电池供电物联网系统中的驱动电机

学习电机驱动器设计技术，以帮助延长电池供电电机系统的电池寿命。

许多电池供电系统和物联网 (IoT) 应用程序（例如智能电表、智能卫生产品、可视门铃、机器人玩具、个人卫生产品和电子锁）都包含电机、螺线管或继电器。电池和电机物理之间的相互作用产生了一些有趣的设计挑战，例如随着电池电压的变化可靠地运行系统、最小化待机功率以延长系统寿命以及在启动和停转期间向电机提供大电流。

在本文中，我将提供一些技巧来帮助克服这些设计挑战。

电池供电电机系统概述

电机驱动器可用的电池电压范围取决于电池化学成分、放电深度、温度、负载电流以及串联或并联的电池单元数量。虽然电池建模是一门复杂的科学，但让我们从使用开路电压 (VOCV)、电池内阻 (RBAT) 和电池端电压 (VBAT) 的简单电池模型开始，如图 图 1 .

图 1. 带有电机驱动器和电机的电池供电系统框图。

表 1 显示了各种电池化学成分的电池电压范围的一些示例。

*根据其他电池数据表参数计算得出的参数

表 1。 各种电池化学成分和叠层的近似电池参数。

RBAT 和 VOCV 是 VBAT 在电池寿命期间发生变化的关键因素。随着电池电量耗尽，VOCV 会降低，而 RBAT 会增加。当负载从电池 (IBAT) 汲取电流时，由于 RBAT 两端的电压降，VBAT 下降。

图 2 显示了整个电池寿命中 VOCV、RBAT 和 IBAT 之间的关系。

图 2. VBAT 和 RBAT 的碱性曲线 (a) 和锂离子(b) 根据 TI 化学鉴定数据库中的数据，针对各种电池负载电流 (IBAT) 设计电池。

放电深度 (DoD) 表示电池寿命相对于以毫安小时 (mAh) 给出的完整电池充电容量的百分比。 100% DoD 代表完全放电的电池。

针对宽 VBAT 范围进行设计

由于 VBAT 随 DoD 和 IBAT 变化，因此电机驱动器的电源轨额定值必须适应一系列可能的电池电压。例如，许多专为 24V 系统设计的电机驱动器的最低电源轨为 4.5V。四节碱性电池串联后，具有 4.5V 最低额定电源的电机驱动器可能会在电池充满之前使用欠压锁定来禁用自身排水。

德州仪器 (TI) 的 DRV8210 和 DRV8212 是为电池供电应用而设计的电机驱动器示例，电源额定值为 1.65 V 至 11 V。这适用于两节锂电池组 (8.4 V) 或几乎放电的两节碱性电池组（1.65 V）。

低功耗待机模式设计

电池供电系统的大部分工作寿命都处于待机状态。例如，消费者每天可能只操作电动百叶窗两次，或者每天锁定和解锁电子锁多达 20 次。燃气表或水表上的阀门每年只能启动一次。为了在这些系统中实现较长的电池寿命，整个系统的待机电流必须很低。

在系统外围设备的电源轨上添加负载开关是保持低待机电流的一种方法。另一种方法是使用针对电池应用优化的低待机电流设备。 DRV8210 和 DRV8212 的睡眠电流 <84.5 nA，有助于降低系统待机电流消耗。其他降低系统待机电流的方法是取消电阻分压器，并在不工作时将带有下拉电阻的器件逻辑引脚设置为 0 V。

管理大电流以降低能耗并延长使用寿命

来自电机的大电流会在电池系统中造成两个问题：它们无法有效地使用能量，并且由于 RBAT 上的电压降，它们可能导致系统过早进入低电池锁定状态。电机电流过大的原因主要有两个：电机启动时的浪涌电流和堵转电流。 图 3 显示了这些电流的一个例子。

图 3。 浪涌电流和失速电流。

通过增加脉宽调制占空比为电机实施软启动程序，可以减轻电机启动期间的大浪涌电流。 图 4 显示了四节 AAA 电池耗尽堆栈的硬启动和软启动实施示例。

在图 4(a) ，由于 RBAT 上的电压降，电机浪涌电流导致电池电压在硬启动期间下降。如果该系统复位或进入 3.5 V 左右的欠压锁定状态，电机将无法在初始启动后继续驱动。

图 4(b) 展示了使用软启动如何降低电源轨上的压降，这有助于延长电池电量耗尽的系统的工作寿命。

图 4。 硬-(a) 和软启动(b) 使用 DRV8210 串联四节耗尽的 AAA 电池上的浪涌电流。此处显示的软启动例程在电机启动期间将占空比从 0% 斜升至 100%。

为了帮助控制堵转电流，添加一个电流检测电阻器可以帮助微控制器检测堵转并在长时间吸收大堵转电流之前禁用电机驱动器。失速情况可能是由于意外的机械阻塞或机械负载到达终端挡块（例如智能锁中的锁舌完全启动）而发生的。

图 5 显示了使用 DRV8212 的示例系统实现。

图 5。 使用 DRV8212 实现停顿检测的示例框图。

微控制器的模数转换器测量检测电阻器电压并将该电压与存储在固件中的阈值进行比较。如果电流测量值在一定时间内超过阈值，微控制器将禁用电机驱动器以节省功率。配置检测失速的持续时间很重要，这样浪涌电流就不会意外触发失速检测。

图 6 显示了在实施了失速检测的失速条件下的电机电流曲线，而图 3 显示无堵转检测的电机电流波形。

图 6. 带堵转检测的电机电流曲线。

电池制造商以 mAh 为单位测量电池容量，因此限制浪涌电流的大小和堵转电流的持续时间有助于延长电池寿命。

结论

由于有限的电池工作寿命、电池电压变化和大电机电流，设计使用电机的电池供电系统可能具有挑战性。使用额定电压范围为电池电压范围的电机驱动器，可以消除额外的升压转换器并适应最低电池工作电压，从而简化设计工作。

最大限度地降低整个系统待机电流并使用具有低功耗睡眠模式的电机驱动器可减少从电池中消耗的能量。软启动和堵转检测技术还可以通过减少系统中大电机电流的幅度和持续时间来帮助延长电池应用的使用寿命。

通过使用这些技术，系统设计人员可以延长电池供电系统的使用寿命，例如智能卫生产品、电动百叶窗、电子智能锁等。

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