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無電池操作的電機監控系統的設計

放大字體??縮小字體 發布日期:2019-02-19 14:07:12 ??來源:新能源汽車網??編輯:全球新能源汽車網??瀏覽次數:297
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早期檢測電機故障對于最大限度地減少停機時間和確保電機驅動設備和設施的安全運行至關重要。使用熱電發電機(TEG),專用電源管理IC,無線MCU以及少量附加組件,工程師可以構建一個無線傳感器系統,通過從電機本身的熱量中提取能量,實現持續的無電池操作。

電機運行特性的顯著變化可能表明電機即將發生或可能發生故障。特別是,溫度測量提供了特別有效的電動機性能指標,因為許多電氣和機械問題直接導致電動機溫度升高。例如,高溫通常是軸承故障的第一個跡象。實際上,溫度升高可能是由于環境溫度高,電壓不平衡,負載過大,污染或進氣口受阻等多種情況造成的 - 任何一種情況都會侵蝕電機性能并縮短其使用壽命。實際上,經驗表明,當工作溫度超過其額定溫度時,每10°C電機壽命減少50%。

使用一對現成的IC,設計人員可以構建復雜的無線傳感器系統能夠在從電機本身的熱量中獲取電力的同時執行各種測量。作為此設計的核心,專門的能量收集電源管理IC(PMIC)和無線MCU提供了提取熱功率和執行傳感器測量所需的基本功能(圖1)。雖然PMIC優化了TEG的能量轉換并管理可選的存儲設備,但MCU使用其集成的模擬外設來收集傳感器數據及其集成的RF收發器,以便與主機控制器或其他設備進行無線通信

無電池操作的電機監控系統的設計

圖1:在環境能源中,熱能可以提供大量電力,特別是在電機監控應用中;能量采集IC和無線MCU的組合在很大程度上完成了由該熱源供電的無線傳感器系統的設計,并使用MCU的集成模擬外設進行傳感器數據采集。 (德州儀器公司提供)

電源要求

能量收集方法使設計人員能夠創建能夠運行多年而無需更換電池甚至根本不需要電池的系統。能量收集應用的首要考慮因素是能源不僅能滿足平均功率要求,而且能夠處理周期性的峰值功率負荷。對于無線應用,無線通信的本質強調了這些問題。

當系統首次偵聽其他設備然后傳輸其數據時,典型的無線事務包括接收和發送階段。對于傳感器系統,這些通信事務可能僅持續幾毫秒但相隔幾秒(或幾分鐘)。結果,系統通常將其大部分時間用于低功率空閑或睡眠狀態。因此,無線傳感器系統的功耗曲線的特征通常在于,當系統從其睡眠狀態喚醒,執行其無線電事務以及在返回其之前執行相關的后處理例程時,由突發的活動周期性地中斷延長的靜止時段。低功耗睡眠狀態(圖2)。

無電池操作的電機監控系統的設計

圖2:無線電接收和傳輸表示大多數小型無線系統中的峰值電流需求,這些系統使用流行的通信協議,如藍牙低功耗,如此處所示。 (德州儀器公司提供)

對于圖2所示的藍牙低功耗(BLE)通信事件,德州儀器工程師發現 [1] CC2541收發器IC具有峰值電流接收和傳輸的電平均為17.5 mA。在這種情況下,工程師測量了完整通信事件的平均電流消耗為8.3 mA,持續時間約為3毫秒。實際上,使用TI CC2650等更新型收發器的設計中的電流要求甚至更低。

CC2650內置支持各種無線協議,包括一個片上2.4 GHz RF收發器,能夠支持BLE或IEEE 802.15.4無線通信。除了ARM ® Cortex ® -M3主機處理器外,CC2650還集成了一個專用于執行的超低功耗ARM Cortex-M0內核無線堆棧包括Bluetooth Smart ®,ZigBee ®和6LoWPAN。結果是一種能夠提供重要處理和通信功能,同時保持能量采集設計所需的極低功耗水平的設備。

與早期的CC2541相比,CC2650僅消耗5.9 mA有源接收模式和有效傳輸中的6.1 mA(0 dBm)。此外,CC2650的有效狀態功耗僅為2.8 mA左右,而CC2541的功耗僅為8.3 mA。因此,采用最新器件(如CC2650)的設計中的電流消耗約為6.1 mA峰值電流和明顯較低的平均電流 - 約為早期CC2541所需電流的三分之一。

同樣時間,CC2650具有低功耗空閑模式,僅消耗500μA電流,同時保持系統電源和RAM的供電。實際上,CC2650具有低功耗待機狀態,運行實時時鐘僅占用1μA,并保留RAM和CPU狀態。在500μA空閑模式下,器件僅在14μs內轉換為有源模式,但從1μA待機模式轉換到有源模式需要151μs。雖然許多傳感器應用可以放心地交換更長的喚醒時間以降低功耗,但設計人員需要仔細評估睡眠功率要求和響應時間之間的權衡。

除了這些基本性能要求外,傳感器 - 數據采集和信號處理當然會增加額外的功率要求。因此,特定的無線傳感器應用會對諸如處理負載和睡眠持續時間等因素征收其自身的獨特要求。然而,這一快速分析表明,集成無線MCU(如CC2650甚至CC2541)將在能量收集設計的能力范圍內提供良好的功率要求 - 特別是在設計用于從工業電機中收集能量的應用中。

電力供應

規定工業電機允許相對較高的工作溫度升高。美國國家電氣制造商協會(NEMA)A級的電機允許的溫升為60°C,NEMA F級電機在額定功率(即服務系數1.0)下運行時可以增加125°C。利用這種豐富的熱能,利用TEG進行能量收集是發電的理想解決方案。

TEG產生的功率與兩個面之間的溫差成正比。因此,設計人員需要采取措施確保TEG“冷”側的溫度保持顯著低于TEG的電機(熱)側。對于這種應用,在大多數情況下,使用傳統的翅片散熱器進行對流冷卻可確保TEG上的溫度差合理。

在環境溫度較高的環境中,簡單的對流冷卻可能只會產生最低溫度差分 - 同時降低功率輸出。為了確保即使在低能級下也能實現最大功率輸出,設計人員需要將TEG保持在TEG功率曲線上的最大功率點。此外,盡管存在低水平的持續能量轉換,但可能需要使用合適的能量存儲設備來確保能夠在無線通信交易期間滿足峰值需求的穩定電源。

專用PMIC,例如TI BQ25570滿足這些多項要求:除了最大化TEG的功率輸出外,BQ25570還可以管理儲能設備的充電和放電周期,并為無線MCU提供穩壓電源。 BQ25570專為能量收集而設計,能夠從微瓦能源中清除能量。其集成的充電管理功能使其可以使用有限的收集功率來安全地為可充電電池和超級電容器充電,同時保護能量存儲設備免受過壓和欠壓水平的影響。最后,集成電壓轉換器為MCU和其他具有嚴格電源要求的器件提供穩壓電源輸出。憑借其廣泛的集成功能,BQ25570只需要一些額外的組件即可提供復雜的熱電源(圖3)。

無電池操作的電機監控系統的設計

圖3:高度集成的電源管理IC(如BQ25570)僅需要少量額外組件即可將熱能轉換為穩壓輸出電平,同時還可管理外部儲能設備。 (德州儀器公司提供)

簡化無電池無線傳感器系統的最終設計選擇在于選擇合適的儲能設備。如前所述,一些電機監控方案可以持續產生足夠的能量以滿足峰值功率要求。對于其他應用 - 甚至作為能量豐富環境的備用電源 - 超級電容器為擴展操作的無線傳感器系統提供了一種特別有吸引力的解決方案。

超級電容器可以通過更多的充電/放電來保持容量周期比可比容量的可充電電池 - 在許多情況下,大一個數量級。此外,超級電容器具有非常低的漏電流:例如,Murata DMF3Z5R5H474M3DTA0 470 mF超級電容器漏電流在96小時內小于5μA。因此,這些設備非常適合能量約束應用,如能量收集。同時,這些器件提供非常靈活的放電速率 - 例如,DMF3Z5R5H474M3DTA0提供400μAh至1.5 As的放電速率。此外,這些器件的高存儲容量使它們能夠在超出典型無線事務事件持續時間的情況下維持輸出電壓,即使在非常高功率的情況下也是如此(圖4)。

無電池操作的電機監控系統的設計

圖4:在無線收發器所需的低功率水平下,超級電容器可以維持電壓輸出電平,持續時間遠遠超過典型無線事務的持續時間。

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關鍵詞: 監控系統 電機 電池


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