如何在低壓供電下驅(qū)動(dòng)步進(jìn)或直流電機(jī)

盡管IoT和手持設(shè)備的電源有限，通常只有一節(jié)電池，但這些應(yīng)用往往都依賴于執(zhí)行器。出于成本與可靠性的考慮，無論是用于安防、家庭自動(dòng)化、醫(yī)療與電池驅(qū)動(dòng)的POS機(jī)，多數(shù)設(shè)備所用的電池節(jié)數(shù)較少，電壓通常在2.4V到4.3V范圍內(nèi)。這些設(shè)備中的執(zhí)行器往往只需要短時(shí)運(yùn)動(dòng)，比如調(diào)整閥門、注射藥物或是移動(dòng)攝像頭等。有限的電源同樣限制了峰值功率以及長期功耗。因此，即便占空比較低，能量效率依然至關(guān)重要。

本文著重分析如何利用本地電源（比如單節(jié)鋰離子電池或雙/三節(jié)AA電池）驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和/或直流電機(jī)。并將加入升壓穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與低壓用繞線式電機(jī)的方案進(jìn)行對(duì)比。

簡(jiǎn)介

盡管供電有限，但越來越多的手持設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都依賴于執(zhí)行器。雖然更大電池能帶來一些好處，但出于成本、可靠性、尺寸以及重量、壽命、安全與回收的考慮，節(jié)數(shù)較少的電池需求才是設(shè)備生產(chǎn)商的首選。無論是家庭自動(dòng)化、安全、醫(yī)療還是手持POS設(shè)備，首選的電源電壓范圍都在2.4V到4.3V之間。

然而這些電池的某些特性為電機(jī)本身，以及電機(jī)控制與運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)和技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制面臨的問題是：如何在低壓電源下高效控制一個(gè)步進(jìn)或直流電機(jī)？

A優(yōu)化目標(biāo)

較低的總功耗有利于減小能量存儲(chǔ)所需的空間，也可以提高產(chǎn)品的壽命與服務(wù)周期。根據(jù)設(shè)備占空比，總功耗由不同的工作階段與占空比，以及待機(jī)電流與期望待機(jī)壽命決定。電源還需要提供工作所需的瞬時(shí)峰值功率。這對(duì)高阻抗的電源，比如不可充電的舊AA電池來說是一大問題。 此外，低壓供電的工作可以簡(jiǎn)化電路，比如減少所需的電池節(jié)數(shù)，簡(jiǎn)化充電過程。 一個(gè)待機(jī)與脈沖負(fù)載對(duì)比的例子：100μA的待機(jī)電流下，每年將消耗0.1mA*24h*365=876mAh的電量。而對(duì)于脈沖負(fù)載來說，如果每天工作時(shí)間為10秒，工作電流為500mA的話，每年將消耗500mA*365*10/3600=507mAh的電量。這個(gè)例子表明，對(duì)于工作占空比較低的應(yīng)用，待機(jī)電流很可能會(huì)帶來麻煩?，F(xiàn)在一般使用功率IC來讓系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)省額外的（半導(dǎo)體）電源開關(guān)。盡管額外開關(guān)的成本不高，但在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)可能會(huì)浪費(fèi)大量能量，因?yàn)橥ㄟ^開關(guān)的電流為滿載狀態(tài)。

B電池參數(shù)

不同類型的電池參數(shù)是通過測(cè)量得到的。就拿堿性電池來說，“接近沒電”是一個(gè)難以判斷的狀態(tài)，因?yàn)楸M管部分區(qū)域依然存在能量，但已經(jīng)出現(xiàn)電壓降低和內(nèi)阻升高的情況。因此對(duì)于電子設(shè)備來說，“沒電”通常對(duì)應(yīng)電池化學(xué)成分的減半。電池的峰值功率受限于電源內(nèi)阻，例如AA電池的內(nèi)阻或是鋰離子電池的保護(hù)電路。對(duì)高內(nèi)阻電源來說，電壓降為一半（比如1.5V電池的電壓將為0.75V）時(shí)仍可以達(dá)到最大功率。電池在接近沒電時(shí)還能在峰值狀態(tài)下短暫使用一段時(shí)間是完全合理的，因?yàn)橐话氲哪芰坷速M(fèi)在電池內(nèi)部。這種方式下可以徹底用盡電池。 考慮到微控制器的直接工作以及電池的附加電路，必須要給微控制器設(shè)定一個(gè)更低的電壓值，，比如3.3V的微控制器需要限制到3.0V，或是一個(gè)1.8V的設(shè)備則需將電壓值限制到2V左右。這么做的目的是為了避免微控制器在峰值負(fù)載下復(fù)位。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)一個(gè)“接近沒電”的不可充電雙AA電池來說，2V下的可用功率是相當(dāng)有限的，還不到峰值功率的一半。而對(duì)“接近沒電”狀態(tài)下的雙AA堿性電池來說，剩余電壓為2.61V時(shí)，峰值功率仍有2.06W，電壓大于2V時(shí)仍然可以做到0.74W的輸出功率。

C改進(jìn)電源：加入一個(gè)超級(jí)電容

在高內(nèi)阻電源內(nèi)提供短時(shí)峰值電流的一個(gè)簡(jiǎn)單方法就是增加一個(gè)超級(jí)電容。需要注意的是，超級(jí)電容的最大承受電壓為2.7V，因此當(dāng)供電超過這個(gè)值時(shí)必須做好保護(hù)，可以加入一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器。對(duì)于更高的電壓來說，可以將兩個(gè)電容串聯(lián)。要注意的是雙電容需要加入一個(gè)平衡的方法，比如（有源）齊納二極管。一個(gè)使用（超級(jí)）電容進(jìn)行電源緩沖的例子：在1s，500mA的負(fù)載下，要求最大壓降為0.2V。 所需電容： ? 0.5F電容的尺寸：高度12mm，直徑8mm；10F電容的尺寸：高度22.5mm，直徑12mm ?

D改進(jìn)電源：加入一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器

低壓電源通過升壓轉(zhuǎn)換器可以提供高壓輸出。要想充分利用堿性電池，或是面對(duì)無法在低壓下工作的IC來說，這是一個(gè)理想的方案。升壓轉(zhuǎn)換器的倍數(shù)一般在1到4之間，一般來說，轉(zhuǎn)換倍數(shù)越高，效率會(huì)越低。因此3V的電源可以輕松升壓到3V到10V左右?，F(xiàn)成的IC只需要一個(gè)電感（這是其中最大也通常是最貴的元件）和幾個(gè)電容而已。

低壓驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)最具優(yōu)勢(shì)的使用場(chǎng)景有定位應(yīng)用、要求相對(duì)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用、要求較長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定位置的應(yīng)用、短暫運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用、需要精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)速度的應(yīng)用或是要求大轉(zhuǎn)矩低速度的應(yīng)用。通常來說，步進(jìn)電機(jī)有兩種：低成本的永磁步進(jìn)電機(jī)和昂貴的混合型步進(jìn)電機(jī)。

通常來說，電池驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用需要的解決方案會(huì)更加緊湊，NEMA 17這類標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)體積太大。NEMA 17由于大規(guī)模使用，在3D打印機(jī)等應(yīng)用中可提供最高的性價(jià)比，體積稍小的混合步進(jìn)電機(jī)NEMA 11和NEMA 8，乃至更小的電機(jī)往往價(jià)格更高。因此，廉價(jià)，且可針對(duì)制造商特定的安裝方式提供各種不同大小的永磁步進(jìn)電機(jī)成為了移動(dòng)解決方案的首選。標(biāo)準(zhǔn)類型的永磁步進(jìn)電機(jī)使用的線圈通常是5V或12V。這兩種電壓規(guī)格也不適合電池方案。與之相反，它們通常用于恒壓驅(qū)動(dòng)，而且電機(jī)速度相當(dāng)有限，因?yàn)椴]有為反電動(dòng)勢(shì)留出余量，而反電動(dòng)勢(shì)在速度提升時(shí)也會(huì)逐漸增加。一個(gè)5V或者12V的線圈需要在電機(jī)上使用大量細(xì)線繞組。 為了適應(yīng)低壓運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，需要用到少量的粗線繞組。這實(shí)現(xiàn)起來很簡(jiǎn)單，而且所有電機(jī)制造商都提供繞組服務(wù)。但哪種繞組最適合電池供電呢？

為了理解這個(gè)問題，我們不妨看看步進(jìn)電機(jī)的供電需求：電機(jī)轉(zhuǎn)矩與線圈電流乘以匝數(shù)成正比，因?yàn)槊堪才嗟碾娏鞫紩?huì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生一定影響，從而影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩。 兩個(gè)電機(jī)線圈中電流標(biāo)稱值達(dá)到要求的磁場(chǎng)強(qiáng)度后，也就達(dá)到了指定的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。低電流會(huì)生成低轉(zhuǎn)矩，比如70%的電流對(duì)應(yīng)70%的轉(zhuǎn)矩。哪怕只是降低至70%也能節(jié)省很多能量，因?yàn)楣β蕮p耗與電流的平方成正比。因此，轉(zhuǎn)矩裕度更大的電機(jī)可以提供更高的效率。 有了這些值，即可將電機(jī)止轉(zhuǎn)時(shí)所需的電壓UBAT計(jì)算出來，再考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)的阻值以及感應(yīng)電阻上的電壓損失（比如TMC2300低壓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的每個(gè)MOSFET橋電阻為170 m?，感應(yīng)電阻上的峰值電壓為0.3V）： ? ICOIL為電機(jī)電流的標(biāo)稱值，在止轉(zhuǎn)時(shí)給予理想的轉(zhuǎn)矩。慢速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)可以忽略不計(jì)，因此與止轉(zhuǎn)情況下的計(jì)算區(qū)別不大。 ? 對(duì)于高速工作來說，電機(jī)的特定反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)應(yīng)該考慮進(jìn)去（解釋如下）。因此，所用電機(jī)在最大速度[RPM]下的最低電源電壓為： ? ? 該等式運(yùn)用保持轉(zhuǎn)矩和指定線圈電流（從電機(jī)規(guī)格書中獲?。┑纳虂碛?jì)算電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 ? 對(duì)大多數(shù)電機(jī)供應(yīng)商來說，線圈繞組必須適用于電池驅(qū)動(dòng)。這樣的話就不需要較高的電機(jī)電流，比如一個(gè)用短粗線圈繞組的電機(jī)在低壓下運(yùn)轉(zhuǎn)，而不是在同樣的電機(jī)上利用細(xì)長線圈繞組，后者實(shí)現(xiàn)相同轉(zhuǎn)矩需要更高的電流。這種兩種電機(jī)繞組的線圈功率損耗和電機(jī)效率保持一致。

A示例：熱風(fēng)閥使用的線性執(zhí)行器

原電機(jī)：線圈阻值5 ?；改動(dòng)后的電機(jī)：1.5 ?，測(cè)試在3.3V和5V的TMC2300低壓驅(qū)動(dòng)IC下進(jìn)行，假設(shè)電機(jī)功率損耗相同。電機(jī)在320Hz整步下工作（大于諧振頻率）。下面的示波器截圖展示了供電電流、電機(jī)線圈電流（低阻電機(jī)下電流增加）和供電電壓的不同峰值。

示波器截圖展示了1.5 ?電機(jī)（改良繞組）在3.3V下（左）的線圈電流vs 5.0 ?電機(jī)在5V下（右）的線圈電流。供電電流（紫色）和供電電壓（綠色）

基于測(cè)量結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論，在同樣的驅(qū)動(dòng)IC下，低壓電機(jī)可以在低電壓下提供相同的轉(zhuǎn)矩。由于線圈電流的升高，驅(qū)動(dòng)級(jí)的功率損耗也隨之提高，增加了功率需求。再者，當(dāng)使用單個(gè)鋰離子電池作為電源時(shí)，可以省去一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器（效率有限，約在90-95%之間）。 此外，該例還表明了低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC中，功率級(jí)的內(nèi)阻是影響效率的關(guān)鍵。高內(nèi)阻不僅在功率級(jí)損耗了更多功率，同樣降低了驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的電壓余度。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)IC，哪怕是針對(duì)低壓設(shè)計(jì)，也存在著低壓?jiǎn)栴}。 拿一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)MOSFET為例，它與集成在IC中的MOSFET類似。FET的最終導(dǎo)通電阻（RDSon）位于4V到6V間的柵極電壓間。低于4V的區(qū)域可以看出電阻急劇增加，為了實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通內(nèi)阻，電池供電驅(qū)動(dòng)IC需要一個(gè)內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器，至少能夠驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。下圖的曲線說明了導(dǎo)通內(nèi)阻與電源電壓的關(guān)系。該IC是專為低壓工作設(shè)計(jì)的，集成了一個(gè)倍壓器而不是標(biāo)準(zhǔn)電阻，用于控制功率級(jí)。只比較曲線的形狀，而不是實(shí)際值。 2節(jié)AA電池供電的工作區(qū)域被標(biāo)為藍(lán)色，可以看出MOSFET與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)IC在RDSon上有兩倍的差距，而單節(jié)鋰離子電池的工作電壓在3V-4V之間，仍然可以看出優(yōu)化IC帶來的顯著優(yōu)勢(shì)。 以下是測(cè)試結(jié)果的比較圖，左圖為MOSFET（BSS138）的低壓工作狀態(tài)，其性能參數(shù)與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的功率級(jí)相近。右圖為專用低壓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的低壓工作狀態(tài)，該IC利用內(nèi)部電路來增強(qiáng)MOSFET的導(dǎo)電性。

低壓驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)

低壓驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)有沒有挑戰(zhàn)呢？答案是沒有，低壓并不成問題。哪怕在1.5V到6V這個(gè)范圍，也有數(shù)百種電機(jī)可供選用。只要接入電源就能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但只要電機(jī)是速度、方向或轉(zhuǎn)矩控制的，CPU也是由同一電源供電，那么就必須限制電機(jī)電流。 以下示波器截圖解釋了這么做的原因：電機(jī)加速會(huì)產(chǎn)生明顯的壓降，改變電機(jī)方向時(shí)壓降更大。壓降會(huì)導(dǎo)致敏感的CPU低于工作電壓。這個(gè)問題要怎么解決呢？一個(gè)電流限制驅(qū)動(dòng)可以自動(dòng)避免這種情況，將電機(jī)電流限制到所需的值。 第一張圖展示了一個(gè)直流電機(jī)工作的開始到停止。電流的限制只靠電機(jī)阻值，電流超過1A。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，峰值電流達(dá)到1.5A。第二張圖展示了電流在智能驅(qū)動(dòng)IC（TMC7300）限制下電機(jī)反轉(zhuǎn)的情況. 左圖展示了一個(gè)3V電機(jī)在3.3V供電下的起止過程。其中電機(jī)開始工作時(shí)的1A峰值電流（藍(lán)線）導(dǎo)致了壓降。限流的只有線圈電阻。右圖展示了3V電機(jī)在3.3V供電時(shí)反轉(zhuǎn)的情況。供電電流的峰值有電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC TMC7300限制在500mA。

低壓驅(qū)動(dòng)一個(gè)無刷直流電機(jī)

在無人機(jī)等新型應(yīng)用的推動(dòng)下，低壓高轉(zhuǎn)矩的無刷直流電機(jī)有了更高的適用性。這些電機(jī)的線圈電阻非常低，因此第一個(gè)等式中的供電電壓將變?yōu)橐粋€(gè)與所需轉(zhuǎn)速相關(guān)的函數(shù)。由于無刷電機(jī)無論何時(shí)都需要閉環(huán)換相，因此必須內(nèi)置一個(gè)電流控制回路，而且其擴(kuò)展性足以兼顧電源的最大電流輸出。同樣需要注意的是，驅(qū)動(dòng)IC的RDSon對(duì)應(yīng)用來說也很重要，和步進(jìn)電機(jī)一樣：尤其是在低壓下工作時(shí)，因此應(yīng)該使用低壓下RDSon同樣低的驅(qū)動(dòng)IC，比如TMC6300。使用標(biāo)準(zhǔn)IC的話，RDSon很可能與線圈電阻處于同一數(shù)量級(jí)。

結(jié)論

電源是每個(gè)手持設(shè)備的核心。低電池節(jié)數(shù)的需求為電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。為了優(yōu)化效率、重量和和成本，最重要的一點(diǎn)就是明確這些挑戰(zhàn)，用最佳的方案解決它們。 如本文中提到的，低壓的挑戰(zhàn)可以通過改進(jìn)電源來解決，比如使用升壓轉(zhuǎn)換器或超級(jí)電容。但是這兩種方法都有其弊端。此外，那些聲稱為低壓電機(jī)的電機(jī)，并非都適合電池供電，因?yàn)樗鼈冇械氖菫槭须娤碌牡蛪汗ぷ鞫O(shè)計(jì)的。 為了推動(dòng)電池供電設(shè)備的創(chuàng)新，專用的低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC與合適的電機(jī)搭配是最完美的方案。除了在便攜應(yīng)用中加入智能功率IC等成熟技術(shù)外，專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)還能降低管理成本，改善用戶體驗(yàn)。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：移動(dòng)與無線IoT設(shè)備的低壓電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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