Mengendarai Motor dalam Sistem IoT Bertenaga Baterai
Pelajari teknik desain driver motor untuk membantu memperpanjang masa pakai baterai dalam sistem motor bertenaga baterai.
Banyak sistem bertenaga baterai dan aplikasi Internet of Things (IoT)—seperti smart meter, produk sanitasi cerdas, bel pintu video, mainan robot, produk kebersihan pribadi, dan kunci elektronik—berisi motor, solenoid, atau relai. Interaksi antara baterai dan fisika motor menghasilkan beberapa tantangan desain yang menarik, seperti mengoperasikan sistem dengan andal saat voltase baterai berubah, meminimalkan daya siaga untuk meningkatkan masa pakai sistem, dan memasok arus besar ke motor selama penyalaan dan mati.
Dalam artikel ini, saya akan menawarkan beberapa tips untuk membantu mengatasi tantangan desain ini.
Ikhtisar Sistem Motor Bertenaga Baterai
Rentang tegangan baterai yang tersedia untuk pengemudi motor tergantung pada kimia baterai, kedalaman pelepasan, suhu, arus beban, dan jumlah sel baterai yang terhubung secara seri atau paralel. Meskipun pemodelan baterai adalah ilmu yang kompleks, mari kita mulai dengan model baterai sederhana menggunakan tegangan rangkaian terbuka (VOCV ), ketahanan baterai internal (RBAT ), dan tegangan terminal baterai (VBAT ), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 .
Gambar 1. Diagram blok sistem bertenaga baterai dengan driver motor dan motor.
Tabel 1 menunjukkan beberapa contoh rentang tegangan baterai untuk berbagai kimia baterai.
| Kimia baterai dan susun | VBAT baterai yang terisi penuh | VBAT baterai habis | RBAT | Kapasitas |
| 2 AA (basa), Duracell OP1500 | 1,7 V/sel Total 3,4 V | 0,8 V/sel Total 1,6 V | 100-250 mΩ/sel Total 200-500 mΩ | 2.400 mAh* |
| 3 AAA (basa), Panasonic LR03AD | 1,55 V/sel Total 4,65 V | 0,8 V/sel Total 2,4 V | 135 mΩ/sel (rata-rata) Total 405 mΩ (rata-rata) | 2,640 mAh |
| 4 AA (basa), Energizer E91 | 1,5 V/sel 6 V/sel | 0,8 V/sel Total 3,2 V | 150-300 mΩ/sel (segar) Total 600-1200 mΩ (segar) | 2.500 mAh* |
| 1 lithium-ion, Panasonic NCR18650BF | 4.2 V | 2,5 V | 77 mΩ* | 3.200 mAh |
| 2 lithium-polimer, Farnell SR674361P | 4.2 V/sel Total 8,4 V | 2,75 V/sel Total 5,5 V | 160 mΩ/sel Total 320 m | 2.000 mAh |
*Parameter dihitung dari parameter lembar data baterai lainnya
Tabel 1. Perkiraan parameter baterai untuk berbagai kimia dan susunan baterai.
RBAT dan VOCV adalah kontributor utama untuk VBAT berubah selama masa pakai baterai. Saat daya baterai habis, VOCV menurun, dan RBAT meningkat. Saat beban menarik arus dari baterai (IBAT ), VBAT berkurang karena jatuh tegangan pada RBAT .
Gambar 2 menunjukkan hubungan antara VOCV , RBAT dan sayaBAT sepanjang masa pakai baterai.
Gambar 2. Plot VBAT dan RBAT untuk basa (a) dan lithium-ion (b) baterai untuk berbagai arus beban baterai (IBAT) berdasarkan data dari basis data identifikasi bahan kimia TI.
Kedalaman pengosongan (DoD) mewakili masa pakai baterai sebagai persentase sehubungan dengan kapasitas pengisian daya baterai penuh yang diberikan dalam miliampere jam (mAh). DoD 100% menunjukkan baterai yang kosong sepenuhnya.
Mendesain untuk VBAT yang Lebar Rentang
Karena VBAT perubahan dengan DoD dan IBAT , peringkat rel suplai untuk pengemudi motor harus mengakomodasi kisaran tegangan baterai yang memungkinkan. Misalnya, banyak driver motor yang dirancang untuk sistem 24-V memiliki rel suplai minimum 4,5 V. Dengan empat baterai alkaline yang dihubungkan secara seri, driver motor dengan peringkat suplai minimum 4,5-V dapat menonaktifkan dirinya sendiri menggunakan penguncian undervoltage sebelum baterai terisi penuh. tiriskan.
DRV8210 dan DRV8212 dari Texas Instruments (TI) adalah contoh driver motor yang dirancang untuk aplikasi bertenaga baterai dengan peringkat suplai 1,65 V hingga 11 V. Ini mengakomodasi tegangan maksimum untuk tumpukan baterai lithium dua sel (8,4 V) atau tumpukan baterai alkaline dua sel yang hampir habis (1,65 V).
Mendesain untuk Mode Siaga berdaya rendah
Sistem bertenaga baterai menghabiskan sebagian besar masa operasinya dalam keadaan siaga. Misalnya, konsumen dapat mengoperasikan kerai bermotor hanya dua kali per hari, atau mengunci dan membuka kunci elektronik sebanyak 20 kali per hari. Katup pada meteran gas atau meteran air hanya dapat digerakkan sekali dalam setahun. Arus siaga dari keseluruhan sistem harus rendah untuk mencapai masa pakai baterai yang lama dalam sistem ini.
Menambahkan sakelar beban pada rel suplai perangkat periferal dalam sistem adalah salah satu cara untuk menjaga arus siaga tetap rendah. Cara lain adalah dengan menggunakan perangkat dengan arus siaga rendah yang dioptimalkan untuk aplikasi baterai. DRV8210 dan DRV8212 memiliki arus tidur <84,5 nA untuk membantu mengurangi konsumsi arus siaga sistem. Cara lain untuk mengurangi arus siaga sistem adalah dengan menghilangkan pembagi resistor dan menyetel pin logika perangkat dengan resistor pull-down pada 0 V saat tidak beroperasi.
Mengelola Arus Besar untuk Mengurangi Konsumsi Energi dan Meningkatkan Masa Pakai
Arus besar dari motor menciptakan dua masalah dalam sistem baterai:mereka menggunakan energi secara tidak produktif, dan dapat menyebabkan sistem mengalami kondisi penguncian baterai rendah sebelum waktunya karena penurunan tegangan pada RBAT . Ada dua penyebab utama arus motor besar:arus masuk saat motor dihidupkan dan arus mati. Gambar 3 menunjukkan contoh arus ini.
Gambar 3. Arus masuk dan arus terhenti.
Menerapkan rutinitas soft-start untuk motor dengan meningkatkan siklus kerja modulasi lebar-pulsa dapat mengurangi arus masuk yang besar selama startup motor. Gambar 4 menunjukkan contoh implementasi hard start dan soft start untuk tumpukan empat baterai AAA yang habis.
Dalam Gambar 4(a) , arus masuk motor menyebabkan tegangan baterai turun selama start yang sulit karena penurunan tegangan pada RBAT . Jika sistem ini disetel ulang atau masuk ke status penguncian di bawah tegangan sekitar 3,5 V, motor tidak akan dapat melaju melebihi pengaktifan awal.
Gambar 4(b) menunjukkan bagaimana menggunakan soft start menyebabkan penurunan tegangan yang lebih rendah pada rel suplai, yang dapat membantu mencapai masa pakai yang lebih lama dari sistem dengan baterai yang habis.
Gambar 4. Sulit- (a) dan mulai lunak (b) arus masuk pada empat baterai AAA yang habis secara seri menggunakan DRV8210. Rutin soft-start yang ditampilkan di sini meningkatkan siklus kerja dari 0% menjadi 100% selama startup motor.
Untuk membantu mengendalikan arus mati, menambahkan resistor sensor arus dapat membantu mikrokontroler mendeteksi mati dan menonaktifkan driver motor sebelum menarik arus mati besar untuk jangka waktu yang lama. Kondisi macet dapat terjadi dari penyumbatan mekanis yang tidak disengaja atau beban mekanis mencapai titik henti (seperti deadbolt yang digerakkan sepenuhnya dalam smart lock).
Gambar 5 menunjukkan contoh implementasi sistem menggunakan DRV8212.
Gambar 5. Contoh diagram blok implementasi deteksi gangguan dengan DRV8212.
Konverter analog-ke-digital mikrokontroler mengukur tegangan resistor sensor dan membandingkan tegangan tersebut dengan ambang batas yang disimpan dalam firmware. Jika pengukuran arus melebihi ambang batas untuk jangka waktu tertentu, mikrokontroler menonaktifkan driver motor untuk menghemat daya. Penting untuk mengonfigurasi durasi waktu untuk mendeteksi gangguan sehingga arus masuk tidak secara tidak sengaja memicu deteksi gangguan.
Gambar 6 menunjukkan profil arus motor selama kondisi mati dengan penerapan deteksi mati, sedangkan Gambar 3 menunjukkan bentuk gelombang arus motor tanpa deteksi macet.
Gambar 6. Profil arus motor dengan deteksi macet.
Produsen baterai mengukur kapasitas baterai dalam mAh, jadi membatasi besarnya arus masuk dan durasi arus mati akan membantu memperpanjang masa pakai baterai.
Kesimpulan
Mungkin sulit untuk merancang sistem bertenaga baterai yang menggunakan motor karena masa pakai baterai yang terbatas, variasi tegangan baterai, dan arus motor yang besar. Menggunakan driver motor yang sesuai dengan rentang voltase baterai memudahkan upaya desain dengan menghilangkan konverter boost tambahan dan mengakomodasi voltase pengoperasian baterai minimum.
Meminimalkan arus siaga sistem secara keseluruhan dan menggunakan driver motor dengan mode tidur berdaya rendah mengurangi penggunaan energi yang terbuang dari baterai. Teknik soft-start dan deteksi macet juga dapat membantu meningkatkan masa pakai aplikasi baterai dengan mengurangi besarnya dan durasi arus motor besar dalam sistem.
Dengan menggunakan teknik ini, perancang sistem dapat memperpanjang masa pakai pengoperasian dalam sistem bertenaga baterai seperti produk sanitasi cerdas, kerai bermotor, kunci pintar elektronik, dan lainnya.
Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah milik mitra dan belum tentu milik All About Circuits atau penulisnya.
