배터리 구동 스테퍼 모터로 IoT 모터화

이 문서에서는 보안 카메라 및 원격 센서 위치 지정 또는 통풍구, 밸브 및 창 작동과 같은 IoT 지향 작업에서 스테퍼 모터가 어떻게 잘 작동하는지 살펴봅니다. 커버.

센서 지원 스마트 개체는 이미 IoT의 "눈과 귀"로서 중요한 역할을 하고 있습니다. 그러나 최근까지 IoT 애플리케이션에 인터넷을 통해 다시 손을 뻗어 물리적 방식으로 보거나 감지하는 것에 반응할 수 있는 실용적이고 저렴한 "팔과 손"을 제공하기 위한 실용적인 솔루션은 거의 없었습니다. 그러나 사이버 세계의 가상 의도를 실제 행동으로 변환하는 모터, 스테퍼 모터, 솔레노이드 및 기타 유형의 액추에이터에 전력을 공급하기 위해 소형 배터리 팩을 사용할 수 있는 비용 효율적인 IoT 가능 전자 드라이버의 등장으로 이러한 상황이 바뀌고 있습니다. .

그림 1a. 스테퍼 모터는 원격으로 작동되는 이 라디에이터 컨트롤러와 같은 점점 더 많은 IoT 애플리케이션을 찾고 있습니다.

그림 1b. Microchip AVR IoT 개발 보드와 함께 표시된 라디에이터 컨트롤러

이 기사에서 우리는 스테퍼 모터에 초점을 맞출 것입니다. 그 이유는 분할된 회전자와 전기자 구조로 인해 작고 정확하며 개별 단계로 회전하고 전원이 공급되지 않는 동안 위치를 유지할 수 있기 때문입니다. 따라서 보안 카메라 및 원격 센서 위치 지정 또는 통풍구, 밸브 및 창 덮개 작동과 같은 IoT 지향 작업에서 잘 작동합니다.

제한된 전원으로 작업하기

일부 전동 IoT 장치는 라인 전원을 사용하지만 이제는 단일 리튬 이온 셀이나 AA 또는 AAA 배터리와 같은 비교적 작은 저전압 에너지원을 사용하여 원격 위치에서 작동해야 하는 애플리케이션이 점점 더 많아지고 있습니다. 가정과 사무실에 있는 많은 IoT 애플리케이션의 경우 이러한 애플리케이션은 환경에 혼합되어야 하므로 전원 케이블이 없어야 합니다.

이론적으로 배터리 전원은 모터를 드물게 사용하므로 배터리의 제한된 용량에 미치는 영향이 상대적으로 낮기 때문에 이러한 많은 응용 분야에서 작동합니다. 그러나 배터리는 더 높은 구동 전압을 제공할 수 없으며 스테퍼 모터가 코일에 에너지를 공급하는 데 필요한 비교적 큰 전류 펄스를 제공할 수 없습니다. 표 1에서 볼 수 있듯이 가장 일반적으로 사용되는 배터리에는 출력 전류가 증가함에 따라 출력 전압을 낮추는 상당한 양의 내부 저항이 있습니다.

표 1. 소형 배터리 특성

다행스럽게도 공급 버퍼링, 승압 변환기 및 맞춤 권선 스테퍼를 포함하여 이러한 제한을 극복하기 위한 몇 가지 간단한 전략이 있습니다. 각 전략이 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다.

공급 버퍼링

"공급 버퍼링"으로 알려진 간단한 기술은 짧은 고전류 펄스를 전달할 수 있는 슈퍼커패시터를 추가하여 소형 배터리의 제한된 출력을 보완하는 데 사용할 수 있습니다.

슈퍼커패시터의 크기는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

C =dU*I/t

어디에:

듀 =배터리의 최대 허용 내부 전압 강하,

나 =배터리 출력을 보충하는 데 필요한 전류 및

t =원하는 작동 시간

현재 슈퍼커패시터는 최대 작동 전압이 2.7V에 불과하며 공급 전압이 이 값을 초과할 수 있는 경우 보호 회로가 필요합니다. 더 높은 전압이 필요한 경우 두 개 이상의 슈퍼커패시터를 직렬로 배치할 수 있지만 회로에는 전압 밸런싱을 위한 제너 다이오드 또는 기타 장치가 포함되어야 합니다(그림 2).

그림 2. 제너 과전압 보호(2.5V) 기능이 있는 슈퍼커패시터 밸런싱 회로.

이러한 유형의 애플리케이션에 적합한 슈퍼커패시터는 현재 Maxwell, Skeleton 및 Vishay를 비롯한 많은 부품 제조업체에서 널리 사용할 수 있습니다.

스텝업 컨버터

많은 인기 있는 모터 드라이버를 포함한 일부 IC는 특히 서비스 수명이 거의 다했을 때 소형 배터리 팩에서 사용할 수 있는 낮은 전압에서 실행하는 데 어려움을 겪습니다. 승압 컨버터는 배터리의 전압을 3~4배까지 높이고 시스템의 공급 전압을 배터리 수명이 다할 때까지 균일한 수준으로 유지하는 데 사용할 수 있는 저렴한 IC입니다. 이러한 컨버터는 고부하에서 매우 효율적(90%-95%)이지만 부하가 적으면 효율성이 다소 떨어집니다. 독립형 솔루션으로 또는 슈퍼커패시터와 함께 사용할 수 있습니다.

승압 컨버터를 생산하는 IC 제조업체에는 Analog Devices, Maxim Integrated 및 Texas Instruments가 있습니다. 이러한 유형의 애플리케이션에 가장 자주 사용되는 컨버터 중 하나는 Maxim의 MAX8969입니다.

맞춤형 스테퍼

대부분의 스테퍼, 심지어 작은 스테퍼는 5V ~ 12V 범위의 전압에서 작동하도록 설계되었지만 대부분의 소형 배터리 스택은 1.5V ~ 5V를 생성합니다. 이러한 더 낮은 전압에서 작동하려면 스테퍼에 더 두껍고 저항이 낮은 와이어의 권선이 더 적은 권선이 필요합니다. 다행히 대부분의 제조업체는 합리적인 비용 또는 무료로 맞춤 주문을 수용하도록 설정되어 있습니다.

맞춤형 모터를 주문하려면 정지 시 공칭 토크를 제공하는 RMS 모터 전류로 정의되는 코일 전류(ICOIL)를 지정해야 합니다. 이러한 유형의 애플리케이션의 경우 저항 손실을 최소화하고 약간의 헤드룸을 제공하기 위해 최대 정격 전류의 50%-70%에서 필요한 토크를 전달하는 모터를 사용하는 것이 좋습니다.

권선을 지정하는 첫 번째 단계는 제조업체의 원래 모터 사양을 사용하여 애플리케이션에 필요한 토크를 생성하는 데 필요한 전류를 계산하는 것입니다. 이 값을 사용하여 아래 공식을 사용하여 모터 유형에 대한 전압 요구 사항을 계산하십시오.

정지 상태에 대한 이 계산은 역기전력이 거의 없는 슬로우 모션 작동에서도 상당히 정확합니다. 더 높은 속도에서는 다음을 사용하여 모터의 특정 역기전력 상수 CBEMF도 고려해야 합니다.

이 공식은 유지 토크와 할당된 코일 전류의 몫을 사용합니다. 두 경우 모두 스테퍼의 RCOIL을 줄이면 UBAT가 낮아집니다.

선택한 스테퍼의 전압 요구 사항이 공급 장치에서 사용 가능한 전압을 초과하는 경우 모터 제조업체에 더 높은 전류를 사용하여 더 낮은 전압에서 작동하는 맞춤형 버전에 대해 문의하십시오.

모두 합치기

이 기사에 소개된 기술에 대해 자세히 알아보려면 Trinamic Application Note #57, TMC2300으로 온도 조절 장치를 만드는 방법을 다운로드할 수 있습니다. 여기에서 실제 예제를 사용하여 이러한 주제 중 많은 부분을 더 깊이 있게 탐색할 수 있습니다.

이러한 기술의 이면에 있는 이론은 제가 Embedded World 2020에서 발표한 모바일 및 무선 IoT 장치를 위한 저전압 모터 제어 시스템 설계 논문에서 훨씬 더 자세히 설명되어 있습니다.

추가 리소스

<올>

Inventables 워크숍:스테퍼 모터 기본 사항

프로젝트에 적합한 모터 선택 – DC 대 스테퍼 대 서보 모터

스테퍼 운전 – Adafruit Industries

TMC2300-THERMO-BOB 평가 키트(PDF)

데이터시트:Trinamic TMC2300 저전압 스테퍼 드라이버

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