使用电池供电的步进电机驱动物联网

本文着眼于步进电机如何在面向物联网的任务中正常工作，例如定位安全摄像头和远程传感器或驱动通风口、阀门和窗户盖子。

支持传感器的智能对象已经作为物联网的“眼睛和耳朵”发挥着至关重要的作用。但是，直到最近，几乎没有实用的解决方案可以为物联网应用程序提供实用的、负担得起的“手臂和手”，这些“手臂和手”可以通过互联网返回并以物理方式对他们的所见或所感做出反应。然而，随着具有成本效益的物联网电子驱动器的出现，这种情况正在发生变化，这些驱动器可以使用小型电池组为电机、步进电机、螺线管和其他类型的执行器供电，将网络世界的虚拟意图转化为现实世界的行动.

图 1a. 步进电机正在寻找越来越多的物联网应用，例如这种远程激活的散热器控制器。

图 1b。 散热器控制器与 Microchip AVR IoT 开发板一起显示。

在本文中，我们将重点介绍步进电机，因为它们的分段转子和电枢结构使它们能够以微小、精确、离散的步长旋转，并在无动力时保持其位置。这使得它们在面向物联网的任务中运行良好，例如定位安全摄像头和远程传感器或驱动通风口、阀门和窗罩。

使用有限的电源

虽然一些机动物联网设备是由线路供电的，但现在越来越多的应用需要在偏远地区运行，通常使用相对较小的低压能源，例如单节锂离子电池或 AA 或 AAA 电池。就家庭和办公室周围的许多物联网应用而言，这些应用应该融入环境，这意味着它们不能有电源线。

理论上，电池电源适用于许多此类应用，因为它们很少使用电机，因此它们对电池有限容量的影响相对较低。但是电池可能无法提供步进电机为其线圈通电所需的更高驱动电压和相对较大的电流脉冲。如表 1 所示，大多数常用电池都有大量的内阻，随着输出电流的增加，其输出电压会降低。

表 1. 小型电池特性

幸运的是，有一些简单的策略可以克服这些限制，包括电源缓冲、升压转换器和定制绕线步进器。让我们来看看这些策略是如何运作的。

供应缓冲

一种称为“电源缓冲”的简单技术可用于通过添加可提供短大电流脉冲的超级电容器来补充小型电池的有限输出。

超级电容器的尺寸可以用下式计算：

C =dU*I/t

哪里：

dU =电池的最大允许内部电压降，

我 =补充电池输出所需的电流，以及

t =所需的操作时间

目前超级电容器的最大工作电压只有2.7V，如果电源电压超过这个值，就需要有保护电路。如果需要更高的电压，可以串联两个或多个超级电容器，但电路必须包括齐纳二极管或其他一些用于平衡电压的设备（图 2）。

图 2. 具有齐纳过压保护（2.5V）的超级电容器平衡电路。

适用于这些类型应用的超级电容器现在可以从许多组件制造商那里广泛获得，包括 Maxwell、Skeleton 和 Vishay。

升压转换器

一些 IC（包括许多流行的电机驱动器）难以在小型电池组提供的低电压下运行，尤其是当它们接近使用寿命时。升压转换器是低成本 IC，可用于将电池电压提高三到四倍，并在电池寿命结束时将系统的电源电压保持在均匀水平。这些转换器在高负载时非常高效 (90%-95%)，但在轻负载时效率会有所下降。它们可以作为独立的解决方案使用，也可以与超级电容器结合使用。

生产升压转换器的 IC 制造商包括 Analog Devices、Maxim Integrated 和 Texas Instruments。此类应用中最常用的转换器之一是 Maxim 的 MAX8969。

定制缠绕步进器

大多数步进器，甚至是小型步进器，都设计用于在 5V 至 12V 的电压范围内工作，而大多数小型电池组可产生 1.5V 至 5V 的电压。为了在这些较低的电压下工作，步进电机需要具有较少匝数的较粗、较低电阻的导线。幸运的是，大多数制造商都设置为以合理收费或免费提供定制订单。

要订购定制绕线电机，您需要指定一个线圈电流 (ICOIL)，定义为 RMS 电机电流，它给出了静止时的标称扭矩。对于这些类型的应用，最好使用能够在其最大额定电流的 50%-70% 下提供必要扭矩的电机，以最大限度地减少电阻损耗并提供一些余量。

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应用所需扭矩所需的电流。使用此值使用以下公式计算电机类型的电压要求。

对于几乎没有反电动势的慢动作操作，静止条件的这种计算也相当准确。在更高的速度下，电机的特定反电动势常数 CBEMF 还应考虑使用以下内容：

该公式使用保持转矩和指定线圈电流的商。请注意，在任何一种情况下，降低步进器的 RCOIL 都可以降低 UBAT。

如果您发现您选择的步进电机的电压要求超过了您的电源提供的电压，请联系电机制造商了解定制绕组版本，该版本将使用更高的电流在较低的电压下运行。

把它们放在一起

如果您有兴趣了解有关本文中介绍的技术的更多信息，您可以下载 Trinamic 应用说明 #57，如何使用 TMC2300 制作恒温器，其中使用实际示例更深入地探索其中的许多主题。

这些技术背后的理论在我在 Embedded World 2020 上发表的论文《移动和无线物联网设备的低压电机控制系统设计》中进行了更详细的解释。

其他资源

1. Inventables 研讨会：步进电机基础
2. 为您的项目选择合适的电机——直流电机、步进电机和伺服电机
3. 驾驶踏步机——Adafruit Industries
4. TMC2300-THERMO-BOB 评估套件 (PDF)
5. 数据表：Trinamic TMC2300 低压步进驱动器

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