所有关于电路
工业文章

用电池供电的步进电机驱动物联网

7月14日,2020年经过Bernhard Dwersteg, TRINAMIC运动控制

本文介绍了步进电机如何在定位安全摄像机和远程传感器等定位的任务中运行良好,如定位安全摄像机和遥控器,阀门和窗口盖。

具有传感器功能的智能对象已经作为物联网的“眼睛和耳朵”发挥着重要作用。但是,直到最近,为物联网应用提供实用的、负担得起的“手臂和手”的实际解决方案还很少,这些“手臂和手”可以通过互联网伸出来,并以物理方式对他们看到或感觉到的东西做出反应。然而,随着具有物联网功能的低成本电子驱动器的出现,这种情况正在改变。这些驱动器可以使用小电池组为电机、步进电机、螺线管和其他类型的执行器提供动力,将网络世界的虚拟意图转化为现实世界的行动。

步进电机正在发现越来越多的物联网应用,如这种远程激活散热器控制器。

图1 a。步进电机正在发现越来越多的物联网应用,如这种远程激活散热器控制器。

散热器控制器用Microchip AVR IOT开发板

图1 b。散热器控制器显示与微芯片AVR物联网开发板。

在本文中,我们将重点关注步进电机,因为它们的分段转子和电枢结构允许它们以小的、精确的、离散的步骤旋转,并在没有动力的情况下保持它们的位置。这使得它们能很好地用于面向物联网的任务,如定位安全摄像头和远程传感器,或执行通风口、阀门和窗盖。

使用有限的电源

虽然一些机动物联网设备是线路供电的,但现在需要越来越多的应用程序来在远程位置操作,通常使用相对较小的低压能源,例如单个锂离子电池或AA或AAA电池。在家庭和办公室周围许多IOT应用程序的情况下,这些应用程序应该融入环境中,这意味着它们不能有电源线。

从理论上讲,电池电量适用于许多这些应用,因为它们不经常使用电机,因此它们对电池电量有限的容量的影响相对较低。但是电池可能无法提供较高的驱动电压和相对大的电流脉冲步进电机需要激励其线圈。如表1所示,大多数常用电池具有大量的内阻,可降低其输出电压,因为它们的输出电流增加。

表1.电池特性小

表1:小电池特性。

幸运的是,有一些简单的策略可以克服这些限制,包括供应缓冲、升压转换器和定制的步进器。让我们看看这些策略是如何工作的。

供应缓冲

一种被称为“电源缓冲”的简单技术可以通过增加一个超级电容来提供一个短的大电流脉冲来补充小电池有限的输出。

超级电容器的大小可以使用公式计算:

c = du * i / t

在哪里:

=电池最大允许内部压降,

一世=补充电池输出所需的电流,和

T.期望工作时间

目前,超级电容的最大工作电压仅为2.7V,如果电源电压超过这个值,则需要一个保护电路。当需要更高的电压时,可以将两个或更多的超级电容串联起来,但电路必须包括一个齐纳二极管或其他一些装置来平衡电压(图2)。

具有齐纳过压保护(2.5V)的超级电容平衡电路。

图2。具有齐纳过压保护(2.5V)的超级电容平衡电路。

适用于这些类型的应用的超级电容器现在广泛地获得许多组件制造商,包括Maxwell,骨架和Vishay。

升压转换器

一些IC,包括许多流行的电机驱动器,在小电池组可获得的低电压上难以运行,特别是当它们靠近其使用寿命结束时。升压转换器是低成本IC,可用于将电池电压提升多达三到四次,并将系统的电源电压保持在电池寿命的终点状态下。这些转换器在高负荷下非常有效(90%-95%),但它们在轻松装载时它们的效率略有下降。它们可用作独立解决方案或与超级电容器一起使用。

生产升压转换器的IC制造商包括Analog Devices、Maxim Integrated和Texas Instruments。这类应用程序最常用的转换器之一是马克西姆的MAX8969

Custom-Wound步进

大多数步进者,甚至是小的,甚至是小的,都设计用于从5V到12V的电压运行,而大多数小电池堆产生1.5V至5V。为了在这些较低的电压上操作,台阶需要卷绕较厚的较厚电阻线。幸运的是,大多数制造商都被设置为适应定制订单,以获得合理的费用,或者无收费。

为了订购自定义卷绕电机,您需要指定线圈电流(灰度),定义为rms电机电流,其在静止时提供标称扭矩。对于这些类型的应用,使用将在其最大额定电流的50%-70%的50%-70%以50%-70%提供必要扭矩以最大限度地减少电阻损耗并提供一些净空。

指定绕组的第一步是使用制造商的原始电机规格来计算产生所需扭矩所需的电流。使用这个值来计算电机类型所需的电压,使用下面的公式。

这种对停顿条件的计算对于几乎没有反电动势的慢动作操作也相当准确。在较高的速度下,电机的具体反电动势常数CBEMF也应使用以下公式来解释:

该公式使用保持扭矩和分配线圈电流的商。请注意,在任何一种情况下,减少步进器的rcoil允许下ubat。

如果你发现你所选择的步进器的电压要求超过了你的电源提供的电压,请联系电机制造商关于一个定制的版本,将使用更高的电流在一个较低的电压上操作。

把它整合在一起

如果您有兴趣了解更多本文介绍的技术,可以下载Trinamic应用笔记#57,如何使用TMC2300制作恒温器,其中使用了实际的例子来更深入地探讨这些主题。beplay体育下载不了

本文对这些技术背后的理论进行了更详细的解释低压电机控制系统设计用于移动和无线IOT设备,我在嵌入式世界2020上展示过。

额外资源

  1. 可发明车间:步进电机基础
  2. 为您的项目选择合适的电机 - DC VS步进器VS伺服电机
  3. 带动了一步——Adafruit产业
  4. TMC2300-Thermo-Bob评估套件(PDF)
  5. 数据表:Trinamic TMC2300低压步进驱动器

行业文章是一种内容形式,它允许行业合作伙伴以编辑内容不太适合的方式与All About Circuits阅读器共享有用的新闻、消息和技术。所有的行业文章都受到严格的编辑指导,目的是为读者提供有用的新闻,技术专长,或故事。在行业文章中所表达的观点和意见是合作伙伴的观点,而不一定是所有关于电路或其作者的观点和意见。