Conducción de motores en batería

Muchos sistemas que funcionan con baterías y aplicaciones de Internet de las cosas (IoT), como medidores inteligentes, productos de saneamiento inteligentes, timbres con video, juguetes robóticos, productos de higiene personal y cerraduras electrónicas, contienen un motor, un solenoide o un relé. La interacción entre la batería y la física del motor produce algunos desafíos de diseño interesantes, como operar el sistema de manera confiable a medida que cambia el voltaje de la batería, minimizar la energía de reserva para aumentar la vida útil del sistema y suministrar grandes corrientes al motor durante el arranque y la parada.

En este artículo, ofreceré algunos consejos para ayudar a superar estos desafíos de diseño.

El rango de voltaje de la batería disponible para el controlador del motor depende de la química de la batería, la profundidad de la descarga, la temperatura, la corriente de carga y la cantidad de celdas de la batería conectadas en serie o en paralelo. Aunque el modelado de baterías es una ciencia compleja, comencemos con un modelo de batería simple usando el voltaje de circuito abierto (VOCV), la resistencia interna de la batería (RBAT) y el voltaje de terminal de la batería (VBAT), como se muestra en la Figura 1.

La Tabla 1 muestra algunos ejemplos de rangos de voltaje de batería para varias químicas de batería.

1,7 V/celda

3,4 V totales

0,8 V/celda

1,6 V totales

100-250 mΩ/celda

200-500 mΩ totales

1,55 V/celda

4,65 V totales

0,8 V/celda

2,4 V totales

135 mΩ/celda (promedio)

405 mΩ totales (promedio)

1,5 V/celda

6 V/celda

0,8 V/celda

3,2 V totales

150-300 mΩ/celda (nueva)

600-1200 mΩ total (fresco)

4,2 V/celda

8,4 V totales

2,75 V/celda

5,5 V totales

160 mΩ/celda

320 mΩ totales

RBAT y VOCV son contribuyentes clave para que VBAT cambie durante la vida útil de la batería. A medida que se agota la carga de la batería, el VOCV disminuye y el RBAT aumenta. A medida que la carga extrae corriente de la batería (IBAT), VBAT disminuye debido a la caída de voltaje en RBAT.

La figura 2 muestra la relación entre VOCV, RBAT e IBAT a lo largo de la vida útil de la batería.

La profundidad de descarga (DoD) representa la duración de la batería como un porcentaje con respecto a la capacidad de carga total de la batería en miliamperios hora (mAh). Un DoD del 100 % representa una batería totalmente descargada.

Debido a que VBAT cambia con DoD e IBAT, la clasificación del riel de suministro para un controlador de motor debe adaptarse a un rango de posibles voltajes de batería. Por ejemplo, muchos controladores de motor diseñados para sistemas de 24 V tienen un riel de suministro mínimo de 4,5 V. Con cuatro baterías alcalinas conectadas en serie, un controlador de motor con un valor nominal de suministro mínimo de 4,5 V puede desactivarse mediante el bloqueo por bajo voltaje antes de que las baterías se completen por completo. drenar.

El DRV8210 y DRV8212 de Texas Instruments (TI) son ejemplos de controladores de motor diseñados para aplicaciones alimentadas por batería con una clasificación de suministro de 1,65 V a 11 V. Esto admite el voltaje máximo para una batería de litio de dos celdas (8,4 V) o una pila de pilas alcalinas de dos celdas casi descargada (1,65 V).

Los sistemas alimentados por batería pasan la mayor parte de su vida útil en estado de espera. Por ejemplo, los consumidores pueden operar las persianas motorizadas solo dos veces al día, o bloquear y desbloquear una cerradura electrónica hasta 20 veces al día. La válvula de un medidor de gas o de agua solo puede activarse una vez al año. La corriente de reserva de todo el sistema debe ser baja para lograr una vida útil prolongada de la batería en estos sistemas.

Agregar interruptores de carga en los rieles de suministro de dispositivos periféricos en el sistema es una forma de mantener baja la corriente de reserva. Otra forma es utilizar dispositivos con corrientes de espera bajas optimizadas para aplicaciones de batería. El DRV8210 y el DRV8212 tienen corrientes de reposo <84,5 nA para ayudar a reducir el consumo de corriente en espera del sistema. Otras formas de reducir la corriente de reserva del sistema son eliminar los divisores de resistencia y configurar los pines lógicos del dispositivo con resistencias pulldown a 0 V cuando no esté en funcionamiento.

Las grandes corrientes de los motores crean dos problemas en los sistemas de baterías: usan energía de manera improductiva y pueden hacer que el sistema entre prematuramente en una condición de bloqueo de batería baja debido a la caída de voltaje en RBAT. Hay dos causas principales de las corrientes de motor grandes: la corriente de irrupción durante el arranque del motor y la corriente de bloqueo. La Figura 3 muestra un ejemplo de estas corrientes.

La implementación de una rutina de arranque suave para el motor aumentando el ciclo de trabajo de modulación de ancho de pulso puede mitigar la gran corriente de irrupción durante el arranque del motor. La figura 4 muestra ejemplos de implementaciones de arranque duro y arranque suave para una pila agotada de cuatro pilas AAA.

En la Figura 4(a), la corriente de irrupción del motor hace que el voltaje de la batería caiga durante un arranque difícil debido a la caída de voltaje en RBAT. Si este sistema se restablece o entra en un estado de bloqueo por bajo voltaje alrededor de 3,5 V, el motor no podrá funcionar más allá del arranque inicial.

La Figura 4(b) muestra cómo el uso de un arranque suave genera una caída de voltaje más baja en el riel de suministro, lo que puede ayudar a prolongar un poco más la vida útil de un sistema con una batería agotada.

Para ayudar a controlar las corrientes de bloqueo, agregar una resistencia de detección de corriente puede ayudar al microcontrolador a detectar un bloqueo y deshabilitar el controlador del motor antes de generar grandes corrientes de bloqueo durante un largo período de tiempo. Las condiciones de bloqueo pueden ocurrir debido a un bloqueo mecánico no deseado o a que la carga mecánica llega a un tope final (como un cerrojo accionado completamente en una cerradura inteligente).

La Figura 5 muestra un ejemplo de implementación del sistema utilizando el DRV8212.

El convertidor de analógico a digital del microcontrolador mide el voltaje de la resistencia de detección y lo compara con un umbral almacenado en el firmware. Si la medición actual supera el umbral durante un cierto período de tiempo, el microcontrolador desactiva el controlador del motor para ahorrar energía. Es importante configurar la duración del tiempo para detectar una pérdida de modo que la corriente de irrupción no active accidentalmente la detección de pérdida.

La Figura 6 muestra un perfil de corriente del motor durante una condición de bloqueo con detección de bloqueo implementada, mientras que la Figura 3 muestra la forma de onda de la corriente del motor sin detección de bloqueo.

Los fabricantes de baterías miden la capacidad de la batería en mAh, por lo que limitar tanto la magnitud de la corriente de entrada como la duración de la corriente de parada ayuda a prolongar la vida útil de la batería.

Puede ser un desafío diseñar sistemas alimentados por batería que usen motores debido a la vida útil finita de la batería, la variación del voltaje de la batería y las grandes corrientes del motor. El uso de un controlador de motor clasificado para el rango de voltaje de la batería facilita los esfuerzos de diseño al eliminar los convertidores elevadores adicionales y acomodar el voltaje operativo mínimo de la batería.

Minimizar la corriente de espera general del sistema y usar un controlador de motor con un modo de suspensión de bajo consumo reduce el consumo de energía desperdiciado de la batería. Tanto las técnicas de arranque suave como las de detección de bloqueo también pueden ayudar a aumentar la vida útil de las aplicaciones de la batería al reducir la magnitud y la duración de las grandes corrientes del motor en el sistema.

Mediante el uso de estas técnicas, los diseñadores de sistemas pueden prolongar la vida útil operativa de los sistemas alimentados por batería, como productos de saneamiento inteligentes, persianas motorizadas, cerraduras electrónicas inteligentes y otros.

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