无电池操作的电机监控系统的设计

早期检测电机故障对于最大限度地减少停机时间和确保电机驱动设备和设施的安全运行至关重要。使用热电发电机(TEG)，专用电源管理IC，无线MCU以及少量附加组件，工程师可以构建一个无线传感器系统，通过从电机本身的热量中提取能量，实现持续的无电池操作。

电机运行特性的显着变化可能表明电机即将发生或可能发生故障。特别是，温度测量提供了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电动机温度升高。例如，高温通常是轴承故障的第一个迹象。实际上，温度升高可能是由于环境温度高，电压不平衡，负载过大，污染或进气口受阻等多种情况造成的 - 任何一种情况都会侵蚀电机性能并缩短其使用寿命。实际上，经验表明，当工作温度超过其额定温度时，每10°C电机寿命减少50%。

使用一对现成的IC，设计人员可以构建复杂的无线传感器系统能够在从电机本身的热量中获取电力的同时执行各种测量。作为此设计的核心，专门的能量收集电源管理IC(PMIC)和无线MCU提供了提取热功率和执行传感器测量所需的基本功能(图1)。虽然PMIC优化了TEG的能量转换并管理可选的存储设备，但MCU使用其集成的模拟外设来收集传感器数据及其集成的RF收发器，以便与主机控制器或其他设备进行无线通信。

图1：在环境能源中，热能可以提供大量电力，特别是在电机监控应用中;能量采集IC和无线MCU的组合在很大程度上完成了由该热源供电的无线传感器系统的设计，并使用MCU的集成模拟外设进行传感器数据采集。 (德州仪器公司提供)

电源要求

能量收集方法使设计人员能够创建能够运行多年而无需更换电池甚至根本不需要电池的系统。能量收集应用的首要考虑因素是能源不仅能满足平均功率要求，而且能够处理周期性的峰值功率负荷。对于无线应用，无线通信的本质强调了这些问题。

当系统首次侦听其他设备然后传输其数据时，典型的无线事务包括接收和发送阶段。对于传感器系统，这些通信事务可能仅持续几毫秒但相隔几秒(或几分钟)。结果，系统通常将其大部分时间用于低功率空闲或睡眠状态。因此，无线传感器系统的功耗曲线的特征通常在于，当系统从其睡眠状态唤醒，执行其无线电事务以及在返回其之前执行相关的后处理例程时，由突发的活动周期性地中断延长的静止时段。低功耗睡眠状态(图2)。

图2：无线电接收和传输表示大多数小型无线系统中的峰值电流需求，这些系统使用流行的通信协议，如蓝牙低功耗，如此处所示。 (德州仪器公司提供)

对于图2所示的蓝牙低功耗(BLE)通信事件，德州仪器工程师发现 [1] CC2541收发器IC具有峰值电流接收和传输的电平均为17.5 mA。在这种情况下，工程师测量了完整通信事件的平均电流消耗为8.3 mA，持续时间约为3毫秒。实际上，使用TI CC2650等更新型收发器的设计中的电流要求甚至更低。

CC2650内置支持各种无线协议，包括一个片上2.4 GHz RF收发器，能够支持BLE或IEEE 802.15.4无线通信。除了ARM ® Cortex ® -M3主机处理器外，CC2650还集成了一个专用于执行的超低功耗ARM Cortex-M0内核无线堆栈包括Bluetooth Smart ®，ZigBee ®和6LoWPAN。结果是一种能够提供重要处理和通信功能，同时保持能量采集设计所需的极低功耗水平的设备。

与早期的CC2541相比，CC2650仅消耗5.9 mA有源接收模式和有效传输中的6.1 mA(0 dBm)。此外，CC2650的有效状态功耗仅为2.8 mA左右，而CC2541的功耗仅为8.3 mA。因此，采用最新器件(如CC2650)的设计中的电流消耗约为6.1 mA峰值电流和明显较低的平均电流 - 约为早期CC2541所需电流的三分之一。

同样时间，CC2650具有低功耗空闲模式，仅消耗500μA电流，同时保持系统电源和RAM的供电。实际上，CC2650具有低功耗待机状态，运行实时时钟仅占用1μA，并保留RAM和CPU状态。在500μA空闲模式下，器件仅在14μs内转换为有源模式，但从1μA待机模式转换到有源模式需要151μs。虽然许多传感器应用可以放心地交换更长的唤醒时间以降低功耗，但设计人员需要仔细评估睡眠功率要求和响应时间之间的权衡。

除了这些基本性能要求外，传感器 - 数据采集和信号处理当然会增加额外的功率要求。因此，特定的无线传感器应用会对诸如处理负载和睡眠持续时间等因素征收其自身的独特要求。然而，这一快速分析表明，集成无线MCU(如CC2650甚至CC2541)将在能量收集设计的能力范围内提供良好的功率要求 - 特别是在设计用于从工业电机中收集能量的应用中。

电力供应

规定工业电机允许相对较高的工作温度升高。美国国家电气制造商协会(NEMA)A级的电机允许的温升为60°C，NEMA F级电机在额定功率(即服务系数1.0)下运行时可以增加125°C。利用这种丰富的热能，利用TEG进行能量收集是发电的理想解决方案。

TEG产生的功率与两个面之间的温差成正比。因此，设计人员需要采取措施确保TEG“冷”侧的温度保持显着低于TEG的电机(热)侧。对于这种应用，在大多数情况下，使用传统的翅片散热器进行对流冷却可确保TEG上的温度差合理。

在环境温度较高的环境中，简单的对流冷却可能只会产生最低温度差分 - 同时降低功率输出。为了确保即使在低能级下也能实现最大功率输出，设计人员需要将TEG保持在TEG功率曲线上的最大功率点。此外，尽管存在低水平的持续能量转换，但可能需要使用合适的能量存储设备来确保能够在无线通信交易期间满足峰值需求的稳定电源。

专用PMIC，例如TI BQ25570满足这些多项要求：除了最大化TEG的功率输出外，BQ25570还可以管理储能设备的充电和放电周期，并为无线MCU提供稳压电源。 BQ25570专为能量收集而设计，能够从微瓦能源中清除能量。其集成的充电管理功能使其可以使用有限的收集功率来安全地为可充电电池和超级电容器充电，同时保护能量存储设备免受过压和欠压水平的影响。最后，集成电压转换器为MCU和其他具有严格电源要求的器件提供稳压电源输出。凭借其广泛的集成功能，BQ25570只需要一些额外的组件即可提供复杂的热电源(图3)。

图3：高度集成的电源管理IC(如BQ25570)仅需要少量额外组件即可将热能转换为稳压输出电平，同时还可管理外部储能设备。 (德州仪器公司提供)

简化无电池无线传感器系统的最终设计选择在于选择合适的储能设备。如前所述，一些电机监控方案可以持续产生足够的能量以满足峰值功率要求。对于其他应用 - 甚至作为能量丰富环境的备用电源 - 超级电容器为扩展操作的无线传感器系统提供了一种特别有吸引力的解决方案。

超级电容器可以通过更多的充电/放电来保持容量周期比可比容量的可充电电池 - 在许多情况下，大一个数量级。此外，超级电容器具有非常低的漏电流：例如，Murata DMF3Z5R5H474M3DTA0 470 mF超级电容器漏电流在96小时内小于5μA。因此，这些设备非常适合能量约束应用，如能量收集。同时，这些器件提供非常灵活的放电速率 - 例如，DMF3Z5R5H474M3DTA0提供400μAh至1.5 As的放电速率。此外，这些器件的高存储容量使它们能够在超出典型无线事务事件持续时间的情况下维持输出电压，即使在非常高功率的情况下也是如此(图4)。

图4：在无线收发器所需的低功率水平下，超级电容器可以维持电压输出电平，持续时间远远超过典型无线事务的持续时间。