Menggerakkan IoT Dengan Motor Stepper Bertenaga Baterai
Artikel ini membahas cara kerja motor stepper dengan baik dalam tugas berorientasi IoT seperti penentuan posisi kamera keamanan dan sensor jarak jauh atau penggerak ventilasi udara, katup, dan jendela mencakup.
Objek pintar berkemampuan sensor sudah memainkan peran penting sebagai "mata dan telinga" IoT. Namun, hingga saat ini, hanya ada sedikit solusi praktis untuk memberikan aplikasi IoT praktis, terjangkau, terjangkau, yang dapat menjangkau kembali di internet dan bereaksi terhadap apa yang mereka lihat atau rasakan secara fisik. Namun, ini berubah dengan munculnya driver elektronik berkemampuan IoT yang hemat biaya yang dapat menggunakan paket baterai kecil untuk menggerakkan motor, motor stepper, solenoida, dan jenis aktuator lain yang menerjemahkan niat virtual dunia maya menjadi tindakan dunia nyata. .
Gambar 1a. Motor stepper menemukan semakin banyak aplikasi IoT, seperti pengontrol radiator yang diaktifkan dari jarak jauh ini.
Gambar 1b. Pengontrol radiator ditampilkan dengan papan pengembangan Microchip AVR IoT.
Pada artikel ini, kita akan fokus pada motor stepper karena rotor tersegmentasi dan struktur angkernya memungkinkannya berputar dalam langkah kecil, presisi, dan terpisah serta mempertahankan posisinya saat tidak diberi daya. Ini membuatnya bekerja dengan baik dalam tugas-tugas berorientasi IoT seperti memposisikan kamera keamanan dan sensor jarak jauh atau menggerakkan ventilasi udara, katup, dan penutup jendela.
Bekerja dengan Sumber Daya Terbatas
Sementara beberapa perangkat IoT bermotor ditenagai oleh saluran listrik, semakin banyak aplikasi yang sekarang diperlukan untuk beroperasi di lokasi terpencil, seringkali menggunakan sumber energi bertegangan rendah yang relatif kecil, seperti sel Li-ion tunggal atau baterai AA atau AAA. Dalam banyak kasus aplikasi IoT di sekitar rumah dan kantor, aplikasi ini seharusnya menyatu dengan lingkungan, artinya mereka tidak dapat memiliki kabel daya.
Secara teori, daya baterai akan berfungsi untuk banyak aplikasi ini karena mereka jarang menggunakan motor, sehingga dampaknya terhadap kapasitas baterai yang terbatas relatif rendah. Tetapi baterai mungkin tidak dapat memberikan tegangan penggerak yang lebih tinggi dan pulsa arus yang relatif besar yang dibutuhkan motor stepper untuk memberi energi pada kumparannya. Seperti yang ditunjukkan Tabel 1, baterai yang paling umum tersedia memiliki sejumlah besar resistansi internal yang mengurangi tegangan outputnya saat arus outputnya meningkat.
Tabel 1. Karakteristik Baterai Kecil
Untungnya, ada beberapa strategi sederhana untuk mengatasi keterbatasan ini termasuk buffering suplai, konverter step-up, dan stepper custom-wound. Mari kita lihat bagaimana masing-masing strategi ini bekerja.
Supply Buffering
Teknik sederhana yang dikenal sebagai "supply buffering" dapat digunakan untuk melengkapi keluaran terbatas baterai kecil dengan menambahkan superkapasitor yang dapat mengirimkan pulsa arus tinggi pendek.
Ukuran superkapasitor dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
C =dU*I/t
Dimana:
dU =penurunan tegangan internal maksimum yang diizinkan dari baterai,
Saya =arus yang dibutuhkan untuk melengkapi keluaran baterai, dan
t =waktu operasi yang diinginkan
Saat ini, superkapasitor mentolerir tegangan kerja maksimum hanya 2,7V dan memerlukan rangkaian perlindungan jika tegangan suplai dapat melebihi nilai ini. Dimana tegangan yang lebih tinggi diperlukan, dua atau lebih superkapasitor dapat ditempatkan secara seri, tetapi rangkaian harus menyertakan dioda Zener atau perangkat lain untuk menyeimbangkan tegangan (Gambar 2).
Gambar 2. Sirkuit penyeimbang superkapasitor dengan perlindungan tegangan lebih Zener (2.5V).
Superkapasitor yang cocok untuk jenis aplikasi ini sekarang tersedia secara luas dari banyak produsen komponen, termasuk Maxwell, Skeleton, dan Vishay.
Pengonversi Langkah
Beberapa IC, termasuk banyak driver motor populer, mengalami kesulitan berjalan pada tegangan rendah yang tersedia dari kemasan baterai kecil, terutama ketika mereka mendekati akhir masa pakainya. Konverter step-up adalah IC berbiaya rendah yang dapat digunakan untuk meningkatkan tegangan baterai sebanyak tiga hingga empat kali dan untuk mempertahankan tegangan suplai sistem Anda pada tingkat yang sama menjelang akhir masa pakai baterai. Konverter ini sangat efisien (90%-95%) pada beban tinggi, tetapi efisiensinya sedikit menurun ketika beban ringan. Mereka dapat digunakan sebagai solusi mandiri atau bersama dengan superkapasitor.
Produsen IC yang memproduksi konverter step-up termasuk Perangkat Analog, Maxim Integrated, dan Texas Instruments. Salah satu konverter yang paling sering digunakan untuk jenis aplikasi ini adalah Maxim's MAX8969.
Stepper Luka Kustom
Kebanyakan stepper, bahkan yang kecil, dirancang untuk beroperasi pada tegangan mulai dari 5V hingga 12V, sedangkan sebagian besar tumpukan baterai kecil menghasilkan 1,5V hingga 5V. Untuk beroperasi pada tegangan yang lebih rendah ini, stepper membutuhkan belitan dengan lilitan yang lebih sedikit dari kawat yang lebih tebal dan resistansi yang lebih rendah. Untungnya, sebagian besar produsen diatur untuk mengakomodasi pesanan khusus dengan biaya yang wajar, atau tanpa biaya.
Untuk memesan motor custom-wound, Anda perlu menentukan arus kumparan (ICOIL), yang didefinisikan sebagai arus motor RMS, yang memberikan torsi nominal saat berhenti. Untuk jenis aplikasi ini, adalah baik untuk menggunakan motor yang akan menghasilkan torsi yang diperlukan pada 50% -70% dari arus pengenal maksimumnya untuk meminimalkan kerugian resistif dan untuk menyediakan ruang kepala.
Langkah pertama dalam menentukan belitan adalah dengan menggunakan spesifikasi motor asli pabrikan untuk menghitung arus yang dibutuhkan untuk menghasilkan torsi yang diperlukan untuk aplikasi Anda. Gunakan nilai ini untuk menghitung kebutuhan tegangan untuk jenis motor menggunakan rumus di bawah ini.
Perhitungan untuk kondisi diam ini juga cukup akurat untuk operasi gerak lambat di mana ada sedikit back-EMF. Pada kecepatan yang lebih tinggi, konstanta CBEMF back-EMF spesifik motor juga harus diperhitungkan dengan menggunakan hal berikut:
Rumus ini menggunakan hasil bagi torsi penahan dan arus koil yang ditetapkan. Perhatikan bahwa dalam kedua situasi tersebut, mengurangi RCOIL stepper memungkinkan UBAT yang lebih rendah.
Jika Anda menemukan bahwa persyaratan voltase stepper yang Anda pilih melebihi voltase yang tersedia dari suplai Anda, hubungi pabrikan motor tentang versi luka ubahsuaian yang akan beroperasi pada voltase lebih rendah menggunakan arus yang lebih tinggi.
Menggabungkan Semuanya
Jika Anda tertarik untuk mempelajari lebih lanjut tentang teknik yang diperkenalkan dalam artikel ini, Anda dapat mengunduh Trinamic Application Note #57, Cara Membuat Termostat dengan TMC2300, di mana contoh praktis digunakan untuk mengeksplorasi banyak topik ini secara lebih mendalam.
Teori di balik teknik ini dijelaskan secara lebih rinci dalam makalah Desain Sistem Kontrol Motor Tegangan Rendah untuk Perangkat IoT Seluler dan Nirkabel, yang saya presentasikan di Embedded World 2020.
Sumber Daya Tambahan
- Lokakarya Inventables:Dasar-Dasar Motor Stepper
- Memilih Motor yang Tepat untuk Proyek Anda – Motor DC vs Stepper vs Servo
- Mengendarai Stepper – Adafruit Industries
- Perangkat evaluasi TMC2300-THERMO-BOB (PDF)
- Lembar data:Driver stepper tegangan rendah Trinamic TMC2300
Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah dari mitra dan belum tentu dari All About Circuits atau penulisnya.
