低壓電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方案

物聯(lián)網(wǎng)和手持式設(shè)備依賴于執(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，無論是用于安全、家庭自動化、醫(yī)療，還是電池供電的POS設(shè)備.這些設(shè)備中的執(zhí)行器通常是短時工作，比如當(dāng)需要調(diào)節(jié)閥門的時候，處理藥劑或移動鏡頭的時候。有限的電源限制了峰值功率和長期的能源消耗 。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)動具有局部能源的步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)的各個方面，如單個鋰離子電池或兩節(jié)/三節(jié)AA電池。測量顯示了電機(jī)和驅(qū)動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，但越來越多的手持設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用依賴于執(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數(shù)量的電池。無論是家庭自動化、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)控制和運動控制相關(guān)的設(shè)計和技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。這就給電機(jī)和運動控制提出了一個問題：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、運行時間和服務(wù)/充電間隔、整體使用壽命、安全和回收利用選項都很重要。畢竟，其中的幾個方面決定了用戶體驗。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)備的太陽能、珀耳帖元件或可以考慮與超級電容器組合。

A. 優(yōu)化目標(biāo)

較低的整體功率消耗要么對所需的儲能大小產(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。能源還必須能夠為運行提供瞬時峰值功率。這尤其成為高電阻源的一個問題，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單，例如通過減少所需的電池單元數(shù)量和簡化充電。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。這個例子表明在低工作占空比的應(yīng)用中待機(jī)電流是一個比較大的因素備用電源通常會結(jié)合電源集成電路一起使用，以節(jié)省一個額外的(半導(dǎo)體)開關(guān)，它能夠完全中斷電源。一個額外的開關(guān)并不貴，但當(dāng)全負(fù)荷電流通過開關(guān)時，它可能會浪費大量的能量。

B. 電池特性

通過測量，確定了不同類型電池的特性?？紤]到堿性電池“接近耗盡”的類別是很困難的，因為在電壓已經(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候， 如1.5V電池在 0.75V 的時候. 用這種方式利用電池在短暫的短時間內(nèi)是有意義的，因為一半的電力浪費在電池內(nèi)部。這種方法可以降到一個空的水平。

當(dāng)考慮直接操作微控制器和來自電池的其他電路時，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)載條件重置一項實驗表明，一個“接近空”、不可充電的雙AA電池在2V時的電量相當(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，同時允許電壓降到剩余電壓的一半，而不是0.74W，同時允許電壓降到不小于2V。

【TABLE I. 不同電池類型的特點】

C. 改進(jìn)電源：添加一個超級電容器

從高阻電源提供短時間峰值電流的一種簡單方法是增加一個電容器。當(dāng)使用超級電容時，可獲得相關(guān)的容量。請記住，一個電容器可以做最大值為2.7V，因此，當(dāng)電源電壓可以超過這個值時，必須被保護(hù)，例如，通過添加一個低壓降穩(wěn)壓器。對于更高的電壓可以串聯(lián)兩個電容。請記住，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)行電源緩沖的一個例子: 期望的最大值，在1s、500mA負(fù)載時的電壓降為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. 超級電容器的優(yōu)缺點】

D. 改進(jìn)電源：增加升壓式轉(zhuǎn)換器

一個升壓轉(zhuǎn)換器從一個低壓源提供了一個高電壓。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)對低電壓電源的電池運行。升壓變換器的一個典型的乘法系數(shù)電壓在1到4之間，而較高的因數(shù)往往會降低效率?？紤]到這一點，升壓轉(zhuǎn)換器可以很容易地從 3V電源提供 3V到10V 。現(xiàn)成的集成電路只需要一個電感(這是最大也是最昂貴的部分)加上幾個電容器。

【TABLE III. 升壓方式的優(yōu)缺點】

驅(qū)動一個低壓步進(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)用或需要相對運動的應(yīng)用，需要穩(wěn)定長時間的位置的應(yīng)用，短程運動的應(yīng)用，需要精確速度的應(yīng)用，或需要低速高扭矩的應(yīng)用. 一般來說，有兩種步進(jìn)電機(jī)：廉價的永磁步進(jìn)電機(jī)，價格稍高的混合式步進(jìn)電機(jī)。

由于電池驅(qū)動的應(yīng)用程序通常需要一個緊湊的解決方案，所以像NEMA17類型這樣的標(biāo)準(zhǔn)混合步進(jìn)太大了。即使NEMA 17 提供了最佳的性價比和大量地被使用。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，價格會更高。因此，廉價的永磁步進(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. 開源的TMC 2300 - 電機(jī)開發(fā)板 ， 用于評估TMC 2300步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的電池供電應(yīng)用】 標(biāo)準(zhǔn)類型通常電機(jī)線圈電壓為5V或12V. 這兩種電壓既不適合，也不利于電池供電場合。相反，它們用于相當(dāng)有限的電源恒壓驅(qū)動方案，速度也受到一定限制，無法處理反電動勢-它以不斷增加的速度而積累起來. 一個 5V 或12V 線圈需要大量的很細(xì)的電機(jī)繞線。為了使電機(jī)在低壓操作, 則需要數(shù)量少且導(dǎo)線較粗的繞組線圈。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, 讓我們來看看步進(jìn)電機(jī)的電源電壓要求：電機(jī)轉(zhuǎn)矩與線圈電流乘以線組數(shù)成正比，因為每個電流對磁場有一定的貢獻(xiàn)，從而影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

通過兩個電機(jī)線圈中的RMSICOIL電流達(dá)到規(guī)定的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，以建立所需的磁場強(qiáng)度.較低的電流基本上會產(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，因為功耗與電流的平方有關(guān).因此，具有更多余量的電機(jī)可以提供更好的效率! 這樣，就可以計算出電機(jī)靜止所需的電源電壓UBAT, 考慮到驅(qū)動器的功率級電阻加上感應(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)電流是在靜止時提供所需的扭矩 . 在低速時候反電動勢可以忽略不計, 因此和靜止時候的計算沒有太大區(qū)別。 對于高速運行 (每秒幾轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度),還需要考慮進(jìn)去電機(jī)的反電動勢常數(shù) (請看下面的解釋). 這樣，給定電機(jī)的最低可行供電電壓和最大速度計算為 :

該公式利用電機(jī)的保持力矩和分配給電機(jī)的線圈電流來計算Back-EMF常數(shù)。 對于大多數(shù)的電機(jī)供應(yīng)商來說,電機(jī)線圈不得不調(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抗特別高的電流.例如一款電機(jī)繞線短而粗比同樣的電機(jī)采用長而細(xì)的線圈更適合用于電池驅(qū)動，但是它需要更高的電流以達(dá)到同樣的扭矩。而兩個電機(jī)繞組的線圈功耗和電機(jī)效率保持相同。

A. 舉例: 用于溫度閥門調(diào)節(jié)的線性執(zhí)行器

原電機(jī)：5? 線圈電阻;改進(jìn)后電機(jī): 1.5?，使用 TMC2300低壓驅(qū)動芯片測試其性 能供電電壓在3.3V 和 5V, 假設(shè)線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)的線圈電流 (對與低電阻電機(jī)增加電流) 和供電電壓。

【Fig. 2. 示波器顯示線圈 1.5? 電機(jī) (改進(jìn)線圈后) 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)線圈之后的電機(jī)VS. 標(biāo)準(zhǔn)線圈電機(jī)】

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

另一方面，當(dāng)使用一個鋰離子電池作為電源時, 一個升壓轉(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)動電路中的功率級電阻是效率的關(guān)鍵特征。更高的電阻不僅浪費了功率階段的功率，而且它還減少了驅(qū)動執(zhí)行器的電壓凈空間，這意味著它必須被設(shè)計為更低的電壓和更高的電流。傳統(tǒng)的驅(qū)動器集成電路，即使是低壓，也有低壓的問題。 這以標(biāo)準(zhǔn)MOSFET為例，類似于集成到集成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. 為了得到一個較低的 RDSon, 電池供電驅(qū)動的IC需要一個內(nèi)部的升壓轉(zhuǎn)換器, 至少能驅(qū)動電源的MOSFETs.下面的曲線說明了專門為低壓操作而設(shè)計的集成電路的RDSon與電源電壓之間的關(guān)系, 集成一個電壓倍增器來控制功率級，而不是一個標(biāo)準(zhǔn)的晶體管. 比較是由曲線的形狀構(gòu)成，并不是實際值 。

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

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

【Fig. 4. 一個專用的低壓步進(jìn)驅(qū)動器IC的低壓操作，它利用內(nèi)部電路來提高M(jìn)OSFET的電導(dǎo)率】

驅(qū)動一個低壓直流有刷電機(jī)

低壓驅(qū)動直流電機(jī)是一個挑戰(zhàn)嗎?基本上，沒有。低壓不是一個問題。甚至范圍從1.5V到6V，電機(jī)有數(shù)百種型號可供選擇。只需施加電源電壓來控制電機(jī)。但只要電機(jī)由速度、方向或扭矩控制，同時從同一電源提供給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工作出問題.如何解決這個問題? 限流驅(qū)動器通過將電機(jī)電流限制為應(yīng)用真正需要的電流來自動避免這些情況。

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

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

【Fig. 6. 反轉(zhuǎn)從3 . 3V電源驅(qū)動的3V電機(jī) -注意，通過專用電機(jī)驅(qū)動器IC - TMC7300將電源電流峰值限制在 500mA。】

低壓驅(qū)動BLDC電機(jī)

低壓、高扭矩的BLDC電機(jī)的可用性非常好，被越來越多應(yīng)用，如無人機(jī)。這些電機(jī)的線圈電阻非常低。因次在一條線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。請注意，驅(qū)動器IC的RDSon 對應(yīng)用也很重要，就像步進(jìn)電機(jī)一樣：特別是對于低電壓操作，應(yīng)使用低電壓下具有低 RDSon 的驅(qū)動器，例如TMC6300。使用標(biāo)準(zhǔn)IC，RDSon很容易與線圈電阻處于同一數(shù)量級。

結(jié)論

電源是手持設(shè)備的核心部件。對降低電池數(shù)量的要求給電機(jī)和運動控制設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。為了優(yōu)化效率、重量和經(jīng)濟(jì)性，識別這些挑戰(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)可以通過改進(jìn)電源來解決, 例如 使用升壓轉(zhuǎn)換器或超級電容器.然而，這兩種方法都有各自的缺點。此外，宣稱為低壓電機(jī)的電機(jī)并不總是適合電池供電，因為它們是為使用主電源進(jìn)行低壓操作而設(shè)計的。

為了推動電池供電設(shè)備的創(chuàng)新，專用的低電壓電機(jī)驅(qū)動器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，專用驅(qū)動器還可以降低間接成本并改善用戶體驗。

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)動芯片】

原文標(biāo)題：【白皮書】針對移動式和無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低壓電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

文章出處：【微信公眾號：TRINAMIC電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅