Батарейные шаговые двигатели для IoT: надежное, точное приводное управление

Шаговые двигатели обеспечивают точное, низкопотребляющее приводное управление для IoT-устройств — от позиционирования камер до управления клапанами и шторами.

Сенсорно-оснащенные умные объекты уже служат глазами и ушами IoT. Долгие годы, однако, практичных, доступных «рук», способных двигаться в ответ на данные, было мало. Этот ландшафт меняется благодаря недорогим, IoT-готовым драйверам, позволяющим компактным батарейным пакам питать шаговые двигатели, соленоиды и другие приводы, превращая виртуальные команды в осязаемые действия.

Рисунок 1а. Шаговые двигатели находят растущее число IoT-приложений, таких как этот дистанционно активируемый контроллер радиатора.

Рисунок 1б. Контроллер радиатора показан с платой разработки Microchip AVR IoT.

Поскольку шаговые двигатели движутся дискретными, точными шагами и удерживают позицию без питания, они превосходят в задачах вроде позиционирования камер безопасности, регулировки удаленных датчиков или привода воздухораспределителей, клапанов и штор.

Работа в ограниченном энергетическом конверте

Хотя сетево-питаемые моторизированные IoT-устройства существуют, многие новые приложения требуют работы в удаленных или эстетически невидимых локациях. Эти развертывания полагаются на компактные, низковольтные источники вроде одиночного Li-ion элемента или батарей АА/ААА. Батарейное питание работает, когда двигатели работают нечасто, но высокое напряжение и импульсы тока, необходимые для энергизации обмоток шагового двигателя, могут превышать возможности маленькой батареи. Внутреннее сопротивление растет с нагрузкой, снижая эффективное выходное напряжение, как показано в Таблице 1.

Таблица 1. Характеристики малых батарей

Три проверенные стратегии смягчают эти ограничения: буферизация питания, повышающие преобразователи и кастомные обмотки шаговых двигателей. Каждая предлагает практичное решение для батарейного IoT-привода.

Буферизация питания

Добавление суперконденсатора к батарейной цепи создает «буфер питания», способный доставлять кратковременные высокоточные импульсы. Необходимая емкость рассчитывается по формуле:

C = dU × I ÷ t

где dU — допустимое падение напряжения батареи, I — дополнительный ток, а t — желаемое время работы. Суперконденсаторы обычно максимизируются на 2,7 В; более высокие напряжения требуют последовательных цепочек с балансировкой через Зенер-диод или подобную схему.

Рисунок 2. Схема балансировки суперконденсатора с Зенер-защитой от перенапряжения (2,5 В).

Производители вроде Maxwell, Skeleton и Vishay поставляют суперконденсаторы, подходящие для этих приложений.

Повышающие преобразователи

Многие драйверы двигателей не могут работать на низких напряжениях малых батарей, особенно к концу жизни пака. Дешевые повышающие преобразователи поднимают напряжение батареи в 3–4 раза, сохраняя стабильное питание. С эффективностью 90–95% под нагрузкой, их можно сочетать с суперконденсаторами или использовать самостоятельно.

Ведущие вендоры IC — Analog Devices, Maxim Integrated и Texas Instruments — предлагают надежные решения. Maxim MAX8969 — популярный выбор для батарейных шаговых приложений.

Кастомные обмотки шаговых двигателей

Стандартные шаговые двигатели спроектированы для 5–12 В, тогда как многие малые батареи выдают только 1,5–5 В. Кастомная обмотка — меньше витков более толстого, низкорезистивного провода — снижает требуемое напряжение питания. Производители часто принимают кастомные заказы при умеренной стоимости.

Укажите ток обмотки (I_COIL), дающий желаемый удерживающий момент. Используйте оригинальные данные двигателя для вычисления необходимого тока, затем определите требование к напряжению по формуле:

Для более высоких скоростей учтите константу обратной ЭДС (C_BEMF) по формуле:

Снижение R_COIL позволяет работу при сниженном напряжении батареи. Если напряжение выбранного шагового двигателя превышает доступное питание, консультируйтесь с производителем о кастомном варианте, оптимизированном для низкого напряжения, высокого тока.

Собираем всё вместе

Для глубокого понимания скачайте Trinamic Application Note #57 «How to Make a Thermostat with the TMC2300», применяющую эти концепции в практическом примере. Теоретические основы дополнительно раскрыты в работе «Low-Voltage Motor Control System Design for Mobile and Wireless IoT Devices», представленной на Embedded World 2020.

Дополнительные ресурсы

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 evaluation kit (PDF)
5. Datasheet: Trinamic TMC2300 low-voltage stepper driver

Индустриальные статьи — форма контента, позволяющая промышленным партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits способом, не подходящим для редакционного контента. Все индустриальные статьи подлежат строгим редакционным рекомендациям с намерением предложить читателям полезные новости, техническую экспертизу или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в индустриальных статьях, принадлежат партнеру и не обязательно All About Circuits или его авторам.