在电池供电的物联网系统中驱动电机

许多电池供电系统和物联网 (IoT) 应用程序——例如智能仪表、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，例如在电池电压变化时可靠地运行系统，限度地减少待机功率以延长系统寿命，以及在启动和停止期间为电机提供大电流。

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的化学性质、放电深度、温度、负载电流以及串联或并联连接的电池单元数量。尽管电池建模是一门复杂的科学，但让我们从使用开路电压 (V OCV )、电池内阻 (R BAT ) 和电池端电压 (V BAT ) 的简单电池模型开始，如图1所示。

 

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组成的电池电压范围的一些示例。

 

电池化学和叠层	充满电的电池的V BAT	耗尽电池的V BAT	蝙蝠侠_	容量
2 AA（碱性），金霸王 OP1500	1.7 伏/电池 总计 3.4 V	0.8 伏/电池 总计 1.6 V	100-250 mΩ/电池 总计 200-500 mΩ	2,400 毫安时*
3 AAA（碱性），松下 LR03AD	1.55 伏/电池 总计 4.65 V	0.8 伏/电池 总计 2.4 V	135 mΩ/电池（平均） 总计 405 mΩ（平均）	2,640 毫安时
4 AA（碱性），劲量 E91	1.5 伏/电池 6 伏/电池	0.8 伏/电池 总计 3.2 V	150-300 mΩ/cell（新鲜） 总计 600-1200 mΩ（新鲜）	2,500 毫安时*
1 锂离子电池，松下 NCR18650BF	4.2伏	2.5伏	77 毫欧*	3,200 毫安时
2 锂聚合物，Farnell SR674361P	4.2 伏/电池 总计 8.4 V	2.75 伏/电池 总计 5.5 V	160 mΩ/电池 总计 320 mΩ	2,000 毫安时

*根据其他电池数据表参数计算的参数表 1. 各种电池化学成分和叠层的近似电池参数。

 

R BAT和 V OCV是 V BAT在电池寿命期间变化的关键因素。随着电池电量耗尽，V OCV降低，而 R BAT增加。当负载从电池汲取电流 (I BAT ) 时，V BAT由于 R BAT上的压降而降低。

图 2显示了电池寿命期间V OCV、R BAT和 I BAT之间的关系。

 

图 2.基于 TI 化学识别数据库的数据， 碱性(a)和锂离子(b)电池在各种电池负载电流 (IBAT) 下的 VBAT 和 RBAT 图。

 

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 表示电池完全放电。

 

针对宽 V BAT 范围的设计

由于 V BAT随 DoD 和 I BAT变化，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，许多为 24V 系统设计的电机驱动器的电源轨为 4.5V。当四个碱性电池串联时，具有 4.5V 电源额定值的电机驱动器可能会在电池完全充满之前使用欠压锁定来禁用自身流走。

Texas Instruments (TI) 的DRV8210和DRV8212是专为电池供电应用设计的电机驱动器示例，电源额定值为 1.65 V 至 11 V。这可容纳两节锂电池组的电压 (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，消费者可能每天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。煤气表或水表上的阀门每年只能启动。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 的睡眠电流小于 84.5 nA，有助于降低系统待机电流消耗。降低系统待机电流的其他方法是消除电阻分压器，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产生两个问题：它们无效率地使用能量，并且由于 R BAT上的电压降，它们会导致系统过早进入低电量锁定状态。电机电流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显示了这些电流的示例。

 

图 3. 浪涌电流和失速电流。

 

通过斜升脉宽调制占空比为电机实施软启动例程可以减轻电机启动期间的大浪涌电流。图 4显示了四节 AAA 电池耗尽的硬启动和软启动实施示例。

在图 4(a)中，由于 R BAT上的压降，电机浪涌电流导致电池电压在硬启动期间下降。如果该系统重置或进入 3.5 V 左右的欠压锁定状态，则电机将无法驱动超过初始启动。

图 4(b)显示了使用软启动如何降低电源轨上的压降，这有助于在电池电量耗尽的情况下延长系统的工作寿命。

 

图 4. 使用 DRV8210 的四个串联耗尽 AAA 电池的硬启动(a)和软启动(b)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%。

 

为了帮助控制失速电流，添加一个电流检测电阻器可以帮助微控制器检测失速并在长时间吸收大失速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点停止（例如智能锁中的死栓完全启动）。

图 5显示了使用 DRV8212 的示例系统实现。

 

图 5. 使用 DRV8212 实现失速检测的示例框图。

 

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电力。配置检测失速的持续时间非常重要，这样浪涌电流就不会意外触发失速检测。

图 6显示了在实现失速检测的失速条件下的电机电流曲线，而图 3显示了没有失速检测的电机电流波形。

 

图 6. 带失速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失速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。使用额定用于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电池工作电压，从而简化设计工作。

限度地减少整个系统的待机电流并使用具有低功耗睡眠模式的电机驱动器可以减少电池消耗的能量浪费。软启动和失速检测技术还可以通过降低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。