许多
电池供电系统和物联网 (IoT) 应用（例如智能电表、智能卫生产品、可视门铃、机器人玩具、个人卫生产品和
电子锁）都包含电机、螺线管或
继电器。电池和电机物理之间的相互作用产生了一些有趣的设计挑战，例如在电池电压变化时可靠地操作系统、限度地减少待机功耗以延长系统寿命，以及在启动和失速期间向电机提供大电流。
在本文中，我将提供一些技巧来帮助克服这些设计挑战。
电池供电电机系统概述
电机驱动器可用的电池电压范围取决于电池化学成分、放电深度、温度、负载电流以及串联或并联的电池单元数量。虽然电池建模是一门复杂的科学，但让我们从使用开路电压 (V OCV )、电池内阻 (R BAT ) 和电池端电压 (V BAT ) 的简单电池模型开始，如图1所示。
图 1. 具有电机驱动器和电机的电池供电系统的框图。
表 1显示了各种电池化学成分的电池电压范围的一些示例。
电池化学和叠层充满电的电池V BAT耗尽电池的V BAT右BAT容量
*根据其他电池数据表参数计算得出的参数
表 1. 各种电池化学成分和叠层的近似电池参数。
R BAT和 V OCV是 V BAT在电池寿命期间变化的关键因素。随着电池电量耗尽，V OCV降低，而 R BAT增加。当负载从电池 (I BAT ) 汲取电流时，V BAT由于 R BAT两端的电压降而降低。
图 2显示了电池寿命期内V OCV、R BAT和 I BAT之间的关系。
图 2.基于 TI 化学识别数据库的数据，针对不同电池负载电流 (IBAT) 绘制碱性电池(a)和锂离子电池(b)的 VBAT 和 RBAT 曲线图。
放电深度 (DoD) 表示电池寿命相对于以毫安小时 (mAh) 为单位的完整电池充电容量的百分比。100% DoD 表示电池完全放电。
针对宽 V BAT 范围进行设计
由于 V BAT随 DoD 和 I BAT变化，因此电机驱动器的电源轨额定值必须适应一系列可能的电池电压。例如，许多专为 24V 系统设计的电机驱动器的电源轨为 4.5V。在串联四个碱性电池的情况下，电源额定值为 4.5V 的电机驱动器可能会在电池完全耗尽之前使用欠压锁定来禁用自身。流走。
德州仪器 (TI) 的DRV8210和DRV8212是专为电池供电应用而设计的电机驱动器示例，电源额定值为 1.65 V 至 11 V。这可适应两节锂电池组的电压 (8.4 V)或几乎放电的两节碱性电池组 (1.65 V)。
低功耗待机模式设计
电池供电系统的大部分使用寿命都处于待机状态。例如，消费者每天可能只操作电动百叶窗两次，或者每天锁定和解锁
电子锁多达 20 次。燃气表或水表上的阀门每年只能启动。为了在这些系统中实现较长的电池寿命，整个系统的待机电流必须较低。
在系统中外围设备的电源轨上添加负载
开关是保持低待机电流的一种方法。另一种方法是使用针对电池应用优化的低待机电流设备。DRV8210 和 DRV8212 的睡眠电流<84.5 nA，有助于降低系统待机电流消耗。降低系统待机电流的其他方法是消除电阻分压器，并在不工作时将带有下拉电阻的器件逻辑引脚设置为 0 V。
管理大电流以减少能耗并延长使用寿命
电机产生的大电流会在电池系统中产生两个问题：它们会徒劳地使用能量，并且由于 R BAT上的压降，可能会导致系统过早进入低电量锁定状态。造成电机电流大的主要原因有两个：电机启动时的浪涌电流和堵转电流。图 3显示了这些电流的示例。
图 3. 浪涌电流和失速电流。
通过增加脉宽调制占空比来实现电机软启动例程可以减轻电机启动期间的大浪涌电流。图 4显示了四节 AAA 电池耗尽电池组的硬启动和软启动实施示例。
在图 4(a)中，由于 R BAT上的压降，电机浪涌电流导致硬启动期间电池电压下降。如果该系统重置或进入 3.5 V 左右的欠压锁定状态，电机将无法驱动超出初始启动的范围。
图 4(b)显示了使用软启动如何降低电源轨上的压降，这有助于延长电池电量耗尽的系统的运行寿命。
图 4. 使用 DRV8210 串联的四节耗尽的 AAA 电池上的硬启动(a)和软启动(b)浪涌电流。此处显示的软启动例程在电机启动期间将占空比从 0% 提升到 100%。
为了帮助控制失速电流，添加电流检测电阻可以帮助微控制器检测失速并在长时间吸收大失速电流之前禁用电机驱动器。失速情况可能是由于意外的机械阻塞或机械负载到达末端止动件（例如智能锁中的锁舌完全启动）而发生的。
图 5显示了使用 DRV8212 的系统实现示例。
图 5. 使用 DRV8212 实现失速检测的示例框图。
微控制器的模数转换器测量检测电阻电压，并将该电压与固件中存储的阈值进行比较。如果电流测量值超过阈值一段时间，微控制器将禁用电机驱动器以节省电量。配置检测失速的持续时间非常重要，这样浪涌电流就不会意外触发失速检测。
图 6显示了实施了失速检测的失速条件下的电机电流曲线，而图 3显示了没有实施失速检测的电机电流波形。
图 6. 具有失速检测功能的电机电流曲线。
电池制造商以 mAh 为单位测量电池容量，因此限制浪涌电流的大小和失速电流的持续时间有助于延长电池寿命。
结论
由于有限的电池工作寿命、电池电压变化和大的电机电流，设计使用电机的电池供电系统可能具有挑战性。使用额定电池电压范围的电机驱动器可以消除额外的升压转换器并适应电池工作电压，从而简化了设计工作。
限度地减少整个系统的待机电流并使用具有低功耗睡眠模式的电机驱动器可以减少电池消耗的能量浪费。软启动和失速检测技术还可以通过减少系统中大电机电流的幅度和持续时间来帮助延长电池应用的运行寿命。
