배터리 구동 스테퍼 모터로 IoT 구현: 신뢰성 있고 정밀한 구동

스테퍼 모터는 카메라 위치 제어부터 밸브 및 창문 커버 제어까지 IoT 기기에 정밀하고 저전력인 구동을 제공합니다.

센서 지원 스마트 객체는 이미 IoT의 눈과 귀 역할을 합니다. 하지만 수년간 데이터에 반응해 물리적으로 움직이는 실용적이고 저렴한 '손'은 드물었습니다. 이제 저렴한 IoT 지원 드라이버 덕분에 소형 배터리 팩으로 스테퍼 모터, 솔레노이드, 기타 액추에이터를 구동할 수 있게 되며, 가상 명령이 실제 행동으로 전환되고 있습니다.

그림 1a. 스테퍼 모터가 원격 제어 라디에이터 컨트롤러 같은 점점 더 많은 IoT 애플리케이션에 쓰이고 있습니다.

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

스테퍼 모터는 이산적인 정밀 스텝으로 움직이고 무전원 상태에서 위치를 유지하므로, 보안 카메라 위치 조정, 원격 센서 각도 변경, 에어 벤트/밸브/창문 커버 작동 같은 작업에 탁월합니다.

제한된 전력 엔벨로프 내에서 동작하기

라인 전원 구동 모터 IoT 기기도 존재하지만, 많은 새로운 애플리케이션은 원격이나 미관상 눈에 띄지 않는 위치에서 동작을 요구합니다. 이런 배치는 단일 Li-ion 셀이나 AA/AAA 배터리 같은 콤팩트한 저전압 소스에 의존합니다. 모터가 드물게 돌면 배터리 전원도 작동하지만, 스테퍼 코일 구동에 필요한 고전압과 고전류 펄스는 소형 배터리 능력을 초과할 수 있습니다. 내부 저항이 부하와 함께 상승해 실효 출력 전압을 낮추는데, 이는 표 1에 나와 있습니다.

표 1. 소형 배터리 특성

이 제약을 완화하는 세 가지 검증된 전략이 있습니다: 공급 버퍼링, 스텝업 컨버터, 맞춤 권선 스테퍼. 각각 배터리 구동 IoT 구동에 실용적 해법을 제공합니다.

공급 버퍼링

배터리 회로에 슈퍼커패시터를 추가하면 짧은 고전류 펄스를 전달하는 '공급 버퍼'가 생성됩니다. 필요 정전용량은 다음 공식으로 계산합니다:

C = dU × I ÷ t

여기서 dU는 배터리 허용 전압 강하, I는 보충 전류, t는 원하는 동작 시간입니다. 슈퍼커패시터는 보통 2.7V가 최대이며, 더 높은 전압은 제너 다이오드나 유사 회로로 밸런싱하는 직렬 스트링이 필요합니다.

그림 2. 제너 과전압 보호(2.5V)를 갖춘 슈퍼커패시터 밸런싱 회로.

Maxwell, Skeleton, Vishay 같은 제조사들이 이런 애플리케이션에 적합한 슈퍼커패시터를 공급합니다.

스텝업 컨버터

많은 모터 드라이버는 소형 배터리의 낮은 전압, 특히 팩 수명 말기에는 구동할 수 없습니다. 저비용 스텝업 컨버터는 배터리 전압을 3-4배 높이며 안정적 공급을 유지합니다. 부하 하에서 90-95% 효율로, 슈퍼커패시터와 짝지어 쓰거나 단독으로 쓸 수 있습니다.

주요 IC 벤더인 Analog Devices, Maxim Integrated, Texas Instruments가 견고한 솔루션을 제공합니다. Maxim의 MAX8969는 배터리 구동 스테퍼 애플리케이션에 인기 있는 선택입니다.

맞춤 권선 스테퍼

표준 스테퍼는 5-12V용으로 설계됐지만, 많은 소형 배터리는 1.5-5V만 공급합니다. 맞춤 권선(더 적은 턴수의 더 두꺼운 저저항 와이어)은 필요 공급 전압을 낮춥니다. 제조사들이 종종 적정 비용으로 맞춤 주문을 받아줍니다.

원하는 정지 토크를 내는 코일 전류(ICOIL)를 지정하십시오. 모터의 원래 데이터로 필요 전류를 계산한 뒤, 다음 공식으로 전압 요건을 결정하십시오:

더 높은 속도를 위해서는 역기전력 상수(CBEMF)를 다음 공식으로 고려하십시오:

RCOIL을 낮추면 배터리 전압을 낮춰 동작할 수 있습니다. 선택한 스테퍼의 전압 요구가 가용 공급을 초과하면, 제조사에 더 낮은 전압, 더 높은 전류 동작에 최적화된 맞춤 권선 변형을 문의하십시오.

모든 것을 종합하기

더 깊은 통찰을 위해 Trinamic 애플리케이션 노트 #57 'TMC2300으로 온도조절기 만들기'를 다운로드하십시오. 이 개념들을 실용적 예제로 적용했습니다. 이론적 기반은 '모바일 및 무선 IoT 기기를 위한 저전압 모터 제어 시스템 설계' 논문에서 더 자세히 다루며, Embedded World 2020에서 발표됐습니다.

추가 자료

1. The Inventables Workshop: 스테퍼 모터 기초
2. 프로젝트용 올바른 모터 선택 – DC vs 스테퍼 vs 서보 모터
3. 스테퍼 구동하기 – Adafruit Industries
4. TMC2300-THERMO-BOB 평가 키트 (PDF)
5. 데이터시트: Trinamic TMC2300 저전압 스테퍼 드라이버

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