Batterij-gevoede stappenmotoren voor IoT: betrouwbare, nauwkeurige actuatie

Stappenmotoren leveren nauwkeurige, low-power actuatie voor IoT-apparaten – van camera-positionering tot klep- en raamafdeking-besturing.

Sensor-ingeschakelde slimme objecten dienen al als de ogen en oren van de IoT. Voor veel jaren waren praktische, betaalbare "handen" die kunnen bewegen in reactie op data schaars. Dat landschap verschuift dankzij goedkope, IoT-klaar drivers die kleine batterijpakketten in staat stellen stappenmotoren, solenoïden en andere actuatoren aan te drijven, virtuele commando's omzettend in tastbare acties.

Figuur 1a. Stappenmotoren vinden een groeiend aantal IoT-toepassingen, zoals deze remote-geactiveerde radiator-controller.

Figuur 1b. Radiator-controller getoond met een Microchip AVR IoT-ontwikkelbord.

Omdat stappenmotoren in discrete, nauwkeurige stappen bewegen en positie vasthouden wanneer ongevoed, blinken ze in taken zoals het positioneren van beveiligingscamera's, het aanpassen van remote-sensoren, of het actueren van luchtventilaties, kleppen en raamafdekingen.

Opereren binnen een beperkt energie-envelop

Hoewel net-gevoede gemotoriseerde IoT-apparaten bestaan, vereisen veel nieuwe toepassingen operatie in remote of esthetisch onopvallende locaties. Deze implementaties vertrouwen op compacte, lage-spanningsbronnen zoals een enkele Li-ion-cel of AA/AAA-batterijen. Batterijstroom werkt wanneer motoren infrequent draaien, maar de hoge spanning en stroompulsen die nodig zijn om stappenmotor-spoelen te energiseren, kunnen een kleine batterij's capaciteit overschrijden. Interne weerstand stijgt met belasting, wat de effectieve uitgangsspanning verlaagt, zoals getoond in Tabel 1.

Tabel 1. Kleine batterijkenmerken

Drie bewezen strategieën mitigeren deze beperkingen: supply-buffering, step-up converters en custom-gewonden stappenmotoren. Elke biedt een praktische oplossing voor batterij-gevoede IoT-actuatie.

Supply Buffering

Het toevoegen van een supercondensator aan een batterijcircuit creëert een "supply-buffer" die korte, hoge-stroompulsen kan leveren. De vereiste capaciteit wordt berekend met:

C = dU × I ÷ t

waarbij dU de toelaatbare spanningsval van de batterij is, I de supplementaire stroom, en t de gewenste bedrijfstijd. Supercondensatoren maximeren typisch op 2,7 V; hogere spanningen vereisen serieschakelingen met balancering via een Zener-diode of vergelijkbaar circuit.

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

Fabrikanten zoals Maxwell, Skeleton en Vishay leveren supercondensatoren geschikt voor deze toepassingen.

Step-Up Converters

Veel motor-drivers kunnen niet draaien op de lage spanningen van kleine batterijen, vooral naar het einde van de pakketlevensduur. Goedkope step-up converters boosten de batterijspanning met 3-4× terwijl ze een stabiele voeding handhaven. Met efficiënties van 90-95% onder belasting, kunnen ze gekoppeld worden met supercondensatoren of alleen gebruikt worden.

Toonaangevende IC-leveranciers – Analog Devices, Maxim Integrated en Texas Instruments – bieden robuuste oplossingen. Maxim's MAX8969 is een populaire keuze voor batterij-gevoede stappenmotor-toepassingen.

Custom-gewonden stappenmotoren

Standaard stappenmotoren zijn geëngineerd voor 5-12 V, maar veel kleine batterijen leveren slechts 1,5-5 V. Custom winding – minder windingen van dikker, lagere-weerstand draad – verlaagt de vereiste voedingspanning. Fabrikanten accommoderen vaak custom orders tegen bescheiden kosten.

Specificeren de spoelstroom (ICOIL) die de gewenste stilstand-koppel oplevert. Gebruik de oorspronkelijke motordata om de benodigde stroom te berekenen, bepaal dan de spanningsvereiste met:

Voor hogere snelheden, rekening houden met de back-EMF constante (CBEMF) met:

Het verlagen van RCOIL maakt operatie mogelijk bij een verlaagde batterijspanning. Als uw gekozen stappenmotor's spanningsvraag de beschikbare voeding overschrijdt, raadpleeg de fabrikant voor een custom-gewonden variant geoptimaliseerd voor lagere spanning, hogere stroom operatie.

Alles samenvoegen

Voor diepere inzicht, download Trinamic Application Note #57, "How to Make a Thermostat with the TMC2300," wat deze concepten toepast in een praktisch voorbeeld. De theoretische onderbouwing is verder uitgewerkt in het paper "Low-Voltage Motor Control System Design for Mobile and Wireless IoT Devices," gepresenteerd op Embedded World 2020.

Additionele bronnen

1. The Inventables Workshop: Stepper Motors Basics
2. Choosing the Right Motor for Your Project – DC vs Stepper vs Servo Motors
3. Driving a Stepper – Adafruit Industries
4. TMC2300-THERMO-BOB evaluatiekit (PDF)
5. Datasheet: Trinamic TMC2300 low-voltage stappenmotor-driver

Industry Articles zijn een vorm van content die industriële partners in staat stelt om nuttig nieuws, berichten en technologie te delen met All About Circuits lezers op een manier waar editorial content niet goed voor geschikt is. Alle Industry Articles onderworpen aan strikte editorial richtlijnen met de bedoeling om lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De meningen en opinies uitgedrukt in Industry Articles zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.