针对移动式和无线物联网设备的低压电机控制系统的设计
如何使用低压电源控制步进电机或直流电机
- 高伟 ADI-Trinamic
物联网和手持设备依赖于执行器，尽管它们的能量有限——通常是电池.由于成本和可靠性，这些电池数量最好较低，电压范围一般为2.4V-4.3V，无论安全、家庭自动化、医疗 疗，还是电池供电的POS设备.执行器通常在这些设备中短时间工作，例如，当需要调节阀门时，处理药剂或移动镜头时.有限的电源限制峰值功率和长期能量
源消耗 。因此，即使在低空比的情况下，能源效率也非常重要。
本文主要介绍了驱动具有局部能源的步进电机或直流电机的各个方面，如单个锂离子电池或两节/三节AA电池。测量显示了电机和驱动器组合的局限性和性能数据.将升压调节器的拓扑结构与电机线圈控制的解决方案进行比较。
引言
尽管能源供应有限，但越来越多的手持设备和物联网应用依赖于执行器.虽然更大的电池有一些好处，但设备制造商更喜欢低电池的成本、可靠性、尺寸和重量、使用寿命、安全和回收 .无论是家庭自动化、安全、医疗还是手持POS设备，电压范围为2.4V-4.3V电池似乎是首选。 .
然而，这些电池具有一定的特性，不仅给电机本身带来了新的挑战，也给电机控制和运动控制相关的设计和技术带来了新的挑战。这就提出了一个问题：如何有效地控制步进或直流电机？
电源
电源是便携式设备的中心部件，它不仅与电力能力有关，包括成本和重量. 此外，它还涉及产品形式、可持续性、运行时间和服务/充电间隔、整体使用寿命、安全和回收
选项都很重要.毕竟，用户体验取决于几个方面。应考虑的电源是可充电的
电池(锂离子 /锂离子电池、镍氢电池)或碱性电池也可以考虑太阳能、珀耳帖元件，可以考虑在明亮的环境中与超级电容器的组合
- 优化目标
低整体功耗要么对所需的储能尺寸产生积极影响，要么有助于提高使用寿命或间隔. 根据设备的空比，总功耗由运行阶段及其空比、备用电流提取和所需备用
寿命决定 . 能源还必须能够为运行提供瞬时峰值功率 。这尤其成为高电阻源的问题，如部分不可充电AA电池。
此外，低电源电压操作使电路更容易，如减少所需电池单元的数量，简化充电。待机VS脉冲负载的例子： 每 100μA一年的待机电流消耗将达到 0.1mA*24h*365=876mAh. 脉冲负载， 500mA工作电流每天工作10秒，每年消耗10秒 500mA*365*10/3600= 507mAh. 这个 例如，备用电源通常与电源集成电路一起使用，以节省额外的（半导体）开关，可以完全中断电源。额外的开关并不昂贵，但当全负荷电流通过开关时，它可能会浪费大量的能量。
- 电池特性
通过测量，确定了不同类型电池的特性.考虑碱性电池 “接近耗尽”由于在电压较低、电阻较高的地区，它们的相关能量仍然很难分类
可用。电 池 可 用 的 峰 值 功 率 受 到 电 源 内 部 电 阻 的 限 制 ， 例 如 考
虑 A A 电 池 ， 或 受 保 护 的 锂 离 子 电 池 的 安 全 电 路 。 具 有 较 高 的 电阻 源 , 最大的可用电源是剩余电量的一半， 如 1.5V 电池在 0. 75V的时候. 在短时间内使用电池是有意义的，因为电池内部浪费了一半的电力。这种方法可以降低到空水平。
当考虑直接操作微控制器和电池的其他电路时，3.3V微控制器的电压约为3.0V，
1.8V的电压约为2V。必须考虑避免微控制器在峰值负载条件下重置
一项实验表明，一个接近空气，不能充电AA电池在2V当时的电量相当有限，目前还不够可用 峰值电量的一半。AA碱性”的峰值功率
接近空和剩余2.61V双AA碱性仍然是2.06W，允许电压降到剩余电压的一半，而不是0.74W，同时，允许电压降至不小于2V。
TABLEI. 不同电池类型的特点
| 2*NiMH AA |
2.70 |
2.40 |
0.15 |
4.80 |
2.54 |
0.80 |
0.68 |
4.78 |
1.60 |
| 3*NiMH AA |
4.05 |
3.60 |
0.23 |
7.20 |
3.81 |
0.80 |
1.01 |
7.17 |
2.40 |
| 2*Alkaline AA |
3.22 |
2.50 |
0.36 |
5.00 |
2.61 |
0.37 |
1.65 |
2.06 |
0.74 |
| 3*Alkaline AA |
4.82 |
3.75 |
0.54 |
7.50 |
3.92 |
0.37 |
2.48 |
3.09 |
1.11 |
| 1*Li-Ion 14500, 1Ah |
4.20 |
3.88 |
0.16 |
7.76 |
3.00 |
- |
0.16 |
6.00 |
6.00 |
| 2*Li-Ion 14500, 1Ah |
8.40 |
7.76 |
0.32 |
15.52 |
6.00 |
- |
0.32 |
12.00 |
12.00 |
| USB power |
5.20 |
4.80 |
0.20 |
9.60 |
- |
- |
- |
- |
9.60 |
C. 改进电源：添加一个超级电容器
从高阻电源提供短时间峰值电流的一种简单方法是增加一个电容器. 当使用超级电容时，可获得相关的容量。请记住，一个电容器可以做最大值为2.7V，因此，当电源电压可以超过这个值时，必须被保护，例如，通过添加一个低压降稳压器。对于更高的电压可以串联两个电容. 请记住，双电容器需要一种平衡的方法，例如齐纳二极管. 使用（超）电容器进行电源缓冲的一个例子: 期望的最大值，在1s、500mA负载时的电压降为0.2V：
0.5F型电容器的尺寸：高12mm，直径8mm；10F型：高22.5mm，直径12mm。
TABLE II. 超级电容器的优缺点
| 电源缓冲用超级电容器 |
|
| 优点 |
缺点 |
| 小体积 |
仅限短时间峰值 |
| 稳定的供应，也可以在电池更换期间 |
~3µA/F 漏电流 |
| 允许用于太阳能应用的 PV 电池 |
每个电容器仅 2.7V，需要预稳压器或双电容加平衡 |
D.改进电源：增加升压式转换器
一个升压转换器从一个低压源提供了一个高电压.这使得它理想的使用碱性电池到最后一滴或适应电路不能应对低电压电源的电池运行. 升压变换器的一个典型的乘法系数电压在1到4之间，而较高的因数往往会降低效率. 考虑到这一点，升压转换器可以很容易地从 3V 电源提供 3V 到10V . 现成的集成电路只需要一个电感（这是最大也是最昂贵的部分） 加上几个电容器。
TABLE III. 升 压 方 式 的 优 缺 点
| 升压转换器 |
|
| 优点 |
缺点 |
| 来自高电阻电池的更多功率，例如 双AA |
90-95% 效率，轻载时更低 |
| 来自低压源的更高电压 |
待机时应关闭 |
| 可以使用标准 IC，这些 IC 不是专门为（极） 低电压操作而设计的 |
如果用于CPU，则必须始终开启，导致待机电流更高 |
| 可添加到 PV+Ultracap |
更长的物料清单 (BOM) |
驱动一个低压步进电机
从步进电机中获益最大的应用是定位应用或需要相对运动的应用，需要稳定长时间的位置的应用，短程运动的应用，需要精确速度的应用，或需要低速高扭矩的应用. 一般来说，有两种步进电机：廉价的永磁步进电机
价格稍高的混合式步进电机
由于电池驱动的应用程序通常需要一个紧凑的解决方案，所以像NEMA17类型这样的标准混合步进太大了. 即使NEMA 17 提供了最佳的性价比和大量
地被使用。例如在 3D 打印机中 .
更小的步进电机如 NEMA 11和NEMA 8 或者更小的，价格会更高 . 因此，廉价的永磁步进电机通常是便携式解决方案的首选，并广泛可在不同尺寸的制造商中选择具体的安装方案.
Fig. 1. 开 源 的 T M C 2 3 0 0 - 电 机 开 发 板 ， 用 于 评 估TMC 2 3 0 0 步 进 电 机 驱 动 器 的 电 池 供 电 应 用
标准类型通常电机线圈电压为5V或12V. 这两种电压既不适合， 也不利于电池供电场合。相反，它们用于相当有限的电源恒压驱动方案，速度也受到一定限制 ，无法处理反电动势-它以不断增加的速度而积累起来. 一个 5V 或 12V 线圈需要大量的很细的电机绕线. 为了使电机在低压操作, 则需要数量少且导线较粗的绕组线圈. 所有电机制造厂家很容易提供各种绕组的电机. 但是哪种线圈绕组是电池供电的比较好的选择呢？
TABLE IV. 步进电机的主要相关参数
| Nominal (RMS) coil current |
ICOILNOM [A] |
| Nominal coil resistance |
RCOIL [Ω] |
| Rated coil voltage |
UN = RCOIL * ICOILNOM [V] (sometimes specified instead of ICOILNOM) |
| Holding torque at ICOILNOM |
HoldingTorque [Nm] |
为了了解这个, 让我们来看看步进电机的电源电压要求: 电机转矩与线圈电流乘以线组数成正比, 因为每个电流对磁场有一定的贡献，从而影响电机的转矩。
通过两个电机线圈中的RMS I COIL电流达到规定的电机转矩，以建立所需的磁场强度. 较低的电流基本上会产生按比例产生的较低的扭矩，比如 70%的电流产生 70% 的扭矩 . 即使减少到70%也能节省大量的能量，因为功耗与电流的平方有关 . 因此，具有更多余量的电机可以提供更好的效率！
这样，就可以计算出电机静止所需的电源电压UBAT, 考虑到驱动器的功率级电阻加上感应电阻器的少量100mV损耗（TMC2300低压步进驱动器的每路MOSFET的电阻值为170毫欧姆，感 电阻器的峰值为0.3V）：
ICOIL 均 方 根 电 机 电 流 是 在 静 止 时 提 供 所 需 的 扭 矩 . 在低速时候反电动势可以忽略不计
, 因此和静止时候的计算没有太大区别。
对于高速运行 (每秒几转的旋转速度), 还需要考虑进去电机的反电动势常数 (请看下面的解释). 这样，给定电机的最低可行供电电压和最大速度计算为 :
该公式利用电机的保持力矩和分配给电机的线圈电流来计算Back-EMF常数.
对于大多数的电机供应商来说, 电机线圈不得不调整以适用电池供电。以允许电机适合低压电池供电以对抗特别高的电流. 例如 一款电机绕线短而粗比同样的电机采用长而细的线圈更适合用于电池驱动，但是它需要更高的电流以达到同样的扭矩。而两个电机绕组的线圈功耗和电机效率保持相同。
A. 举例: 用于温度阀门调节的线性执行器
原电机： 5Ω 线圈电阻;改进后电机: 1.5Ω, 使 用 TMC2300低 压 驱 动 芯 片 测 试 其 性 能供电电压 在 3.3V 和 5V, 假设线圈中铜的填充程度相同，电机功率损耗相同。电机工作在320Hz 整步(超越共振). 下面的范围图显示了供电电流的不同高度 和电机的线圈电流 (对与低电阻电机增加电流) 和供电电压。
Fig. 2. 示波器显示 线圈 1.5Ω 电机 (改进线圈后) 在 3.3V (左图) vs. 5.0Ω电机在 5V
(右图). 供电电流 (紫色) 和供电电压(绿色)
TABLE V. 改进线圈之后的电机 VS. 标准线圈电机
| Rcoil |
5.2 |
1.5 |
Ω |
| Icoil |
400 |
760 |
mA |
| Pcoil = 2*R*I² |
1.66 |
1.62 |
W |
| Required supply (motion) |
5.0 |
3.2 |
V |
| Current draw |
487 |
850 |
mA |
| Power |
2.24 |
2.76 |
W |
| Difference |
- |
+23 |
% |
根据测量结果，我们可以得出结论，使用相同的驱动器IC, 低压电机可以以较低的电源电压提供相同的扭矩 . 由于线圈电流的增加，驱动级内的功耗更高，并增加了功率需求。
另一方面，当使用一个锂离子电池作为电源时, 一个升压转换器 (它的效率也只有90%到95%)
可以被省掉.
此外，本例子还表明，低压电机驱动电路中的功率级电阻是效率的关键特征. 更高的电阻不仅浪费了功率阶段的功率，而且它还减少了驱动执行器的电压净空间，这意味着它必须被
设计为更低的电压和更高的电流 。传统的驱动器集成电路，即使是低压，也有低压的问
题。
这以标准MOSFET为例，类似于集成到集成IC的MOSFET：FET的最终电阻(RDSon)在4V和6V 栅极电压之间。在4V以下的区域显示出电阻的显著增加. 为 了 得 到 一 个 较 低 的 RDSon, 电池供电驱动的IC 需要一个内部的升压转换器, 至少能驱动电源的MOSFETs.
下面的曲线说明了专门为低压操作而设计的集成电路的RDSon与电源电压之间的关系, 集成一个电压倍增器来控制功率级，而不是一个标准的晶体管. 比 较 是 由 曲 线 的 形 状 构 成 ， 并不 是 实 际 值 。
有 2 个 AA 电池的操作区域用蓝色圈起来, 显示M O S F E T 的差异。RDSon中的常规驱动
IC 为2倍，而单个锂离子电池运行电压 为 3V-4V，对优化后 的IC仍有显著的优势。
Fig. 4. 一 个 专 用 的 低 压 步 进 驱 动 器 I C 的低 压 操 作 ， 它 利 用 内 部 电 路 来 提 高
M O S F E T 的 电 导 率
驱动一个低压直流有刷电机
低压驱动直流电机是一个挑战吗？基本上，没有。低压不是一个问题。 甚至范围从 1.5V 到6V , 电机有数百种型号可供选择 。只需施加电源电压来 控制电机。但只要电机由速度、方向或扭矩控制，同时从同一电源提供给 CPU ，就必须限制电机电流。
下面的范围图解释为什么需要这样: 电机加速度导致显著的电压降，改变电机方
向时出现更大的电压降。电压下降可能导致敏感的CPU工作出问题. 如何解决这个问题? 限流驱动器通过将电机电流限制为应用真正需要的电流来自动避免这些情况。
第一个图显示了一个直流电机的启动和停止操作。 电流仅受电机电阻的限制，并上升
超过1A . 当反转电机时，会产生更高的峰值甚至达到电流1.5A 。 第二个图显示了由智能驱动 IC(TMC7300)限制的电流反转。
Fig. 5. 一 个 3 V 驱 动 的 电 机 的 启 停 操 作从3.3V电源-注意1A峰值（蓝线）在电机的启动会导致电压降。电流仅受线圈电阻的限制
Fig. 6. 反 转 从 3 . 3 V 电 源 驱 动 的 3 V 电 机 - 注 意 ， 通过 专 用 电 机 驱 动 器 I C -T M C 7 3 0 0 将 电 源 电 流 峰值 限 制 在 5 0 0 m A 。
低压驱动BLDC电机
低压、高扭矩的BLDC电机的可用性非常好，被越来越多应用，如无人机. 这些电机的线圈电阻非常低。因次在一条线路中所需的电源电压是所需转速的函数。由于BLDC电机在任何情况下都需要闭环换向,电流控制回路的集成是必需的，并且可以轻松扩展以
处理电源上可用的最大电流消耗。请注意，驱动器IC的 RDSon 对应用也很重要，就像步进电机一样：特别是对于低电压操作，应使用低电压下具有低 RDSon 的驱动器，例如TMC6300。使用标准IC ， RDSon很容易与线圈电阻处于同一 数量级。
结论
电源是手持设备的核心部件. 对降低电池数量的要求给电机和运动控制设计带来了新的挑战。为了优化效率、重量和经济性，识别这些挑战并尽可能以最佳方式解决这些挑战非常重要。
正如本文所讨论的，低电压挑战可以通过改进电源来解决, 例如 使用升压转换器或超级电容器.
然而，这两种方法都有各自的缺点. 此外，宣称为低压电机的电机并不总是适合电池供电， 因为它们是为使用主电源进行低压操作而设计的。
为了推动电池供电设备的创新，专用的低电压电机驱动器 IC 与合适的电机相结合是首选解决方案。除了将智能电源 IC 等成熟技术添加到便携式应用之外，专用驱动器还可以降低间接成本并改善用户体验。
附：TMC三款适用电池供电低压电机驱动芯片：
步进电机（TMC2300），直流有刷电机(TMC7300)和BLDC/PMSM (TMC6300)参数