Aandrijfmotoren in batterijgevoede IoT-systemen

Leer technieken voor het ontwerpen van motorstuurprogramma's om de levensduur van de batterij in door batterijen aangedreven motorsystemen te verlengen.

Veel batterijgevoede systemen en Internet of Things (IoT)-toepassingen, zoals slimme meters, slimme sanitaire producten, videodeurbellen, robotspeelgoed, producten voor persoonlijke hygiëne en elektronische sloten, bevatten een motor, solenoïde of relais. De interactie tussen de batterij en de motorfysica levert een aantal interessante ontwerpuitdagingen op, zoals het betrouwbaar laten werken van het systeem als de batterijspanning verandert, het minimaliseren van het stand-byvermogen om de levensduur van het systeem te verlengen en het leveren van grote stromen aan de motor tijdens het opstarten en afslaan.

In dit artikel geef ik enkele tips om deze ontwerpuitdagingen te overwinnen.

Overzicht van batterijaangedreven motorsystemen

Het batterijspanningsbereik dat beschikbaar is voor de motorbestuurder hangt af van de samenstelling van de batterij, de diepte van de ontlading, de temperatuur, de laadstroom en het aantal batterijcellen dat in serie of parallel is aangesloten. Hoewel batterijmodellering een complexe wetenschap is, laten we beginnen met een eenvoudig batterijmodel dat gebruik maakt van de nullastspanning (V_OCV ), interne batterijweerstand (R_BAT ), en accuklemspanning (V_BAT ), zoals weergegeven in Figuur 1 .

Figuur 1. Blokschema van een batterij-aangedreven systeem met een motor driver en motor.

Tabel 1 toont enkele voorbeelden van batterijspanningsbereiken voor verschillende batterijsamenstellingen.

*Parameters berekend op basis van andere batterijgegevensbladparameters

Tabel 1. Geschatte batterijparameters voor verschillende batterijsamenstellingen en stapels.

R_BAT en V_OCV leveren een belangrijke bijdrage aan V_BAT veranderen gedurende de levensduur van de batterij. Als de batterij leeg raakt, V_OCV neemt af, en R_BAT neemt toe. Aangezien de belasting stroom trekt van de batterij (I_BAT ), V_BAT neemt af vanwege de spanningsval over R_BAT .

Figuur 2 toont de relatie tussen V_OCV , R_BAT en ik_BAT over de hele levensduur van de batterij.

Figuur 2. Plots van VBAT en RBAT voor alkaline (a) en lithium-ion (b) batterijen voor verschillende batterijbelastingsstromen (IBAT) op basis van gegevens uit de chemische identificatiedatabase van TI.

Diepte van ontlading (DoD) geeft de levensduur van de batterij weer als een percentage ten opzichte van de volledige oplaadcapaciteit van de batterij, uitgedrukt in milliampère-uren (mAh). Een 100% DoD staat voor een volledig ontladen batterij.

Ontwerpen voor een brede V_BAT Bereik

Omdat V_BAT veranderingen met DoD en I_BAT , moet de classificatie van de voedingsrail voor een motorbestuurder geschikt zijn voor een reeks mogelijke batterijspanningen. Veel motordrivers die zijn ontworpen voor 24-V-systemen hebben bijvoorbeeld een minimale voedingsrail van 4,5 V. Met vier alkalinebatterijen die in serie zijn geschakeld, kan een motordriver met een minimale voedingswaarde van 4,5 V zichzelf uitschakelen door een onderspanningsblokkering te gebruiken voordat de batterijen volledig zijn opgeladen. afvoer.

De DRV8210 en DRV8212 van Texas Instruments (TI) zijn voorbeelden van motordrivers die zijn ontworpen voor batterijgevoede toepassingen met een voedingswaarde van 1,65 V tot 11 V. Dit is geschikt voor de maximale spanning voor een tweecellige lithiumbatterijstapel (8,4 V) of een bijna lege tweecellige alkalinebatterijstapel (1,65 V).

Ontwerpen voor een energiezuinige stand-bymodus

Batterijgevoede systemen brengen het grootste deel van hun levensduur door in stand-by. Consumenten mogen bijvoorbeeld maar twee keer per dag gemotoriseerde zonwering bedienen, of een elektronisch slot maar liefst 20 keer per dag vergrendelen en ontgrendelen. De klep op een gasmeter of watermeter mag maar één keer per jaar bediend worden. De stand-bystroom van het totale systeem moet laag zijn om een ​​lange levensduur van de batterij in deze systemen te bereiken.

Het toevoegen van lastschakelaars op de voedingsrails van randapparatuur in het systeem is een manier om de stand-bystroom laag te houden. Een andere manier is om apparaten te gebruiken met lage stand-bystromen die zijn geoptimaliseerd voor batterijtoepassingen. De DRV8210 en DRV8212 hebben een slaapstroom <84,5 nA om het stroomverbruik in de stand-bystand van het systeem te verminderen. Andere manieren om de stand-bystroom van het systeem te verminderen, zijn het elimineren van weerstandsverdelers en het instellen van logische pinnen van apparaten met pulldown-weerstanden op 0 V wanneer ze niet in bedrijf zijn.

Beheer van grote stromen om het energieverbruik te verminderen en de levensduur te verlengen

Grote stromen van motoren veroorzaken twee problemen in batterijsystemen:ze verbruiken energie onproductief, en ze kunnen ervoor zorgen dat het systeem voortijdig in een lage batterijvergrendelingstoestand gaat vanwege de spanningsval over R_BAT . Er zijn twee hoofdoorzaken van grote motorstromen:inschakelstroom tijdens het opstarten van de motor en blokkeerstroom. Figuur 3 toont een voorbeeld van deze stromingen.

Figuur 3. Inschakel- en blokkeerstromen.

Het implementeren van een soft-startroutine voor de motor door de pulsbreedtemodulatie-duty cycle te verhogen, kan de grote inschakelstroom tijdens het opstarten van de motor verminderen. Figuur 4 toont voorbeelden van implementaties met harde start en zachte start voor een lege stapel van vier AAA-batterijen.

In Figuur 4(a) , de inschakelstroom van de motor zorgt ervoor dat de batterijspanning daalt tijdens een harde start vanwege de spanningsval over R_BAT . Als dit systeem wordt gereset of in een vergrendelingsstatus voor onderspanning rond 3,5 V terechtkomt, kan de motor niet verder rijden dan de eerste keer opstarten.

Figuur 4(b) laat zien hoe het gebruik van een zachte start een lagere spanningsval op de voedingsrail veroorzaakt, wat kan helpen om een ​​iets langere levensduur te bereiken van een systeem met een lege batterij.

Figuur 4. Moeilijk- (a) en softstart (b) inschakelstroom op vier lege AAA-batterijen in serie met behulp van de DRV8210. De hier getoonde softstart-routine laat de werkcyclus tijdens het opstarten van de motor van 0% naar 100% lopen.

Om blokkeerstromen onder controle te houden, kan het toevoegen van een stroomgevoelige weerstand de microcontroller helpen een blokkeerstroom te detecteren en de motordriver uit te schakelen voordat er gedurende lange tijd grote blokkeerstromen worden gegenereerd. Blokkades kunnen optreden als gevolg van een onbedoelde mechanische blokkering of de mechanische belasting die een eindstop bereikt (zoals een nachtschoot die volledig is geactiveerd in een slim slot).

Figuur 5 toont een voorbeeld van een systeemimplementatie met behulp van de DRV8212.

Figuur 5. Voorbeeld blokschema van een implementatie van overtrekdetectie met de DRV8212.

De analoog-naar-digitaal-omzetter van de microcontroller meet de spanning van de detectieweerstand en vergelijkt die spanning met een drempelwaarde die is opgeslagen in de firmware. Als de stroommeting gedurende een bepaalde tijd de drempel overschrijdt, schakelt de microcontroller de motordriver uit om stroom te besparen. Het is belangrijk om de tijdsduur voor het detecteren van een stalling te configureren, zodat de inschakelstroom niet per ongeluk de stalldetectie activeert.

Figuur 6 toont een motorstroomprofiel tijdens een blokkeerconditie met blokkeerdetectie geïmplementeerd, terwijl Figuur 3 toont de golfvorm van de motorstroom zonder detectie van afslaan.

Figuur 6. Motorstroomprofielen met blokkeerdetectie.

Batterijfabrikanten meten de batterijcapaciteit in mAh, dus het beperken van zowel de grootte van de inschakelstroom als de duur van de blokkeerstroom helpt de levensduur van de batterij te verlengen.

Conclusie

Het kan een uitdaging zijn om batterijgevoede systemen te ontwerpen die motoren gebruiken vanwege de beperkte levensduur van de batterij, de variatie in batterijspanning en grote motorstromen. Het gebruik van een motordriver die geschikt is voor het spanningsbereik van de batterij, vereenvoudigt de ontwerpinspanningen door het elimineren van extra boost-converters en de minimale bedrijfsspanning van de batterij.

Het minimaliseren van de totale stand-bystroom van het systeem en het gebruik van een motordriver met een slaapstand met laag vermogen vermindert de verspilling van energie uit de batterij. Zowel softstart- als blokkeerdetectietechnieken kunnen ook helpen de levensduur van batterijtoepassingen te verlengen door de omvang en duur van grote motorstromen in het systeem te verminderen.

Door deze technieken te gebruiken, kunnen systeemontwerpers de levensduur verlengen van batterijgevoede systemen zoals slimme sanitaire producten, gemotoriseerde jaloezieën, elektronische slimme sloten en andere.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.