배터리 구동 IoT 시스템의 구동 모터

배터리 구동 모터 시스템에서 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 되는 모터 드라이버 설계 기술을 배우십시오.

스마트 계량기, 스마트 위생 제품, 비디오 초인종, 로봇 장난감, 개인 위생 제품 및 전자 잠금 장치와 같은 많은 배터리 구동 시스템 및 사물 인터넷(IoT) 응용 프로그램에는 모터, 솔레노이드 또는 릴레이가 포함되어 있습니다. 배터리와 모터 물리학 간의 상호 작용은 배터리 전압 변화에 따라 시스템을 안정적으로 작동하고, 시스템 수명을 늘리기 위해 대기 전력을 최소화하고, 시동 및 정지 중에 모터에 큰 전류를 공급하는 것과 같은 몇 가지 흥미로운 설계 문제를 생성합니다.

이 기사에서는 이러한 디자인 문제를 극복하는 데 도움이 되는 몇 가지 팁을 제공하겠습니다.

배터리 구동 모터 시스템 개요

모터 드라이버가 사용할 수 있는 배터리 전압 범위는 배터리 화학, 방전 깊이, 온도, 부하 전류, 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 셀의 수에 따라 다릅니다. 배터리 모델링은 복잡한 과학이지만 개방 회로 전압(V_OCV ), 내부 배터리 저항(R_BAT ) 및 배터리 단자 전압(V_BAT ), 그림 1과 같이 .

그림 1. 모터 드라이버와 모터가 있는 배터리 구동 시스템의 블록 다이어그램.

표 1 다양한 배터리 화학 물질에 대한 배터리 전압 범위의 몇 가지 예를 보여줍니다.

배터리 화학 및 스택업	VBAT 완전히 충전된 배터리 수	VBAT 소모된 배터리	RBAT	용량
2 AA(알칼리성), Duracell OP1500	1.7 V/셀 총 3.4V	0.8 V/셀 총 1.6V	100-250mΩ/셀 총 200-500mΩ	2,400mAh*
3 AAA(알칼리성), Panasonic LR03AD	1.55V/셀 총 4.65V	0.8 V/셀 총 2.4V	135mΩ/셀(평균) 총 405mΩ(평균)	2,640mAh
4 AA(알칼리성), 에너자이저 E91	1.5V/셀 6V/셀	0.8 V/셀 총 3.2V	150-300mΩ/셀(신선) 총 600-1200mΩ(신선)	2,500mAh*
리튬 이온 1개, Panasonic NCR18650BF	4.2V	2.5V	77mΩ*	3,200mAh
2 리튬 폴리머, Farnell SR674361P	4.2 V/셀 총 8.4V	2.75 V/셀 총 5.5V	160mΩ/셀 총 320mΩ	2,000mAh

*다른 배터리 데이터 시트 매개변수에서 계산된 매개변수

표 1. 다양한 배터리 화학 및 누적에 대한 대략적인 배터리 매개변수

R_BAT 및 V_OCV V_BAT의 주요 기여자입니다. 배터리 수명에 따라 변경됩니다. 배터리 충전량이 소진되면 V_OCV 감소하고 R_BAT 증가합니다. 부하가 배터리에서 전류를 끌어옴에 따라(I_BAT ), V_BAT R_BAT 양단의 전압 강하로 인해 감소합니다. .

그림 2 V_OCV 간의 관계를 보여줍니다. , R_BAT 그리고 나는_BAT 배터리 수명 전반에 걸쳐.

그림 2. 알칼리성(a)에 대한 VBAT 및 RBAT 도표 및 리튬 이온 (b) TI의 화학 물질 식별 데이터베이스의 데이터를 기반으로 하는 다양한 배터리 부하 전류(IBAT)용 배터리.

방전 깊이(DoD)는 밀리암페어 시간(mAh)으로 표시된 전체 배터리 충전 용량에 대한 배터리 수명을 백분율로 나타냅니다. 100% DoD는 완전히 방전된 배터리를 나타냅니다.

와이드 V_BAT를 위한 디자인 범위

V_BAT이기 때문에 DoD 및 I_BAT의 변경 사항 , 모터 드라이버의 공급 레일 정격은 가능한 배터리 전압 범위를 수용해야 합니다. 예를 들어, 24V 시스템용으로 설계된 많은 모터 드라이버의 최소 공급 레일은 4.5V입니다. 4개의 알카라인 배터리를 직렬로 연결하면 최소 공급 정격이 4.5V인 모터 드라이버는 배터리가 완전히 충전되기 전에 저전압 잠금을 사용하여 자체적으로 비활성화될 수 있습니다. 배수.

텍사스 인스트루먼트(TI)의 DRV8210 및 DRV8212는 공급 정격이 1.65V ~ 11V인 배터리 구동 애플리케이션용으로 설계된 모터 드라이버의 예입니다. 이는 2셀 리튬 배터리 스택(8.4V) 또는 거의 방전된 2셀 알카라인 배터리 스택(1.65V).

저전력 대기 모드를 위한 설계

배터리 구동 시스템은 대부분의 작동 수명을 대기 상태에서 보냅니다. 예를 들어, 소비자는 전동 블라인드를 하루에 두 번만 작동하거나 전자 잠금 장치를 하루에 최대 20번까지 잠그고 잠금 해제할 수 있습니다. 가스 계량기 또는 수도 계량기의 밸브는 1년에 한 번만 작동할 수 있습니다. 이러한 시스템에서 긴 배터리 수명을 달성하려면 전체 시스템의 대기 전류가 낮아야 합니다.

시스템에서 주변 장치의 공급 레일에 부하 스위치를 추가하는 것은 대기 전류를 낮게 유지하는 한 가지 방법입니다. 또 다른 방법은 배터리 애플리케이션에 최적화된 대기 전류가 낮은 장치를 사용하는 것입니다. DRV8210 및 DRV8212의 절전 전류는 <84.5nA로 시스템 대기 전류 소비를 줄이는 데 도움이 됩니다. 시스템 대기 전류를 줄이는 다른 방법은 저항 분배기를 제거하고 작동하지 않을 때 풀다운 저항이 있는 장치 로직 핀을 0V로 설정하는 것입니다.

에너지 소비를 줄이고 작동 수명을 늘리기 위한 대전류 관리

모터의 큰 전류는 배터리 시스템에 두 가지 문제를 발생시킵니다. 즉, 에너지를 비생산적으로 사용하고 R_BAT에 걸친 전압 강하로 인해 시스템이 조기에 배터리 부족 잠금 상태가 될 수 있습니다. . 큰 모터 전류의 두 가지 주요 원인은 모터 시동 중 돌입 전류와 스톨 전류입니다. 그림 3 이러한 전류의 예를 보여줍니다.

그림 3. 돌입 전류 및 실속 전류.

펄스 폭 변조 듀티 사이클을 램핑하여 모터에 대한 소프트 스타트 루틴을 구현하면 모터 스타트업 동안 큰 돌입 전류를 완화할 수 있습니다. 그림 4 4개의 AAA 배터리가 소모된 스택에 대한 하드 스타트 ​​및 소프트 스타트 구현의 예를 보여줍니다.

그림 4(a)에서 , 모터 돌입 전류는 R_BAT 양단의 전압 강하로 인해 하드 스타트 ​​중에 배터리 전압을 떨어뜨립니다. . 이 시스템이 재설정되거나 약 3.5V의 저전압 잠금 상태가 되면 모터는 초기 시동을 초과하여 구동할 수 없습니다.

그림 4(b) 소프트 스타트를 사용하면 전원 레일에서 전압 강하가 낮아지고, 이는 배터리가 고갈된 시스템에서 작동 수명을 조금 더 늘릴 수 있는 방법을 보여줍니다.

그림 4. 하드- (a) 소프트 스타트 (b) DRV8210을 사용하여 직렬로 연결된 4개의 소모된 AAA 배터리에 대한 돌입 전류. 여기에 표시된 소프트 스타트 루틴은 모터 시작 중에 듀티 사이클을 0%에서 100%로 증가시킵니다.

스톨 전류를 제어하기 위해 전류 감지 저항을 추가하면 마이크로컨트롤러가 스톨을 감지하고 장기간에 걸쳐 큰 스톨 전류를 끌어오기 전에 모터 드라이버를 비활성화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 실속 상태는 의도하지 않은 기계적 막힘 또는 엔드 스톱에 도달하는 기계적 부하(예:스마트 잠금 장치에서 완전히 작동되는 데드볼트)로 인해 발생할 수 있습니다.

그림 5 DRV8212를 사용한 예시 시스템 구현을 보여줍니다.

그림 5. DRV8212를 사용한 스톨 감지 구현의 예시 블록 다이어그램.

마이크로컨트롤러의 아날로그-디지털 변환기는 감지 저항 전압을 측정하고 해당 전압을 펌웨어에 저장된 임계값과 비교합니다. 전류 측정이 특정 시간 동안 임계값을 초과하면 마이크로컨트롤러가 모터 드라이버를 비활성화하여 전력을 절약합니다. 돌입 전류가 실수로 스톨 감지를 트리거하지 않도록 스톨을 감지하는 시간을 구성하는 것이 중요합니다.

그림 6 그림 3은 스톨 감지가 구현된 스톨 상태 동안의 모터 전류 프로필을 보여줍니다. 스톨 감지 없이 ​​모터 전류 파형을 보여줍니다.

그림 6. 스톨 감지 기능이 있는 모터 전류 프로필.

배터리 제조업체는 배터리 용량을 mAh로 측정하므로 돌입 전류의 크기와 실속 전류의 지속 시간을 모두 제한하면 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.

결론

제한된 배터리 작동 수명, 배터리 전압 변동 및 큰 모터 전류로 인해 모터를 사용하는 배터리 구동 시스템을 설계하는 것은 어려울 수 있습니다. 배터리의 전압 범위에 적합한 모터 드라이버를 사용하면 추가적인 부스트 컨버터를 제거하고 최소 배터리 작동 전압을 수용하여 설계 작업을 쉽게 수행할 수 있습니다.

전체 시스템 대기 전류를 최소화하고 저전력 절전 모드의 모터 드라이버를 사용하면 배터리에서 낭비되는 에너지 소모를 줄일 수 있습니다. 소프트 스타트 및 스톨 감지 기술은 시스템에서 큰 모터 전류의 크기와 지속 시간을 줄여 배터리 애플리케이션의 작동 수명을 늘리는 데도 도움이 됩니다.

이러한 기술을 사용하여 시스템 설계자는 스마트 위생 제품, 전동 블라인드, 전자 스마트 잠금 장치 등과 같은 배터리 구동 시스템의 작동 수명을 연장할 수 있습니다.

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