在電池供電的物聯(lián)網(wǎng)系統中驅動(dòng)電機

許多電池供電系統和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應用程序（例如智能電表、智能衛生產(chǎn)品、可視門(mén)鈴、機器人玩具、個(gè)人衛生產(chǎn)品和電子鎖）都包含電機、螺線(xiàn)管或繼電器。電池和電機物理之間的相互作用產(chǎn)生了一些有趣的設計挑戰，例如隨著(zhù)電池電壓的變化可靠地運行系統、最小化待機功耗以延長(cháng)系統壽命以及在啟動(dòng)和停轉期間向電機提供大電流。

電池供電電機系統概述

電機驅動(dòng)器可用的電池電壓范圍取決于電池化學(xué)成分、放電深度、溫度、負載電流以及串聯(lián)或并聯(lián)的電池單元數量。雖然電池建模是一門(mén)復雜的科學(xué)，但讓我們從使用開(kāi)路電壓 (V OCV )、電池內部電阻 (R BAT ) 和電池端電壓 (V BAT )的簡(jiǎn)單電池模型開(kāi)始，如圖 1所示。

圖 1. 帶有電機驅動(dòng)器和電機的電池供電系統框圖。 

表 1顯示了各種電池化學(xué)成分的電池電壓范圍的一些示例。R BAT和V OCV是V BAT在電池壽命期間發(fā)生變化的關(guān)鍵因素。隨著(zhù)電池電量耗盡，V OCV降低，R BAT增加。當負載從電池汲取電流 (I BAT ) 時(shí)，V BAT會(huì )因 R BAT兩端的電壓降而降低。

*根據其他電池數據表參數計算得出的參數

表 1. 各種電池化學(xué)成分和疊層的近似電池參數。

圖 2顯示了整個(gè)電池壽命期間 V OCV、R BAT和 I BAT之間的關(guān)系。放電深度 (DoD) 表示電池壽命相對于以毫安小時(shí) (mAh) 給出的完整電池充電容量的百分比。100% DoD 代表完全放電的電池。

圖 2. 堿性(a)和鋰離子(b)電池在各種電池負載電流 (IBAT)下的 VBAT 和 RBAT 圖，基于 TI 化學(xué)識別數據庫中的數據。

為寬 V BAT 范圍設計

因為V BAT與國防部和我改變BAT，供給軌等級為電動(dòng)機驅動(dòng)器必須適應一定范圍的可能的電池電壓。例如，許多專(zhuān)為 24V 系統設計的電機驅動(dòng)器的最低電源軌為 4.5V。四節堿性電池串聯(lián)后，具有 4.5V 最低額定電源的電機驅動(dòng)器可能會(huì )在電池充滿(mǎn)之前使用欠壓鎖定來(lái)禁用自身流走。

德州儀器 (TI)的DRV8210和DRV8212是為電池供電應用設計的電機驅動(dòng)器示例，電源額定值為 1.65 V 至 11 V。這可適應兩節鋰電池組 (8.4 V) 或幾乎放電的兩節堿性電池組 (1.65 V)。

低功耗待機模式設計

電池供電系統的大部分工作壽命都處于待機狀態(tài)。例如，消費者每天可能只操作電動(dòng)百葉窗兩次，或者每天鎖定和解鎖電子鎖多達 20 次。燃氣表或水表上的閥門(mén)每年只能啟動(dòng)一次。為了在這些系統中實(shí)現較長(cháng)的電池壽命，整個(gè)系統的待機電流必須很低。

在系統外圍設備的電源軌上添加負載開(kāi)關(guān)是保持低待機電流的一種方法。另一種方法是使用針對電池應用優(yōu)化的低待機電流設備。DRV8210 和 DRV8212 的睡眠電流 <84.5 nA，有助于降低系統待機電流消耗。降低系統待機電流的其他方法是取消電阻分壓器，并在不工作時(shí)將帶有下拉電阻的器件邏輯引腳設置為 0 V。

管理大電流以降低能耗并延長(cháng)使用壽命

來(lái)自電機的大電流在電池系統中造成兩個(gè)問(wèn)題：它們無(wú)效率地使用能量，并且由于 R BAT上的電壓降，它們可能導致系統過(guò)早進(jìn)入低電池鎖定狀態(tài)。電機電流過(guò)大的原因主要有兩個(gè)：電機啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流和堵轉電流。圖 3顯示了這些電流的示例。

圖 3. 浪涌電流和失速電流。

通過(guò)增加脈寬調制占空比來(lái)實(shí)現電機的軟啟動(dòng)程序可以減輕電機啟動(dòng)期間的大浪涌電流。圖 4顯示了四節 AAA 電池耗盡堆棧的硬啟動(dòng)和軟啟動(dòng)實(shí)施示例。

在圖 4(a) 中，由于 R BAT上的電壓降，電機浪涌電流導致電池電壓在硬啟動(dòng)期間下降。如果該系統復位或進(jìn)入 3.5 V 左右的欠壓鎖定狀態(tài)，電機將無(wú)法在初始啟動(dòng)后繼續驅動(dòng)。

圖 4(b)顯示了使用軟啟動(dòng)如何導致電源軌上的壓降較低，這有助于在電池電量耗盡的系統中實(shí)現更長(cháng)的工作壽命。

圖4. 硬的（a）和軟啟動(dòng)（b）中在使用DRV8210系列四個(gè)耗盡AAA電池的浪涌電流。此處顯示的軟啟動(dòng)程序在電機啟動(dòng)期間將占空比從 0% 斜升至 100%。

為了幫助控制堵轉電流，添加一個(gè)電流檢測電阻器可以幫助微控制器檢測堵轉并在長(cháng)時(shí)間吸收大堵轉電流之前禁用電機驅動(dòng)器。失速情況可能是由于意外的機械阻塞或機械負載到達終點(diǎn)擋塊（例如智能鎖中的鎖舌完全啟動(dòng)）而發(fā)生的。

圖 5顯示了使用 DRV8212 的示例系統實(shí)現。微控制器的模數轉換器測量檢測電阻器電壓并將該電壓與存儲在固件中的閾值進(jìn)行比較。如果電流測量值在一定時(shí)間內超過(guò)閾值，微控制器將禁用電機驅動(dòng)器以節省功率。配置檢測失速的持續時(shí)間很重要，這樣浪涌電流就不會(huì )意外觸發(fā)失速檢測。

圖 5. 使用 DRV8212 的停頓檢測實(shí)施示例框圖。

圖 6顯示了在實(shí)施了堵轉檢測的堵轉條件下的電機電流曲線(xiàn)，而圖 3顯示了未進(jìn)行堵轉檢測的電機電流波形。

圖 6. 帶有堵轉檢測的電機電流曲線(xiàn)。

電池制造商以 mAh 為單位測量電池容量，因此限制浪涌電流的大小和堵轉電流的持續時(shí)間有助于延長(cháng)電池壽命。

由于有限的電池工作壽命、電池電壓變化和大電機電流，設計使用電機的電池供電系統可能具有挑戰性。使用額定為電池電壓范圍的電機驅動(dòng)器，通過(guò)消除額外的升壓轉換器并適應最小電池工作電壓來(lái)簡(jiǎn)化設計工作。

最小化整個(gè)系統待機電流并使用具有低功耗睡眠模式的電機驅動(dòng)器可減少從電池中消耗的能量。軟啟動(dòng)和失速檢測技術(shù)還可以通過(guò)減少系統中大電機電流的幅度和持續時(shí)間來(lái)幫助延長(cháng)電池應用的工作壽命。

通過(guò)使用這些技術(shù)，系統設計人員可以延長(cháng)電池供電系統的使用壽命，例如智能衛生產(chǎn)品、電動(dòng)百葉窗、電子智能鎖等。