电池供电步进电机用于IoT：可靠、精准驱动

步进电机为IoT设备提供精准、低功耗驱动——从摄像头定位到阀门和窗帘控制。

传感器赋能的智能物体已作为IoT的眼耳服务多年。然而，长期以来，能响应数据移动的实用、负担得起的"手"却稀缺。得益于廉价、IoT就绪驱动器，小电池组现可驱动步进电机、电磁阀等执行器，将虚拟指令转化为有形动作，局面正在改变。

图1a. 步进电机发现越来越多IoT应用，如这款远程激活暖气控制器。

图1b. 暖气控制器搭配Microchip AVR IoT开发板展示。

因步进电机按离散精准步进移动且断电保持位置，在定位安防摄像头、调节远程传感器、驱动风门、阀门和窗帘等任务中表现出色。

在有限功率包络内运行

虽存在市电供电电机IoT设备，但许多新应用要求在偏远或美观不显眼位置运行。这些部署依赖紧凑低压源，如单节锂离子或AA/AAA电池。电池供电在电机低频运行时可行，但激励步进线圈所需的高电压和电流脉冲可能超出小电池能力。内阻随负载上升，降低有效输出电压，见表1。

表1. 小电池特性

三大实证策略缓解这些约束：供电缓冲、升压转换器、定制绕组步进电机。每种为电池供电IoT驱动提供实用方案。

供电缓冲

在电池电路添加超级电容创建"供电缓冲"，可提供短时大电流脉冲。所需电容按下式计算：

C = dU × I ÷ t

其中dU为电池允许电压降，I为补充电流，t为期望运行时间。超级电容典型上限2.7V；更高电压需串联并用稳压二极管等电路平衡。

图2. 带稳压二极管过压保护(2.5V)的超级电容平衡电路。

Maxwell、Skeleton、Vishay等厂商供应适用此类应用的超级电容。

升压转换器

许多电机驱动器无法在小电池低电压下运行，尤其接近电池寿命末期时。低成本升压转换器将电池电压提升3-4倍并维持稳定供电。负载下效率90-95%，可与超级电容搭配或单独使用。

Analog Devices、Maxim Integrated、Texas Instruments等主流IC厂商提供稳健方案。Maxim MAX8969是电池供电步进应用热门选择。

定制绕组步进电机

标准步进电机设计为5-12V，但许多小电池仅供1.5-5V。定制绕组——减少匝数、用更粗低阻导线——降低所需供电电压。厂商常以适度成本接受定制订单。

指定产生所需保持扭矩的线圈电流(I_COIL)。用电机原始数据计算所需电流，再用下式确定电压需求：

更高速度需考虑反电动势常数(C_BEMF)：

降低R_COIL允许在更低电池电压下运行。若所选步进电机电压需求超可用供电，咨询厂商定制优化低压大电流运行的变体。

整合应用

深入见解请下载Trinamic应用笔记#57《如何用TMC2300制作恒温器》，将这些概念用于实例。理论基础在Embedded World 2020论文《面向移动和无线IoT设备的低压电机控制系统设计》进一步阐述。

额外资源

1. Inventables研讨会：步进电机基础
2. 为项目选对电机——直流vs步进vs伺服电机
3. 驱动步进电机——Adafruit Industries
4. TMC2300-THERMO-BOB评估套件(PDF)
5. 数据手册：Trinamic TMC2300低压步进驱动器

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