バッテリー内のモーターを駆動する

スマート メーター、スマート衛生製品、ビデオ ドアベル、ロボット玩具、個人衛生製品、電子ロックなどの多くのバッテリー駆動システムおよびモノのインターネット (IoT) アプリケーションには、モーター、ソレノイド、またはリレーが含まれています。 バッテリーとモーターの物理的相互作用により、バッテリー電圧の変化に応じてシステムを確実に動作させること、スタンバイ電力を最小限に抑えてシステムの寿命を延ばすこと、起動時と失速時にモーターに大電流を供給することなど、いくつかの興味深い設計上の課題が生じます。

この記事では、これらの設計上の課題を克服するためのヒントをいくつか紹介します。

モータードライバーが利用できるバッテリー電圧範囲は、バッテリーの化学的性質、放電深度、温度、負荷電流、直列または並列に接続されたバッテリーセルの数によって異なります。 バッテリーのモデリングは複雑な科学ですが、図 1 に示すように、開回路電圧 (VOCV)、内部バッテリー抵抗 (RBAT)、およびバッテリー端子電圧 (VBAT) を使用した単純なバッテリー モデルから始めましょう。

表 1 は、さまざまな電池の化学的性質における電池電圧範囲の例をいくつか示しています。

1.7V/セル

合計3.4V

0.8V/セル

合計1.6V

100～250mΩ/セル

合計200～500mΩ

1.55V/セル

合計4.65V

0.8V/セル

合計2.4V

135mΩ/セル（平均）

合計405mΩ（平均）

1.5V/セル

6V/セル

0.8V/セル

合計3.2V

150 ～ 300 mΩ/セル (新品)

合計 600 ～ 1200 mΩ (新品)

4.2V/セル

合計8.4V

2.75V/セル

合計5.5V

160mΩ/セル

合計320mΩ

RBAT と VOCV は、バッテリーの寿命を通じて VBAT が変化する主な要因です。 バッテリーの充電がなくなると、VOCV が減少し、RBAT が増加します。 負荷がバッテリ (IBAT) から電流を引き出すと、RBAT 両端の電圧降下により VBAT が低下します。

図 2 は、バッテリー寿命全体にわたる VOCV、RBAT、および IBAT の関係を示しています。

放電深度 (DoD) は、ミリアンペア時間 (mAh) で与えられるバッテリーの全充電容量に対するパーセンテージとしてバッテリー寿命を表します。 100% DoD はバッテリーが完全に放電されたことを表します。

VBAT は DoD および IBAT によって変化するため、モーター ドライバーの電源レール定格は、考えられるバッテリー電圧の範囲に対応する必要があります。 たとえば、24 V システム用に設計された多くのモーター ドライバーの最小電源レールは 4.5 V です。4 つのアルカリ電池を直列に接続すると、最小電源定格が 4.5 V のモーター ドライバーは、電池が完全に充電される前に低電圧ロックアウトを使用して自体を無効にする可能性があります。ドレイン。

Texas Instruments (TI) の DRV8210 および DRV8212 は、電源定格 1.65 V ～ 11 V のバッテリ駆動アプリケーション向けに設計されたモータ ドライバの例です。これは、2 セルのリチウム バッテリ スタック (8.4 V) の最大電圧に対応します。ほぼ放電した 2 セルのアルカリ電池スタック (1.65 V)。

バッテリ駆動システムは、動作寿命のほとんどをスタンバイ状態で費やします。 たとえば、消費者は電動ブラインドを 1 日に 2 回しか操作しない場合や、電子ロックの施錠と解錠を 1 日に 20 回も行う場合があります。 ガスメーターまたは水道メーターのバルブは、1 年に 1 回しか作動しません。 これらのシステムでバッテリ寿命を長くするには、システム全体のスタンバイ電流を低くする必要があります。

システム内の周辺デバイスの電源レールに負荷スイッチを追加することは、スタンバイ電流を低く抑える 1 つの方法です。 もう 1 つの方法は、バッテリ アプリケーション向けに最適化されたスタンバイ電流が低いデバイスを使用することです。 DRV8210 および DRV8212 のスリープ電流は 84.5 nA 未満で、システムのスタンバイ電流消費を削減します。 システムのスタンバイ電流を削減する他の方法は、抵抗分圧器を排除し、非動作時にプルダウン抵抗を備えたデバイスのロジック ピンを 0 V に設定することです。

モーターからの大電流は、バッテリー システムに 2 つの問題を引き起こします。1 つはエネルギーを非生産的に使用すること、もう 1 つは、RBAT 両端の電圧降下により、システムが早期にバッテリー低下ロックアウト状態に陥る可能性があることです。 モーター電流が大きくなる主な原因は 2 つあります。モーター始動時の突入電流とストール電流です。 図 3 は、これらの電流の例を示しています。

パルス幅変調デューティ サイクルを増加させてモーターのソフトスタート ルーチンを実装すると、モーター起動時の大きな突入電流を軽減できます。 図 4 は、単 4 電池 4 個の消耗したスタックに対するハード スタートとソフト スタートの実装例を示しています。

図 4(a) では、RBAT 両端の電圧降下により、ハード スタート中にモータの突入電流によってバッテリ電圧が低下します。 このシステムがリセットされるか、約 3.5 V で低電圧ロックアウト状態になると、モーターは最初の起動を超えて駆動できなくなります。

図 4(b) は、ソフト スタートを使用すると電源レールの電圧降下がどのように低下​​し、バッテリが消耗したシステムの動作寿命を少し長くするのに役立つかを示しています。

ストール電流の制御を支援するために、電流検出抵抗を追加すると、マイクロコントローラがストールを検出し、長期間にわたって大きなストール電流が流れる前にモータドライバを無効にすることができます。 失速状態は、意図しない機械的閉塞またはエンドストップに達する機械的負荷 (スマート ロックで完全に作動したデッドボルトなど) によって発生する可能性があります。

図 5 は、DRV8212 を使用したシステム実装例を示しています。

マイクロコントローラーのアナログ - デジタル コンバーターはセンス抵抗の電圧を測定し、その電圧をファームウェアに保存されているしきい値と比較します。 電流測定値が一定時間閾値を超えると、マイクロコントローラーは電力を節約するためにモータードライバーを無効にします。 突入電流が誤ってストール検出をトリガーしないように、ストールを検出する時間を設定することが重要です。

図 6 は失速検出を実装した場合の失速状態中のモーター電流プロファイルを示し、図 3 は失速検出を行わない場合のモーター電流波形を示します。

バッテリー メーカーはバッテリー容量を mAh 単位で測定するため、突入電流の大きさと失速電流の持続時間の両方を制限することは、バッテリー寿命を延ばすのに役立ちます。

バッテリーの動作寿命には限りがあり、バッテリーの電圧変動、モーター電流が大きいため、モーターを使用するバッテリー駆動システムの設計は困難な場合があります。 バッテリの電圧範囲に合わせて定格されたモータドライバを使用すると、追加の昇圧コンバータが不要になり、バッテリの最小動作電圧に対応できるため、設計作業が容易になります。

システム全体のスタンバイ電流を最小限に抑え、低電力スリープ モードを備えたモーター ドライバーを使用することで、バッテリーからの無駄なエネルギー消費が削減されます。 ソフトスタートと失速検出の両方の技術は、システム内の大きなモーター電流の大きさと持続時間を削減することにより、バッテリーアプリケーションの動作寿命を延ばすのにも役立ちます。

これらの技術を使用することで、システム設計者は、スマート衛生製品、電動ブラインド、電子スマート ロックなどのバッテリー駆動システムの動作寿命を延ばすことができます。

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