整合動態過電流偵測的智慧門鎖馬達驅動器設計

作者 : Power Electronics News編輯團隊

本文介紹了一種整合的智慧門鎖馬達驅動器設計方案,具有動態過電流偵測功能,可以適應供電電壓和負載的變化。

目前大多數的智慧門鎖(smart lock)都是採用電池供電,電池壽命通常約6個月,最長可達一年,電池壽命長短取決於所使用的無線技術(Wi-Fi、藍牙、ZigBee),以及智慧門鎖開關頻率。以下是一個採用四顆AA電池供電的智慧門鎖馬達設計範例。

智慧門鎖製造商採用各種機制來偵測鎖舌(deadbolt)打開或關閉的完成情況,如限動開關(limit switch)、固定在軸上的加速度計、霍爾感測器和固定在齒輪上的磁鐵等。除馬達驅動器IC外,它們都需要相關外部元件。

有一種鎖舌位置偵測方案不需要額外元件,它可以量測馬達電流,在鎖舌因為馬達電流上升到預定閾值而鎖定時關閉馬達(參考圖1);不過該方案必須根據特定的供電電壓──通常是充滿電的電池──來判定。

 

圖1:馬達電流波形。

 

可以對該設計進行一些改進,測量每個馬達的均方根(RMS)電流,並設置不同的電流水準,以補償對比電池電壓(如圖2);本文將介紹採用這種設計方法時如何配置高壓GreenPAK IC。

 

圖2:具備補償的馬達電流波形。

 

操作步驟及工作原理

  1. 工作原理

該設計的操作共分為三個部分,如圖3所示:

  • 馬達失速檢查(Motor stall checking):啟動馬達100 ms後,如果馬達電流過高,驅動器將關閉機械裝置並測量馬達電流。
  • 電流水準設置:電流CMP Vref取決於馬達電流(設置為高於測量值)。
  • 過電流等待:如果在此期間馬達電流大於設定值,馬達則將關閉。

 

圖3: 設計操作。

 

  1. HV GreenPAK設計

 

圖4:HV GreenPAK設計。

 

電流CMP的登錄檔(RegFile)用於測量馬達電流。它有16個值,從高到低切換(請參考圖5)。

 

圖5:登錄檔資料。

 

250 ms之後,將登錄檔切換兩個值以設置一個新的電流水準,如圖6所示。當馬達電流增加到該新的電流水準時,馬達關閉(請參考圖7)。

 

圖6:使用登錄檔。

 

 

圖7:馬達關閉操作。

 

對於不同的供電電壓和負載,馬達電流將不同。馬達電流越高,「馬達關閉水準」也越高。

應用電路

 

圖8:典型應用電路。

 

  • PIN#2馬達開啟──上升沿啟動馬達。
  • PIN#3馬達方向──馬達方向旋轉:高位準──正向旋轉,低位準──反向旋轉。
  • VDD範圍:2.3V~5.5V。
  • VDD2範圍:3.6V~6.0V。

馬達測試

 

表1:馬達參數。

 

當電源電壓為6.0V時,馬達啟動電流約為2A,200mS後下降至標稱值,該值取決於電源電壓(見圖9至12)。

 

圖9:3.6V電源電壓時的馬達啟動電流波形。

 

 

圖10:3.6V電源電壓時的馬達空載電流。

 

 

圖11:6.0V電源電壓時的馬達啟動電流波形。

 

 

圖12:6.0V電源電壓時的馬達空載電流。

 

運作波形的設計

正常運作

  • 供電壓:6.0V。
  • 馬達RMS電流:170 mA。
  • 馬達關閉電流:620 mA。

圖13:6.0V電源電壓時的馬達空載電流。

 

  • 電源電壓:3.6V。
  • 馬達RMS電流:127 mA。
  • 馬達關閉電流:460 mA。

 

圖14:3.6 V電源電壓時的馬達空載電流。

 

  • 電源電壓:3.0V。
  • 馬達RMS電流:310 mA。
  • 馬達關閉電流:670 mA。

 

圖15:3.0 V電源電壓時的馬達負載電流

 

啟動時馬達失速

馬達失速偵測時間為100ms。如果啟動後的100ms內馬達電流過高,馬達將自動關閉。

 

圖16:3.6V至6.0V電源電壓時的失速馬達電流。

 

結論

本文介紹了使用高電壓GreenPAK的一個設計範例,描述了針對特定馬達和電池組的整合設計客製化方法。這是一種非常靈活的馬達控制解決方案,採用可配置的內部邏輯,可滿足設計人員的需求。將馬達驅動器整合到GreenPAK,意味著整個電路適合小型實體空間。

設計人員可以根據馬達電流或電源電壓的變化調整電路。GreenPAK還允許設計恆流和恆壓馬達驅動器,並提供嵌入式保護功能,如過電流保護、欠壓保護和過溫保護等。

責編:Judith Cheng

(參考原文:Integrated Smart Lock Motor Driver with Dynamic Overcurrent Detection )

 

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