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ai无名
Lv1 太平洋舰队新兵
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楼主
2018-02-02 15:43 0 0 只看楼主
电梯直达 
  早期检测电动机故障是减少停机时间和确保电动机驱动设备和设备安全运行的关键。通过使用热电发电机(TEG),专门的电源管理IC,无线单片机,以及仅有的几个附加组件,工程师可以建立一个无线传感器系统,通过从电机本身的热量中提取能量来实现持续的,无电池的操作。
  电机运行特性的显著变化可以指出电机的迫近或潜在的故障。特别是,温度测量提供了一个特别有效的电动机性能指标,因为许多电气和机械问题直接导致了电机温度的增加。例如,高温通常是轴承故障的第一个迹象。事实上,温度的升高可能是由许多条件造成的,如高环境温度、电压不平衡、过度负荷、污染或阻塞的空气吸收——这些都可能侵蚀电机性能并缩短其寿命。实际上,经验表明,汽车生活是每个10°C减少50%,其工作温度超过其额定温度。
  设计师们使用一种现成的ICs,可以构建一个复杂的无线传感器系统,能够在从电机本身的热量中提取能量的同时进行广泛的测量。这个设计的核心,一个专业的能量采集电源管理IC(PMIC)和无线单片机提供的基本功能需要提取热能并执行传感器测量(图1)。而PMIC优化能量转换的羊毛和管理一个可选的存储设备,单片机采用集成模拟外围设备来收集传感器数据和集成射频收发器与主机控制器或其他无线通讯设备。

  在环境能源中,热能能在电机监测应用中发挥重要的作用;能量采集集成电路和无线单片机的结合基本上完成了由这个热源驱动的无线传感器系统的设计,并利用MCU的集成模拟外设进行传感器数据采集。
  图1:在环境能源中,热能能在电机监测应用中发挥重要的作用;能量采集集成电路和无线单片机的结合基本上完成了由这个热源驱动的无线传感器系统的设计,并利用MCU的集成模拟外设进行传感器数据采集。

  功率要求
  节能的方法使设计师能够在不需要更换电池甚至完全没有电池的情况下,创造出能够操作数年的系统。能源收获应用的首要问题是能源的能力,它不仅能满足平均的电力需求,而且还能处理周期性的峰值电力负荷。对于无线应用,无线通信的本质强调了这些问题。
  典型的无线事务包括接收和传输阶段,当系统第一次侦听其他设备,然后传输其数据。对于一个传感器系统,这些通信事务可能只持续几毫秒,但会发生几秒钟(或几分钟)的间隔。因此,该系统通常将大部分时间用于低功耗或休眠状态。因此,无线传感器系统的功耗配置一般都是由于系统从休眠状态醒来,执行其无线电事务,并在返回低功率休眠状态之前执行相关的后处理程序(图2)。
  无线接收和传输是大多数小型无线系统的峰值电流需求,使用的是流行的通信协议,如蓝牙低能量,如图所示。
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  图2:无线接收和传输是大多数小型无线系统的峰值电流需求,使用的是流行的通信协议,如蓝牙低能量。(来源图片:凯利讯半导体)
  在图2中所示的蓝牙低能量(BLE)通信事件中,德州仪器工程师发现[1]CC2541收发集成电路在接收和传输时的峰值电流为17.5 mA。在这种情况下,工程师们测量了一个平均电流消耗8.3 mA的完整通信事件,在持续时间大约3秒。事实上,目前的需求在设计上甚至更低,使用的是最近的收发器,如TI CC2650。

  为支持多种无线协议,CC2650包括一个可支持BLE或IEEE 802.15.4无线通信的onchip 2.4 GHz射频收发器。连同它的手臂?皮层?主机处理器m3,CC2650集成了一种超低功耗ARM Cortex-M0核心致力于无线的执行堆栈包括蓝牙智能?、无线个域网?,和6 lowpan。其结果是一种能够提供重要的处理和通信能力的设备,同时维持低能耗的能耗设计。
  与较早的CC2541相比,CC2650在主动接收模式下只消耗5.9 mA,在主动传输(0 dBm)中只消耗6.1 mA。此外,与CC2541的8.3 mA相比,CC2650的电力消耗仅为2.8 mA。因此,在设计中使用最近的设备(如CC2650)的当前消耗大约是6.1 mA峰值电流和明显较低的平均电流——大约是之前CC2541所要求的三分之一。

  同时,CC2650功能的低功耗待机模式仅消耗500μA同时保持电力系统供应和RAM。事实上,CC2650具有低功耗待机状态,仅消耗1μA运行实时时钟和留住RAM和CPU状态。500μA空闲模式下,设备在只有14μs过渡到主动模式,但它需要151μs过渡到主动模式从1μA待机模式。尽管许多传感器应用程序可以自信地为低功耗提供更长的唤醒时间,但设计师需要仔细评估睡眠电源需求与响应时间之间的权衡。

  除了这些基本性能要求之外,传感器数据采集和信号处理当然也会增加额外的电力需求。因此,一个特定的无线传感器应用程序将对诸如处理负载和睡眠时间等因素提出自己的独特需求。然而,这一快速的分析表明,集成的无线单片机,如CC2650,甚至CC2541,都能很好地满足能量收集设计的能力,尤其是在设计用于利用工业马达的能源的应用中。

  电力供应
  工业马达被指定允许相对较高的工作温度上升。电动机额定在国家电气制造商协会(NEMA)类的许用温度上升60°C和NEMA类F汽车可以增加125°C,同时工作在额定功率(即,服务因素1.0)。利用这一丰富的热能,利用TEG的能量收集为发电提供了理想的解决方案。

  TEGs产生的功率与他们两张脸的温差成正比。因此,设计人员需要采取措施,以确保TEG的“冷”侧的温度仍然显著低于TEG的电机(热)侧。对于这个应用,在大多数情况下,使用传统的对流冷却散热片,可以确保在TEG上有一个合理的温差。
  在环境温度较高的环境中,简单的对流冷却可能只会导致极小的温差,同时也会降低输出功率。为了确保在低能量水平下的最大输出功率,设计人员需要在TEG功率曲线上的最大电源点保持TEG。此外,可能需要使用合适的储能装置,以确保在无线通信交易中,尽管持续能量转换水平较低,但稳定的电力来源能够满足高峰需求。

  专门的PMICs,如TI BQ25570,可以满足这些多重要求:随着TEG输出功率的最大化,BQ25570可以管理储能设备的充放电循环,也可以为无线单片机提供受控制的电源。BQ25570是专门为能量收集而设计的,它能够从甚至是微瓦的能源中清除能量。它的综合充电管理功能让它在保护储能设备免受过电压和低电压水平的同时,使用有限的电力来安全地充电电池和超级电容器。最后,一个集成的电压转换器为MCUs和其他具有严格的供应要求的设备提供了调节功率输出。凭借其广泛的集成功能,BQ25570只需要几个额外的组件来提供复杂的热供电(图3)。
  像TI的BQ25570这样的高度集成的电源管理系统只需要几个额外的组件,就可以将热能转换成受调节的输出电平,同时还需要管理一个外部的储能设备。(由德州仪器)

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  图3:像BQ25570这样的高度集成的电源管理系统只需要几个额外的组件,就可以将热能转换成受调节的输出水平,同时还需要管理一个外部的储能设备。(来源图片:凯利讯半导体)
  一个简化的无电池无线传感器系统的最终设计选择是选择合适的储能装置。如前所述,一些汽车监测方案可能在持续基础上产生足够的能量以满足峰值电力需求。对于其他应用,甚至作为能源丰富环境的电源备份,超级电容器提供了一种特别有吸引力的解决方案,用于无线传感器系统的扩展操作。

  超级电容器可以通过比可充电电池容量更大的充电/放电周期来维持容量——在许多情况下,它的容量要大得多。此外,超级电容器具有非常低的泄漏电流:例如,Murata DMF3Z5R5H474M3DTA0 470 mF超级电容器漏电流小于5μA超过96小时的时间。因此,这些设备非常适合能源约束的应用程序,例如能源收集。同时,这些设备提供非常灵活的放电率——例如,DMF3Z5R5H474M3DTA0提供放电率从400年μAh 1.5。此外,这些设备的高存储容量使得它们能够在典型的无线事务事件持续的时间之外维持输出电压,即使在非常高的级别(图4)。
  在无线收发器所要求的低功耗水平上,超级电容器能够在典型的无线事务持续时间以外的时间内维持电压输出水平。

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  图4:在无线收发器所要求的低功耗水平上,超级电容器能够在典型的无线事务持续时间之外维持电压输出水平。(来源图片:凯利讯半导体)

  结论
  通过从电机加热中提取的热能,无线监控系统可以提供预测电机故障所需的关键信息,防止停机,确保安全。工程师们可以建立一个有效的无线监控系统,除了一个TEG和一对高度集成的设备(一个专门的PMIC和一个无线单片机)之外,还需要几个额外的组件。当PMIC最大化TEG输出并提供一个受管制的供应时,MCU收集传感器数据并将其传递给主机。使用这些复杂的设备,工程师可以创建能够持续使用无电池操作的汽车监控系统。

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