Het IoT motoriseren met stappenmotoren op batterijen

Dit artikel laat zien hoe stappenmotoren goed werken bij IoT-gerichte taken zoals het plaatsen van beveiligingscamera's en sensoren op afstand of het bedienen van ventilatieopeningen, kleppen en ramen dekt.

Slimme objecten met sensoren spelen nu al een cruciale rol als de "ogen en oren" van het internet der dingen. Maar tot voor kort waren er weinig praktische oplossingen om IoT-toepassingen praktische, betaalbare "armen en handen" te geven die via internet kunnen reiken en fysiek kunnen reageren op wat ze zien of voelen. Dit verandert echter met de opkomst van kosteneffectieve IoT-compatibele elektronische drivers die kleine batterijpakketten kunnen gebruiken om motoren, stappenmotoren, elektromagneten en andere soorten actuatoren aan te drijven die de virtuele intentie van de cyberwereld vertalen in echte acties .

Figuur 1a. Stappenmotoren vinden een groeiend aantal IoT-toepassingen, zoals deze op afstand geactiveerde radiatorcontroller.

Figuur 1b. Radiatorcontroller afgebeeld met een Microchip AVR IoT-ontwikkelbord.

In dit artikel zullen we ons concentreren op stappenmotoren omdat hun gesegmenteerde rotor- en ankerstructuren hen in staat stellen om in kleine, nauwkeurige, discrete stappen te draaien en hun positie te behouden terwijl ze niet worden aangedreven. Hierdoor werken ze goed bij IoT-georiënteerde taken zoals het plaatsen van beveiligingscamera's en sensoren op afstand of het bedienen van ventilatieopeningen, kleppen en raambekleding.

Werken met een beperkte stroombron

Hoewel sommige gemotoriseerde IoT-apparaten lijnvoeding hebben, is er nu een groeiend aantal toepassingen nodig om op afgelegen locaties te werken, vaak met behulp van relatief kleine, laagspanningsenergiebronnen, zoals een enkele Li-ion-cel of een AA- of AAA-batterij. In het geval van veel IoT-toepassingen in huis en op kantoor, wordt verondersteld dat deze toepassingen opgaan in de omgeving, wat betekent dat ze geen stroomkabel kunnen hebben.

In theorie zal batterijvermogen voor veel van deze toepassingen werken omdat ze de motor niet vaak gebruiken, dus hun impact op de beperkte capaciteit van de batterij is relatief laag. Maar de batterij is mogelijk niet in staat om de hogere aandrijfspanning en relatief grote stroompulsen te leveren die een stappenmotor nodig heeft om zijn spoelen te bekrachtigen. Zoals tabel 1 laat zien, hebben de meeste algemeen verkrijgbare batterijen een aanzienlijke hoeveelheid interne weerstand die hun uitgangsspanning verlaagt naarmate hun uitgangsstroom toeneemt.

Tabel 1. Kenmerken van kleine batterijen

Gelukkig bestaan ​​er een paar eenvoudige strategieën om deze beperkingen te overwinnen, waaronder voorraadbuffering, step-up-converters en op maat gemaakte steppers. Laten we eens kijken hoe elk van deze strategieën werkt.

Bevoorradingsbuffer

Een eenvoudige techniek die bekend staat als "supply buffering" kan worden gebruikt om de beperkte output van een kleine batterij aan te vullen door een supercondensator toe te voegen die een korte puls met hoge stroom kan leveren.

De grootte van de supercondensator kan worden berekend met behulp van de formule:

C =dU*I/t

Waar:

dU =de maximaal toelaatbare interne spanningsval van de batterij,

Ik =de stroom die nodig is om de output van de batterij aan te vullen, en

t =gewenste bedrijfstijd

Op dit moment tolereren supercondensatoren een maximale werkspanning van slechts 2,7 V en hebben ze een beveiligingsschakeling nodig als de voedingsspanning deze waarde kan overschrijden. Waar hogere spanningen vereist zijn, kunnen twee of meer supercondensatoren in serie worden geplaatst, maar het circuit moet een zenerdiode of een ander apparaat bevatten om de spanningen in evenwicht te brengen (Figuur 2).

Figuur 2. Een supercondensator-balanceringscircuit met Zener-overspanningsbeveiliging (2,5V).

Supercondensatoren die geschikt zijn voor dit soort toepassingen zijn nu algemeen verkrijgbaar bij veel fabrikanten van componenten, waaronder Maxwell, Skeleton en Vishay.

Step-Up-converters

Sommige IC's, waaronder veel populaire motordrivers, hebben moeite om te werken op de lage spanningen die beschikbaar zijn uit kleine batterijpakketten, vooral wanneer ze bijna aan het einde van hun levensduur zijn. Step-up converters zijn goedkope IC's die kunnen worden gebruikt om de spanning van een batterij tot wel drie tot vier keer te verhogen en om de voedingsspanning van uw systeem tegen het einde van de levensduur van een batterij op een gelijk niveau te houden. Deze omvormers zijn zeer efficiënt (90%-95%) bij hoge belastingen, maar hun efficiëntie daalt enigszins wanneer ze licht worden belast. Ze kunnen worden gebruikt als een stand-alone oplossing of in combinatie met een supercondensator.

IC-fabrikanten die step-up-converters produceren, zijn onder meer Analog Devices, Maxim Integrated en Texas Instruments. Een van de meest gebruikte converters voor dit soort toepassingen is Maxim's MAX8969.

Op maat gemaakte steppers

De meeste steppers, zelfs kleine, zijn ontworpen om te werken op spanningen van 5V tot 12V, terwijl de meeste kleine batterijstapels 1,5V tot 5V produceren. Om op deze lagere spanningen te werken, hebben steppers wikkelingen nodig met minder windingen van dikkere draad met een lagere weerstand. Gelukkig zijn de meeste fabrikanten ingesteld om aangepaste bestellingen tegen een redelijke vergoeding of gratis te verwerken.

Om een ​​op maat gewikkelde motor te bestellen, moet u een spoelstroom (ICOIL) specificeren, gedefinieerd als de RMS-motorstroom, die het nominale koppel bij stilstand geeft. Voor dit soort toepassingen is het goed om een ​​motor te gebruiken die het benodigde koppel levert bij 50%-70% van zijn maximale nominale stroom om weerstandsverliezen te minimaliseren en enige hoofdruimte te bieden.

De eerste stap bij het specificeren van de wikkelingen is om de originele motorspecificaties van de fabrikant te gebruiken om de stroom te berekenen die nodig is om het koppel te genereren dat nodig is voor uw toepassing. Gebruik deze waarde om de benodigde spanning voor het motortype te berekenen met behulp van de onderstaande formule.

Deze berekening voor stilstandscondities is ook redelijk nauwkeurig voor slow motion-werking waar er weinig back-EMF is. Bij hogere snelheden moet ook rekening worden gehouden met de specifieke back-EMF-constante CBEMF van de motor met behulp van het volgende:

Deze formule gebruikt het quotiënt van het houdkoppel en de toegewezen spoelstroom. Merk op dat in beide situaties het verlagen van de RCOIL van de stepper een lagere UBAT mogelijk maakt.

Als u merkt dat de spanningsvereiste van de door u geselecteerde stepper de beschikbare spanning van uw voeding overschrijdt, neem dan contact op met de motorfabrikant over een op maat gemaakte versie die werkt op een lagere spanning en een hogere stroomsterkte.

Alles samenvoegen

Als u meer wilt weten over de technieken die in dit artikel worden geïntroduceerd, kunt u Trinamic Application Note #57, How to make a Thermostat with the TMC2300, downloaden, waar praktische voorbeelden worden gebruikt om veel van deze onderwerpen nader te onderzoeken.

De theorie achter deze technieken wordt nog gedetailleerder uitgelegd in de paper Low Voltage Motor Control System Design for Mobile and Wireless IoT Device, die ik presenteerde op Embedded World 2020.

Aanvullende bronnen

1. De Inventables-workshop:basisprincipes van stappenmotoren
2. De juiste motor kiezen voor uw project - DC versus stappenmotor versus servomotoren
3. Een stepper besturen – Adafruit Industries
4. TMC2300-THERMO-BOB evaluatiekit (PDF)
5. Gegevensblad:Trinamic TMC2300 laagspanningsstepperdriver

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.