移動與無線IoT設備的低壓電機控制系統設計
如何在低壓供電下驅動步進或直流電機
儘管IoT和手持設備的電源有限，通常只有一節電池，但這些應用往往都依賴於執行器。出於成本與可靠性的考慮，無論是用於安防、家庭自動化、醫療與電池驅動的POS機，多數設備所用的電池節數較少，電壓通常在2.4V到4.3V範圍內。這些設備中的執行器往往只需要短時運動，比如調整閥門、注射藥物或是移動攝像頭等。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，能量效率依然至關重要。
本文著重分析如何利用本地電源（比如單節鋰離子電池或雙/三節AA電池）驅動步進電機和/或直流電機。並將加入升壓穩壓器的拓撲結構與低壓用繞線式電機的方案進行對比。
簡介
儘管供電有限，但越來越多的手持設備與物聯網應用都依賴於執行器。雖然更大電池能帶來一些好處，但出於成本、可靠性、尺寸以及重量、壽命、安全與回收的考慮，節數較少的電池需求才是設備生產商的首選。無論是家庭自動化、安全、醫療還是手持POS設備，首選的電源電壓範圍都在2.4V到4.3V之間。
然而這些電池的某些特性為電機本身，以及電機控制與運動控制的設計和技術帶來了新的挑戰。電機與運動控制面臨的問題是：如何在低壓電源下高效控制一個步進或直流電機？
A
優化目標
較低的總功耗有利於減小能量存儲所需的空間，也可以提高產品的壽命與服務周期。根據設備占空比，總功耗由不同的工作階段與占空比，以及待機電流與期望待機壽命決定。電源還需要提供工作所需的瞬時峰值功率。這對高阻抗的電源，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化電路，比如減少所需的電池節數，簡化充電過程。
一個待機與脈衝負載對比的例子：100μA的待機電流下，每年將消耗0.1mA*24h*365=876mAh的電量。而對於脈衝負載來說，如果每天工作時間為10秒，工作電流為500mA的話，每年將消耗500mA*365*10/3600=507mAh的電量。這個例子表明，對於工作占空比較低的應用，待機電流很可能會帶來麻煩。現在一般使用功率IC來讓系統進入待機狀態，以節省額外的（半導體）電源開關。儘管額外開關的成本不高，但在導通時間內可能會浪費大量能量，因為通過開關的電流為滿載狀態。
B
電池參數
不同類型的電池參數是通過測量得到的。就拿鹼性電池來說，「接近沒電」是一個難以判斷的狀態，因為儘管部分區域依然存在能量，但已經出現電壓降低和內阻升高的情況。因此對於電子設備來說，「沒電」通常對應電池化學成分的減半。電池的峰值功率受限於電源內阻，例如AA電池的內阻或是鋰離子電池的保護電路。對高內阻電源來說，電壓降為一半（比如1.5V電池的電壓將為0.75V）時仍可以達到最大功率。電池在接近沒電時還能在峰值狀態下短暫使用一段時間是完全合理的，因為一半的能量浪費在電池內部。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定一個更低的電壓值，，比如3.3V的微控制器需要限制到3.0V，或是一個1.8V的設備則需將電壓值限制到2V左右。這麼做的目的是為了避免微控制器在峰值負載下複位。實驗表明，對一個「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有限的，還不到峰值功率的一半。而對「接近沒電」狀態下的雙AA鹼性電池來說，剩餘電壓為2.61V時，峰值功率仍有2.06W，電壓大於2V時仍然可以做到0.74W的輸出功率。
C
改進電源：加入一個超級電容
在高內阻電源內提供短時峰值電流的一個簡單方法就是增加一個超級電容。需要注意的是，超級電容的最大承受電壓為2.7V，因此當供電超過這個值時必須做好保護，可以加入一個低壓差線性穩壓器。對於更高的電壓來說，可以將兩個電容串聯。要注意的是雙電容需要加入一個平衡的方法，比如（有源）齊納二極體。一個使用（超級）電容進行電源緩衝的例子：在1s，500mA的負載下，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
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改進電源：加入一個升壓轉換器
低壓電源通過升壓轉換器可以提供高壓輸出。要想充分利用鹼性電池，或是面對無法在低壓下工作的IC來說，這是一個理想的方案。升壓轉換器的倍數一般在1到4之間，一般來說，轉換倍數越高，效率會越低。因此3V的電源可以輕鬆升壓到3V到10V左右。現成的IC只需要一個電感（這是其中最大也通常是最貴的元件）和幾個電容而已。
低壓驅動步進電機
步進電機最具優勢的使用場景有定位應用、要求相對運動的應用、要求較長時間內保持穩定位置的應用、短暫運動的應用、需要精準運動速度的應用或是要求大轉矩低速度的應用。通常來說，步進電機有兩種：低成本的永磁步進電機和昂貴的混合型步進電機。
通常來說，電池驅動的應用需要的解決方案會更加緊湊，NEMA 17這類標準的步進電機體積太大。NEMA 17由於大規模使用，在3D印表機等應用中可提供最高的性價比，體積稍小的混合步進電機NEMA 11和NEMA 8，乃至更小的電機往往價格更高。因此，廉價，且可針對製造商特定的安裝方式提供各種不同大小的永磁步進電機成為了移動解決方案的首選。標準類型的永磁步進電機使用的線圈通常是5V或12V。這兩種電壓規格也不適合電池方案。與之相反，它們通常用於恆壓驅動，而且電機速度相當有限，因為並沒有為反電動勢留出餘量，而反電動勢在速度提升時也會逐漸增加。一個5V或者12V的線圈需要在電機上使用大量細線繞組。
為了適應低壓運轉的電機，需要用到少量的粗線繞組。這實現起來很簡單，而且所有電機製造商都提供繞組服務。但哪種繞組最適合電池供電呢？
為了理解這個問題，我們不妨看看步進電機的供電需求：電機轉矩與線圈電流乘以匝數成正比，因為每安培的電流都會對磁場產生一定影響，從而影響電機轉矩。
兩個電機線圈中電流標稱值達到要求的磁場強度後，也就達到了指定的電機轉矩。低電流會生成低轉矩，比如70%的電流對應70%的轉矩。哪怕只是降低至70%也能節省很多能量，因為功率損耗與電流的平方成正比。因此，轉矩裕度更大的電機可以提供更高的效率。
有了這些值，即可將電機止轉時所需的電壓UBAT計算出來，再考慮電機驅動功率級的阻值以及感應電阻上的電壓損失（比如TMC2300低壓步進電機驅動的每個MOSFET橋電阻為170 m?，感應電阻上的峰值電壓為0.3V）：
ICOIL為電機電流的標稱值，在止轉時給予理想的轉矩。慢速運轉時，反電動勢可以忽略不計，因此與止轉情況下的計算區別不大。
對於高速工作來說，電機的特定反電動勢常數應該考慮進去（解釋如下）。因此，所用電機在最大速度[RPM]下的最低電源電壓為：
該等式運用保持轉矩和指定線圈電流（從電機規格書中獲取）的商來計算電機的反電動勢常數。
對大多數電機供應商來說，線圈繞組必須適用於電池驅動。這樣的話就不需要較高的電機電流，比如一個用短粗線圈繞組的電機在低壓下運轉，而不是在同樣的電機上利用細長線圈繞組，後者實現相同轉矩需要更高的電流。這種兩種電機繞組的線圈功率損耗和電機效率保持一致。
A
示例：熱風閥使用的線性執行器
原電機：線圈阻值5 ?；改動後的電機：1.5 ?，測試在3.3V和5V的TMC2300低壓驅動IC下進行，假設電機功率損耗相同。電機在320Hz整步下工作（大於諧振頻率）。下面的示波器截圖展示了供電電流、電機線圈電流（低阻電機下電流增加）和供電電壓的不同峰值。
示波器截圖展示了1.5 ?電機（改良繞組）在3.3V下（左）的線圈電流vs 5.0 ?電機在5V下（右）的線圈電流。供電電流（紫色）和供電電壓（綠色）
基於測量結果，我們可以得出以下結論，在同樣的驅動IC下，低壓電機可以在低電壓下提供相同的轉矩。由於線圈電流的升高，驅動級的功率損耗也隨之提高，增加了功率需求。再者，當使用單個鋰離子電池作為電源時，可以省去一個升壓轉換器（效率有限，約在90-95%之間）。
此外，該例還表明了低壓電機驅動IC中，功率級的內阻是影響效率的關鍵。高內阻不僅在功率級損耗了更多功率，同樣降低了驅動執行器的電壓余度。傳統的驅動IC，哪怕是針對低壓設計，也存在著低壓問題。
拿一個標準MOSFET為例，它與集成在IC中的MOSFET類似。FET的最終導通電阻（RDSon）位於4V到6V間的柵極電壓間。低於4V的區域可以看出電阻急劇增加，為了實現低導通內阻，電池供電驅動IC需要一個內部升壓轉換器，至少能夠驅動功率MOSFET。下圖的曲線說明了導通內阻與電源電壓的關係。該IC是專為低壓工作設計的，集成了一個倍壓器而不是標準電阻，用於控制功率級。只比較曲線的形狀，而不是實際值。
2節AA電池供電的工作區域被標為藍色，可以看出MOSFET與傳統驅動IC在RDSon上有兩倍的差距，而單節鋰離子電池的工作電壓在3V-4V之間，仍然可以看出優化IC帶來的顯著優勢。
以下是測試結果的比較圖，左圖為MOSFET（BSS138）的低壓工作狀態，其性能參數與一個標準電機驅動IC的功率級相近。右圖為專用低壓步進電機驅動IC的低壓工作狀態，該IC利用內部電路來增強MOSFET的導電性。
低壓驅動一個直流電機
低壓驅動一個直流電機有沒有挑戰呢？答案是沒有，低壓並不成問題。哪怕在1.5V到6V這個範圍，也有數百種電機可供選用。只要接入電源就能驅動電機。但只要電機是速度、方向或轉矩控制的，CPU也是由同一電源供電，那麼就必須限制電機電流。
以下示波器截圖解釋了這麼做的原因：電機加速會產生明顯的壓降，改變電機方向時壓降更大。壓降會導致敏感的CPU低於工作電壓。這個問題要怎麼解決呢？一個電流限制驅動可以自動避免這種情況，將電機電流限制到所需的值。
第一張圖展示了一個直流電機工作的開始到停止。電流的限制只靠電機阻值，電流超過1A。當電機反轉時，峰值電流達到1.5A。第二張圖展示了電流在智能驅動IC（TMC7300）限制下電機反轉的情況.
左圖展示了一個3V電機在3.3V供電下的起止過程。其中電機開始工作時的1A峰值電流（藍線）導致了壓降。限流的只有線圈電阻。右圖展示了3V電機在3.3V供電時反轉的情況。供電電流的峰值有電機驅動IC TMC7300限制在500mA。
低壓驅動一個無刷直流電機
在無人機等新型應用的推動下，低壓高轉矩的無刷直流電機有了更高的適用性。這些電機的線圈電阻非常低，因此第一個等式中的供電電壓將變為一個與所需轉速相關的函數。由於無刷電機無論何時都需要閉環換相，因此必須內置一個電流控制迴路，而且其擴展性足以兼顧電源的最大電流輸出。同樣需要注意的是，驅動IC的RDSon對應用來說也很重要，和步進電機一樣：尤其是在低壓下工作時，因此應該使用低壓下RDSon同樣低的驅動IC，比如TMC6300。使用標準IC的話，RDSon很可能與線圈電阻處於同一數量級。
結論
電源是每個手持設備的核心。低電池節數的需求為電機和運動控制的設計帶來了新的挑戰。為了優化效率、重量和和成本，最重要的一點就是明確這些挑戰，用最佳的方案解決它們。
如本文中提到的，低壓的挑戰可以通過改進電源來解決，比如使用升壓轉換器或超級電容。但是這兩種方法都有其弊端。此外，那些聲稱為低壓電機的電機，並非都適合電池供電，因為它們有的是為市電下的低壓工作而設計的。
為了推動電池供電設備的創新，專用的低壓電機驅動IC與合適的電機搭配是最完美的方案。除了在便攜應用中加入智能功率IC等成熟技術外，專用的電機驅動還能降低管理成本，改善用戶體驗。
