Motorisierung des IoT mit batteriebetriebenen Schrittmotoren

In diesem Artikel wird untersucht, wie Schrittmotoren bei IoT-orientierten Aufgaben wie der Positionierung von Sicherheitskameras und Fernsensoren oder der Betätigung von Lüftungsschlitzen, Ventilen und Fenstern gut funktionieren deckt.

Sensorgestützte Smart Objects spielen als „Augen und Ohren“ des IoT bereits heute eine wichtige Rolle. Aber bis vor kurzem gab es nur wenige praktische Lösungen, um IoT-Anwendungen praktische, erschwingliche „Arme und Hände“ zu geben, die über das Internet zurückgreifen und auf das, was sie sehen oder physisch wahrnehmen, reagieren können. Dies ändert sich jedoch mit dem Aufkommen kostengünstiger IoT-fähiger elektronischer Treiber, die kleine Batteriepakete verwenden können, um Motoren, Schrittmotoren, Magnetspulen und andere Arten von Aktoren anzutreiben, die die virtuelle Absicht der Cyberwelt in reale Aktionen umsetzen .

Abbildung 1a. Schrittmotoren finden eine wachsende Zahl von IoT-Anwendungen, wie beispielsweise dieser ferngesteuerte Heizkörperregler.

Abbildung 1b. Kühler-Controller mit einem Microchip AVR IoT-Entwicklungsboard gezeigt.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf Schrittmotoren, da ihre segmentierten Rotor- und Ankerstrukturen es ihnen ermöglichen, sich in kleinen, präzisen und diskreten Schritten zu drehen und ihre Position im stromlosen Zustand beizubehalten. Dadurch eignen sie sich gut für IoT-orientierte Aufgaben wie das Positionieren von Sicherheitskameras und Fernsensoren oder das Betätigen von Lüftungsdüsen, Ventilen und Fensterabdeckungen.

Arbeiten mit einer begrenzten Stromquelle

Während einige motorisierte IoT-Geräte netzbetrieben sind, müssen heute immer mehr Anwendungen an entfernten Standorten betrieben werden, wobei häufig relativ kleine Niederspannungsenergiequellen wie eine einzelne Lithium-Ionen-Zelle oder eine AA- oder AAA-Batterie verwendet werden. Bei vielen IoT-Anwendungen im Heim- und Bürobereich sollen sich diese Anwendungen in die Umgebung einfügen, können also kein Stromkabel haben.

Theoretisch funktioniert Batteriestrom für viele dieser Anwendungen, da sie den Motor selten verwenden, sodass ihr Einfluss auf die begrenzte Kapazität der Batterie relativ gering ist. Die Batterie ist jedoch möglicherweise nicht in der Lage, die höhere Antriebsspannung und die relativ großen Stromimpulse bereitzustellen, die ein Schrittmotor benötigt, um seine Spulen zu erregen. Wie Tabelle 1 zeigt, haben die meisten handelsüblichen Batterien einen erheblichen Innenwiderstand, der ihre Ausgangsspannung mit steigendem Ausgangsstrom verringert.

Tabelle 1. Eigenschaften kleiner Batterien

Glücklicherweise gibt es einige einfache Strategien, um diese Einschränkungen zu überwinden, einschließlich Versorgungspufferung, Aufwärtswandler und kundenspezifisch gewickelte Stepper. Sehen wir uns an, wie jede dieser Strategien funktioniert.

Versorgungspufferung

Eine einfache Technik, die als „Versorgungspufferung“ bekannt ist, kann verwendet werden, um die begrenzte Leistung einer kleinen Batterie durch Hinzufügen eines Superkondensators zu ergänzen, der einen kurzen Hochstromimpuls liefern kann.

Die Größe des Superkondensators kann mit der Formel berechnet werden:

C =dU*I/t

Wo:

dU =maximal zulässiger interner Spannungsabfall der Batterie,

Ich =der Strom, der benötigt wird, um die Leistung der Batterie zu ergänzen, und

t =gewünschte Betriebszeit

Gegenwärtig tolerieren Superkondensatoren eine maximale Arbeitsspannung von nur 2,7 V und benötigen eine Schutzschaltung, wenn die Versorgungsspannung diesen Wert überschreiten kann. Wenn höhere Spannungen erforderlich sind, können zwei oder mehr Superkondensatoren in Reihe geschaltet werden, aber die Schaltung muss eine Zener-Diode oder eine andere Vorrichtung zum Ausgleichen der Spannungen enthalten (Abbildung 2).

Abbildung 2. Eine Superkondensator-Ausgleichsschaltung mit Zener-Überspannungsschutz (2,5 V).

Superkondensatoren, die für diese Art von Anwendungen geeignet sind, sind mittlerweile von vielen Komponentenherstellern, darunter Maxwell, Skeleton und Vishay, weit verbreitet.

Aufwärtswandler

Einige ICs, darunter viele gängige Motortreiber, haben Schwierigkeiten, mit den niedrigen Spannungen kleiner Batteriepakete zu laufen, insbesondere wenn sie sich dem Ende ihrer Lebensdauer nähern. Aufwärtswandler sind kostengünstige ICs, mit denen die Spannung einer Batterie um das Drei- bis Vierfache erhöht und die Versorgungsspannung Ihres Systems gegen Ende der Batterielebensdauer auf einem gleichmäßigen Niveau gehalten werden kann. Diese Wandler sind bei hoher Last sehr effizient (90%-95%), bei geringer Last sinkt ihr Wirkungsgrad jedoch etwas. Sie können als eigenständige Lösung oder in Verbindung mit einem Superkondensator verwendet werden.

Zu den IC-Herstellern, die Aufwärtswandler herstellen, gehören Analog Devices, Maxim Integrated und Texas Instruments. Einer der am häufigsten verwendeten Konverter für diese Art von Anwendung ist der MAX8969 von Maxim.

Individuell gewickelte Stepper

Die meisten Stepper, auch kleine, sind für den Betrieb mit Spannungen von 5 V bis 12 V ausgelegt, während die meisten kleinen Batteriestapel 1,5 V bis 5 V erzeugen. Um mit diesen niedrigeren Spannungen zu arbeiten, benötigen Stepper Wicklungen mit weniger Windungen aus dickerem Draht mit niedrigerem Widerstand. Glücklicherweise sind die meisten Hersteller so eingestellt, dass sie kundenspezifische Bestellungen gegen eine angemessene Gebühr oder kostenlos ausführen.

Um einen kundenspezifisch gewickelten Motor zu bestellen, müssen Sie einen Spulenstrom (ICOIL), definiert als RMS-Motorstrom, angeben, der das Nenndrehmoment im Stillstand angibt. Für diese Arten von Anwendungen empfiehlt es sich, einen Motor zu verwenden, der das erforderliche Drehmoment bei 50 % bis 70 % seines maximalen Nennstroms liefert, um die Widerstandsverluste zu minimieren und eine gewisse Reserve zu bieten.

Der erste Schritt bei der Spezifikation der Wicklungen besteht darin, die ursprünglichen Motorspezifikationen des Herstellers zu verwenden, um den Strom zu berechnen, der benötigt wird, um das für Ihre Anwendung erforderliche Drehmoment zu erzeugen. Verwenden Sie diesen Wert, um den Spannungsbedarf für den Motortyp mit der folgenden Formel zu berechnen.

Diese Berechnung für Stillstandsbedingungen ist auch für Zeitlupenbetrieb mit geringer Gegen-EMK recht genau. Bei höheren Drehzahlen sollte die spezifische Gegen-EMK-Konstante CBEMF des Motors auch wie folgt berücksichtigt werden:

Diese Formel verwendet den Quotienten aus Haltemoment und zugeordnetem Spulenstrom. Beachten Sie, dass in beiden Situationen die Reduzierung des RCOIL des Steppers einen niedrigeren UBAT ermöglicht.

Wenn Sie feststellen, dass der Spannungsbedarf des von Ihnen ausgewählten Schrittmotors die von Ihrer Stromversorgung verfügbare Spannung überschreitet, wenden Sie sich an den Motorhersteller, um eine speziell gewickelte Version zu erhalten, die mit einer niedrigeren Spannung und einem höheren Strom betrieben wird.

Alles zusammenfügen

Wenn Sie mehr über die in diesem Artikel vorgestellten Techniken erfahren möchten, können Sie die Trinamic Application Note #57, How to Make a Thermostat with the TMC2300, herunterladen, in der praktische Beispiele verwendet werden, um viele dieser Themen genauer zu untersuchen.

Die Theorie hinter diesen Techniken wird in dem Artikel Low Voltage Motor Control System Design for Mobile and Wireless IoT Device, den ich auf der Embedded World 2020 vorgestellt habe, noch detaillierter erläutert.

Zusätzliche Ressourcen

1. Der Inventables-Workshop:Grundlagen von Schrittmotoren
2. Auswahl des richtigen Motors für Ihr Projekt – DC vs. Schrittmotor vs. Servomotoren
3. Einen Stepper fahren – Adafruit Industries
4. TMC2300-THERMO-BOB-Evaluierungskit (PDF)
5. Datenblatt:Trinamic TMC2300 Niederspannungs-Schritttreiber

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