低壓電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

物聯(lián)網(wǎng)和手持式設(shè)備依賴(lài)于執(zhí)行器，盡管其能量有限——通常是電池。出于成本和可靠性的因素，這些電池最好是數(shù)量低，電壓范圍為一般為2.4V-4.3V，無(wú)論是用于安全、家庭自動(dòng)化、醫(yī)療，還是電池供電的POS設(shè)備.這些設(shè)備中的執(zhí)行器通常是短時(shí)工作，比如當(dāng)需要調(diào)節(jié)閥門(mén)的時(shí)候，處理藥劑或移動(dòng)鏡頭的時(shí)候。有限的電源限制了峰值功率和長(zhǎng)期的能源消耗 。因此，能源效率即使是在低占空比的情況下也是至關(guān)重要的。

本文主要介紹了驅(qū)動(dòng)具有局部能源的步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)的各個(gè)方面，如單個(gè)鋰離子電池或兩節(jié)/三節(jié)AA電池。測(cè)量顯示了電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組合的局限性和提供性能數(shù)據(jù) 將具有升壓調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與具有電機(jī)線(xiàn)圈操控的解決方案進(jìn)行了比較。

引言

盡管能源供應(yīng)有限，但越來(lái)越多的手持設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用依賴(lài)于執(zhí)行器。雖然更大的電池有一些好處，但設(shè)備制造商在成本、可靠性、尺寸和重量、使用壽命、安全和回收利用等方面更青睞那些具有低電池?cái)?shù)量的電池。無(wú)論是家庭自動(dòng)化、安全、醫(yī)療還是手持POS設(shè)備，電壓范圍為2.4V-4.3V的電池似乎是首選的電源。

然而，這些電池具有一定的特性，不僅給電機(jī)本身，而且給與電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的設(shè)計(jì)和技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。這就給電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制提出了一個(gè)問(wèn)題：如何有效地控制步進(jìn)或直流電機(jī)?

電源

電源是便攜式設(shè)備的中心部件，它不僅關(guān)乎電力能力的相關(guān)部分，而且包括成本和重量。此外還關(guān)乎到產(chǎn)品形式、可持續(xù)性、運(yùn)行時(shí)間和服務(wù)/充電間隔、整體使用壽命、安全和回收利用選項(xiàng)都很重要。畢竟，其中的幾個(gè)方面決定了用戶(hù)體驗(yàn)。應(yīng)考慮的電源是可充電電池(鋰離子/鋰離子電池、鎳氫電池)或堿性電池此外，還可以考慮可充電電池的組合，用于在明亮環(huán)境中使用的設(shè)備的太陽(yáng)能、珀耳帖元件或可以考慮與超級(jí)電容器組合。

A. 優(yōu)化目標(biāo)

較低的整體功率消耗要么對(duì)所需的儲(chǔ)能大小產(chǎn)生積極影響，要么有助于增加使用壽命或使用間隔。根據(jù)設(shè)備的占空比，總功耗由運(yùn)行階段及其占空比以及備用電流抽取和所需的備用壽命決定。能源還必須能夠?yàn)檫\(yùn)行提供瞬時(shí)峰值功率。這尤其成為高電阻源的一個(gè)問(wèn)題，如部分使用的不可充電的AA電池。

此外，低電源電壓操作使電路更簡(jiǎn)單，例如通過(guò)減少所需的電池單元數(shù)量和簡(jiǎn)化充電。待機(jī)VS 脈沖負(fù)載的例子: 每 100μA待機(jī)電流一年的消耗將達(dá)到 0.1mA*24h*365=876mAh . 對(duì)于脈沖負(fù)載, 500mA工作電流每天工作10秒一年的消耗量為 500mA*365*10/3600= 507mAh。這個(gè)例子表明在低工作占空比的應(yīng)用中待機(jī)電流是一個(gè)比較大的因素備用電源通常會(huì)結(jié)合電源集成電路一起使用，以節(jié)省一個(gè)額外的(半導(dǎo)體)開(kāi)關(guān)，它能夠完全中斷電源。一個(gè)額外的開(kāi)關(guān)并不貴，但當(dāng)全負(fù)荷電流通過(guò)開(kāi)關(guān)時(shí)，它可能會(huì)浪費(fèi)大量的能量。

B. 電池特性

通過(guò)測(cè)量，確定了不同類(lèi)型電池的特性?？紤]到堿性電池“接近耗盡”的類(lèi)別是很困難的，因?yàn)樵陔妷阂呀?jīng)相當(dāng)?shù)汀?a target="_blank">電阻已經(jīng)很高的地區(qū)，它們的相關(guān)能量仍然可用。電池可用的峰值功率受到電源內(nèi)部電阻的限制， 例如考慮AA電池，或受保護(hù)的鋰離子電池的安全電路。具有較高的電阻源，最大的可用電源是在剩余電量一半的時(shí)候， 如1.5V電池在 0.75V 的時(shí)候. 用這種方式利用電池在短暫的短時(shí)間內(nèi)是有意義的，因?yàn)橐话氲碾娏速M(fèi)在電池內(nèi)部。這種方法可以降到一個(gè)空的水平。

當(dāng)考慮直接操作微控制器和來(lái)自電池的其他電路時(shí)，3.3V的微控制器的電壓約為3.0V，1.8V的電壓約為2V。這必須考慮，以避免微控制器在峰值負(fù)載條件重置一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)“接近空”、不可充電的雙AA電池在2V時(shí)的電量相當(dāng)有限，不到目前可用的峰值電量的一半?！敖铡半pAA堿性”的峰值功率在“接近空”和剩余2.61V的狀態(tài)下，雙AA堿性仍然是2.06W，同時(shí)允許電壓降到剩余電壓的一半，而不是0.74W，同時(shí)允許電壓降到不小于2V。

【TABLE I. 不同電池類(lèi)型的特點(diǎn)】

C. 改進(jìn)電源：添加一個(gè)超級(jí)電容器

從高阻電源提供短時(shí)間峰值電流的一種簡(jiǎn)單方法是增加一個(gè)電容器。當(dāng)使用超級(jí)電容時(shí)，可獲得相關(guān)的容量。請(qǐng)記住，一個(gè)電容器可以做最大值為2.7V，因此，當(dāng)電源電壓可以超過(guò)這個(gè)值時(shí)，必須被保護(hù)，例如，通過(guò)添加一個(gè)低壓降穩(wěn)壓器。對(duì)于更高的電壓可以串聯(lián)兩個(gè)電容。請(qǐng)記住，雙電容器需要一種平衡的方法，例如齊納二極管。使用(超)電容器進(jìn)行電源緩沖的一個(gè)例子: 期望的最大值，在1s、500mA負(fù)載時(shí)的電壓降為0.2V：

0.5F型電容器的尺寸：高12mm，直徑8mm;10F型：高22.5mm，直徑12mm。

【TABLE II. 超級(jí)電容器的優(yōu)缺點(diǎn)】

D. 改進(jìn)電源：增加升壓式轉(zhuǎn)換器

一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器從一個(gè)低壓源提供了一個(gè)高電壓。這使得它理想的使用堿性電池到最后一滴或適應(yīng)電路不能應(yīng)對(duì)低電壓電源的電池運(yùn)行。升壓變換器的一個(gè)典型的乘法系數(shù)電壓在1到4之間，而較高的因數(shù)往往會(huì)降低效率?？紤]到這一點(diǎn)，升壓轉(zhuǎn)換器可以很容易地從 3V電源提供 3V到10V ?，F(xiàn)成的集成電路只需要一個(gè)電感(這是最大也是最昂貴的部分)加上幾個(gè)電容器。

【TABLE III. 升壓方式的優(yōu)缺點(diǎn)】

驅(qū)動(dòng)一個(gè)低壓步進(jìn)電機(jī)

從步進(jìn)電機(jī)中獲益最大的應(yīng)用是定位應(yīng)用或需要相對(duì)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用，需要穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間的位置的應(yīng)用，短程運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用，需要精確速度的應(yīng)用，或需要低速高扭矩的應(yīng)用. 一般來(lái)說(shuō)，有兩種步進(jìn)電機(jī)：廉價(jià)的永磁步進(jìn)電機(jī)，價(jià)格稍高的混合式步進(jìn)電機(jī)。

由于電池驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序通常需要一個(gè)緊湊的解決方案，所以像NEMA17類(lèi)型這樣的標(biāo)準(zhǔn)混合步進(jìn)太大了。即使NEMA 17 提供了最佳的性?xún)r(jià)比和大量地被使用。例如在3D打印機(jī)中。更小的步進(jìn)電機(jī)如NEMA 11和NEMA 8 或者更小的，價(jià)格會(huì)更高。因此，廉價(jià)的永磁步進(jìn)電機(jī)通常是便攜式解決方案的首選，并廣泛可在不同尺寸的制造商中選擇具體的安裝方案。

【Fig. 1. 開(kāi)源的TMC 2300 - 電機(jī)開(kāi)發(fā)板 ， 用于評(píng)估TMC 2300步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電池供電應(yīng)用】 標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型通常電機(jī)線(xiàn)圈電壓為5V或12V. 這兩種電壓既不適合，也不利于電池供電場(chǎng)合。相反，它們用于相當(dāng)有限的電源恒壓驅(qū)動(dòng)方案，速度也受到一定限制，無(wú)法處理反電動(dòng)勢(shì)-它以不斷增加的速度而積累起來(lái). 一個(gè) 5V 或12V 線(xiàn)圈需要大量的很細(xì)的電機(jī)繞線(xiàn)。為了使電機(jī)在低壓操作, 則需要數(shù)量少且導(dǎo)線(xiàn)較粗的繞組線(xiàn)圈。所有電機(jī)制造廠家很容易提供各種繞組的電機(jī)。但是哪種線(xiàn)圈繞組是電池供電的比較好的選擇呢?

【TABLE IV. 步進(jìn)電機(jī)的主要相關(guān)參數(shù)】

為了了解這個(gè), 讓我們來(lái)看看步進(jìn)電機(jī)的電源電壓要求：電機(jī)轉(zhuǎn)矩與線(xiàn)圈電流乘以線(xiàn)組數(shù)成正比，因?yàn)槊總€(gè)電流對(duì)磁場(chǎng)有一定的貢獻(xiàn)，從而影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

通過(guò)兩個(gè)電機(jī)線(xiàn)圈中的RMSICOIL電流達(dá)到規(guī)定的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，以建立所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度.較低的電流基本上會(huì)產(chǎn)生按比例產(chǎn)生的較低的扭矩，比如70%的電流產(chǎn)生70%的扭矩.即使減少到70%也能節(jié)省大量的能量，因?yàn)楣呐c電流的平方有關(guān).因此，具有更多余量的電機(jī)可以提供更好的效率! 這樣，就可以計(jì)算出電機(jī)靜止所需的電源電壓UBAT, 考慮到驅(qū)動(dòng)器的功率級(jí)電阻加上感應(yīng)電阻器的少量100mV損耗(TMC2300低壓步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的每路MOSFET的電阻值為170毫歐姆，感電阻器的峰值為0.3V)：

ICOIL 均方根電機(jī)電流是在靜止時(shí)提供所需的扭矩 . 在低速時(shí)候反電動(dòng)勢(shì)可以忽略不計(jì), 因此和靜止時(shí)候的計(jì)算沒(méi)有太大區(qū)別。 對(duì)于高速運(yùn)行 (每秒幾轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度),還需要考慮進(jìn)去電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) (請(qǐng)看下面的解釋). 這樣，給定電機(jī)的最低可行供電電壓和最大速度計(jì)算為 :

該公式利用電機(jī)的保持力矩和分配給電機(jī)的線(xiàn)圈電流來(lái)計(jì)算Back-EMF常數(shù)。 對(duì)于大多數(shù)的電機(jī)供應(yīng)商來(lái)說(shuō),電機(jī)線(xiàn)圈不得不調(diào)整以適用電池供電。以允許電機(jī)適合低壓電池供電以對(duì)抗特別高的電流.例如一款電機(jī)繞線(xiàn)短而粗比同樣的電機(jī)采用長(zhǎng)而細(xì)的線(xiàn)圈更適合用于電池驅(qū)動(dòng)，但是它需要更高的電流以達(dá)到同樣的扭矩。而兩個(gè)電機(jī)繞組的線(xiàn)圈功耗和電機(jī)效率保持相同。

A. 舉例: 用于溫度閥門(mén)調(diào)節(jié)的線(xiàn)性執(zhí)行器

原電機(jī)：5? 線(xiàn)圈電阻;改進(jìn)后電機(jī): 1.5?，使用 TMC2300低壓驅(qū)動(dòng)芯片測(cè)試其性 能供電電壓在3.3V 和 5V, 假設(shè)線(xiàn)圈中銅的填充程度相同，電機(jī)功率損耗相同。電機(jī)工作在320Hz整步(超越共振). 下面的范圍圖顯示了供電電流的不同高度和電機(jī)的線(xiàn)圈電流 (對(duì)與低電阻電機(jī)增加電流) 和供電電壓。

【Fig. 2. 示波器顯示線(xiàn)圈 1.5? 電機(jī) (改進(jìn)線(xiàn)圈后) 在 3.3V (左圖) vs. 5.0?電機(jī)在 5V(右圖)。供電電流 (紫色) 和供電電壓(綠色)】

【TABLE V. 改進(jìn)線(xiàn)圈之后的電機(jī)VS. 標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)圈電機(jī)】

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，我們可以得出結(jié)論，使用相同的驅(qū)動(dòng)器IC,低壓電機(jī)可以以較低的電源電壓提供相同的扭矩 . 由于線(xiàn)圈電流的增加，驅(qū)動(dòng)級(jí)內(nèi)的功耗更高，并增加了功率需求。

另一方面，當(dāng)使用一個(gè)鋰離子電池作為電源時(shí), 一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器 (它的效率也只有90%到95%)可以被省掉。

此外，本例子還表明，低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的功率級(jí)電阻是效率的關(guān)鍵特征。更高的電阻不僅浪費(fèi)了功率階段的功率，而且它還減少了驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的電壓凈空間，這意味著它必須被設(shè)計(jì)為更低的電壓和更高的電流。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器集成電路，即使是低壓，也有低壓的問(wèn)題。 這以標(biāo)準(zhǔn)MOSFET為例，類(lèi)似于集成到集成IC的MOSFET：FET的最終電阻(RDSon)在4V和6V柵極電壓之間。在4V以下的區(qū)域顯示出電阻的顯著增加. 為了得到一個(gè)較低的 RDSon, 電池供電驅(qū)動(dòng)的IC需要一個(gè)內(nèi)部的升壓轉(zhuǎn)換器, 至少能驅(qū)動(dòng)電源的MOSFETs.下面的曲線(xiàn)說(shuō)明了專(zhuān)門(mén)為低壓操作而設(shè)計(jì)的集成電路的RDSon與電源電壓之間的關(guān)系, 集成一個(gè)電壓倍增器來(lái)控制功率級(jí)，而不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的晶體管. 比較是由曲線(xiàn)的形狀構(gòu)成，并不是實(shí)際值 。

有2個(gè)AA電池的操作區(qū)域用藍(lán)色圈起來(lái), 顯示MOSFET的差異。RDSon中的常規(guī)驅(qū)動(dòng)IC為2倍，而單個(gè)鋰離子電池運(yùn)行電壓3V-4V，對(duì)優(yōu)化后的IC仍有顯著的優(yōu)勢(shì)。

【Fig. 3. MOSFET ( BSS138 )的低壓操作具有與標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的功率級(jí)相似的特性】

【Fig. 4. 一個(gè)專(zhuān)用的低壓步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器IC的低壓操作，它利用內(nèi)部電路來(lái)提高M(jìn)OSFET的電導(dǎo)率】

驅(qū)動(dòng)一個(gè)低壓直流有刷電機(jī)

低壓驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)是一個(gè)挑戰(zhàn)嗎?基本上，沒(méi)有。低壓不是一個(gè)問(wèn)題。甚至范圍從1.5V到6V，電機(jī)有數(shù)百種型號(hào)可供選擇。只需施加電源電壓來(lái)控制電機(jī)。但只要電機(jī)由速度、方向或扭矩控制，同時(shí)從同一電源提供給CPU，就必須限制電機(jī)電流。

下面的范圍圖解釋為什么需要這樣: 電機(jī)加速度導(dǎo)致顯著的電壓降，改變電機(jī)方向時(shí)出現(xiàn)更大的電壓降。電壓下降可能導(dǎo)致敏感的CPU工作出問(wèn)題.如何解決這個(gè)問(wèn)題? 限流驅(qū)動(dòng)器通過(guò)將電機(jī)電流限制為應(yīng)用真正需要的電流來(lái)自動(dòng)避免這些情況。

第一個(gè)圖顯示了一個(gè)直流電機(jī)的啟動(dòng)和停止操作。電流僅受電機(jī)電阻的限制，并上升超過(guò)1A.當(dāng)反轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更高的峰值甚至達(dá)到電流1.5A。第二個(gè)圖顯示了由智能驅(qū)動(dòng)IC(TMC7300)限制的電流反轉(zhuǎn)。

【Fig. 5. 一個(gè)3 V 驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的啟停操作從3.3V電源-注意1A峰值(藍(lán)線(xiàn))在電機(jī)的啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電壓降。電流僅受線(xiàn)圈電阻的限制?！?/p>

【Fig. 6. 反轉(zhuǎn)從3 . 3V電源驅(qū)動(dòng)的3V電機(jī) -注意，通過(guò)專(zhuān)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC - TMC7300將電源電流峰值限制在 500mA。】

低壓驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)

低壓、高扭矩的BLDC電機(jī)的可用性非常好，被越來(lái)越多應(yīng)用，如無(wú)人機(jī)。這些電機(jī)的線(xiàn)圈電阻非常低。因次在一條線(xiàn)路中所需的電源電壓是所需轉(zhuǎn)速的函數(shù)。由于BLDC電機(jī)在任何情況下都需要閉環(huán)換向,電流控制回路的集成是必需的，并且可以輕松擴(kuò)展以處理電源上可用的最大電流消耗。請(qǐng)注意，驅(qū)動(dòng)器IC的RDSon 對(duì)應(yīng)用也很重要，就像步進(jìn)電機(jī)一樣：特別是對(duì)于低電壓操作，應(yīng)使用低電壓下具有低 RDSon 的驅(qū)動(dòng)器，例如TMC6300。使用標(biāo)準(zhǔn)IC，RDSon很容易與線(xiàn)圈電阻處于同一數(shù)量級(jí)。

結(jié)論

電源是手持設(shè)備的核心部件。對(duì)降低電池?cái)?shù)量的要求給電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為了優(yōu)化效率、重量和經(jīng)濟(jì)性，識(shí)別這些挑戰(zhàn)并盡可能以最佳方式解決這些挑戰(zhàn)非常重要。

正如本文所討論的，低電壓挑戰(zhàn)可以通過(guò)改進(jìn)電源來(lái)解決, 例如 使用升壓轉(zhuǎn)換器或超級(jí)電容器.然而，這兩種方法都有各自的缺點(diǎn)。此外，宣稱(chēng)為低壓電機(jī)的電機(jī)并不總是適合電池供電，因?yàn)樗鼈兪菫槭褂弥麟娫催M(jìn)行低壓操作而設(shè)計(jì)的。

為了推動(dòng)電池供電設(shè)備的創(chuàng)新，專(zhuān)用的低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC與合適的電機(jī)相結(jié)合是首選解決方案。除了將智能電源 IC等成熟技術(shù)添加到便攜式應(yīng)用之外，專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器還可以降低間接成本并改善用戶(hù)體驗(yàn)。

步進(jìn)電機(jī)(TMC2300)，直流有刷電機(jī)(TMC7300)和BLDC/PMSM(TMC6300)參數(shù)。

【 附：TMC三款適用電池供電低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片】

原文標(biāo)題：【白皮書(shū)】針對(duì)移動(dòng)式和無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低壓電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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審核編輯：湯梓紅