信号接口,也提供电源+信号得混合型接口,产品种类十分齐全。这些D-SUB连接器组装简便,与IP67插头壳体和面板安装框架配合使用,能够满足工业应用中更严格的密封性要求。

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图10:Phoenix Contact的D-SUB连接器

(图源:Phoenix Contact)

本文小结

工业自动化的发展,对变频器和伺服驱动器等工业设备中的PCB连接提出了新的挑战,可靠而高效的PCB连接解决方案成为开发者追求的目标。

Phoenix Contact面向工业应用的丰富的互连产品组合——包括PCB接线端子、插入式连接器、板对板连接器,以及RJ45和D-SUB连接器等——能够很好地契合这一设计要求,助力开发者快速打造出理想的解决方案。



关键词: Mouser PCB

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