Motorização da IoT com motores de passo alimentados por bateria

Este artigo analisa como os motores de passo funcionam bem em tarefas orientadas para IoT, como posicionar câmeras de segurança e sensores remotos ou ativar saídas de ar, válvulas e janela tampas.

Objetos inteligentes ativados por sensores já desempenham papéis vitais como os “olhos e ouvidos” da IoT. Mas, até recentemente, havia poucas soluções práticas para dar aos aplicativos de IoT “braços e mãos” práticos e acessíveis que pudessem alcançar a Internet e reagir ao que veem ou sentem de maneira física. Isso está mudando, no entanto, com o surgimento de drivers eletrônicos com capacidade de IoT de baixo custo que podem usar pequenas baterias para alimentar motores, motores de passo, solenóides e outros tipos de atuadores que traduzem a intenção virtual do mundo cibernético em ações do mundo real .

Figura 1a. Os motores de passo estão encontrando um número crescente de aplicações IoT, como este controlador de radiador ativado remotamente.

Figura 1b. Controlador de radiador mostrado com uma placa de desenvolvimento Microchip AVR IoT.

Neste artigo, vamos nos concentrar em motores de passo porque seu rotor segmentado e estruturas de armadura permitem que eles girem em etapas pequenas, precisas e discretas e mantenham sua posição sem energia. Isso os faz funcionar bem em tarefas orientadas para IoT, como posicionar câmeras de segurança e sensores remotos ou ativar saídas de ar, válvulas e tampas de janela.

Trabalho com uma fonte de alimentação limitada

Embora alguns dispositivos IoT motorizados sejam alimentados por linha, um número crescente de aplicativos agora são necessários para operar em locais remotos, muitas vezes usando fontes de energia de baixa tensão relativamente pequenas, como uma única célula de íon de lítio ou uma bateria AA ou AAA. No caso de muitos aplicativos IoT em casa e no escritório, esses aplicativos devem se misturar ao ambiente, o que significa que não podem ter um cabo de alimentação.

Em teoria, a energia da bateria funcionará para muitas dessas aplicações porque eles usam o motor com pouca frequência, então seu impacto na capacidade limitada da bateria é relativamente baixo. Mas a bateria pode não ser capaz de fornecer a tensão de acionamento mais alta e os pulsos de corrente relativamente grandes que um motor de passo requer para energizar suas bobinas. Como mostra a Tabela 1, as baterias mais comumente disponíveis têm uma quantidade significativa de resistência interna que reduz sua tensão de saída à medida que sua corrente de saída aumenta.



Tabela 1. Características da bateria pequena





Felizmente, existem algumas estratégias simples para superar essas limitações, incluindo buffer de abastecimento, conversores de aumento e steppers de enrolamento personalizado. Vejamos como cada uma dessas estratégias funciona.

Buffer de abastecimento

Uma técnica simples conhecida como "buffer de fornecimento" pode ser usada para complementar a saída limitada de uma pequena bateria adicionando um supercapacitor que pode fornecer um pulso curto de alta corrente.

O tamanho do supercapacitor pode ser calculado usando a fórmula:

C =dU * I / t

Onde:

dU =queda de tensão interna máxima permitida da bateria,

eu =a corrente necessária para complementar a saída da bateria, e

t =tempo de operação desejado

Atualmente, os supercondensadores toleram uma tensão máxima de trabalho de apenas 2,7 V e requerem um circuito de proteção se a tensão de alimentação pode exceder este valor. Onde tensões mais altas são necessárias, dois ou mais supercondensadores podem ser colocados em série, mas o circuito deve incluir um diodo Zener ou algum outro dispositivo para equilibrar as tensões (Figura 2).

Figura 2. Um circuito de balanceamento de supercapacitor com proteção contra sobretensão Zener (2,5 V).

Supercapacitores adequados para esses tipos de aplicações estão agora amplamente disponíveis em muitos fabricantes de componentes, incluindo Maxwell, Skeleton e Vishay.

Conversores Step-Up

Alguns ICs, incluindo muitos drivers de motor populares, têm dificuldade em funcionar com as baixas tensões disponíveis em pequenas baterias, especialmente quando estão perto do fim de sua vida útil. Conversores de aumento são ICs de baixo custo que podem ser usados ​​para aumentar a tensão de uma bateria em até três a quatro vezes e para manter a tensão de alimentação do seu sistema em um nível uniforme no final da vida útil da bateria. Esses conversores são muito eficientes (90% -95%) em cargas altas, mas sua eficiência cai um pouco quando estão com carga leve. Eles podem ser usados ​​como uma solução independente ou em conjunto com um supercapacitor.

Os fabricantes de IC que produzem conversores avançados incluem Analog Devices, Maxim Integrated e Texas Instruments. Um dos conversores mais usados ​​para esse tipo de aplicação é o MAX8969 da Maxim.

Steppers com feridas personalizadas

A maioria dos steppers, mesmo os pequenos, são projetados para operar em tensões que variam de 5 V a 12 V, enquanto a maioria das baterias pequenas produzem 1,5 V a 5 V. Para operar nessas tensões mais baixas, os steppers precisam de enrolamentos com menos voltas de fio mais grosso e de menor resistência. Felizmente, a maioria dos fabricantes está configurada para acomodar pedidos personalizados por um custo razoável ou sem custo.

Para solicitar um motor de enrolamento personalizado, você precisará especificar uma corrente da bobina (ICOIL), definida como a corrente RMS do motor, que fornece o torque nominal na paralisação. Para esses tipos de aplicações, é bom usar um motor que forneça o torque necessário entre 50% -70% de sua corrente nominal máxima para minimizar as perdas resistivas e fornecer algum espaço.

A primeira etapa na especificação dos enrolamentos é usar as especificações originais do motor do fabricante para calcular a corrente necessária para gerar o torque necessário para sua aplicação. Use este valor para calcular o requisito de tensão para o tipo de motor usando a fórmula abaixo.



Este cálculo para condições de paralisação também é razoavelmente preciso para operação em câmera lenta onde há pouco EMF traseiro. Em velocidades mais altas, a constante de EMF traseira CBEMF específica do motor também deve ser considerada usando o seguinte:



Esta fórmula usa o quociente de torque de retenção e corrente de bobina atribuída. Observe que, em qualquer situação, reduzir o RCOIL do stepper permite um UBAT mais baixo.

Se você achar que o requisito de voltagem do stepper que você selecionou excede a voltagem disponível de sua fonte, entre em contato com o fabricante do motor sobre uma versão de enrolamento personalizado que operará em uma voltagem mais baixa usando uma corrente mais alta.

Juntando tudo

Se estiver interessado em aprender mais sobre as técnicas apresentadas neste artigo, você pode baixar a Nota de aplicação do Trinamic nº 57, Como fazer um termostato com o TMC2300, onde exemplos práticos são usados ​​para explorar muitos desses tópicos com mais profundidade.

A teoria por trás dessas técnicas é explicada com ainda mais detalhes no artigo Projeto de sistema de controle de motor de baixa tensão para dispositivo IoT móvel e sem fio, que apresentei no Embedded World 2020.

Recursos adicionais

1. O workshop de Inventables:Noções básicas de motores de passo
2. Escolhendo o motor certo para o seu projeto - CC vs motor de passo vs servo motores
3. Conduzindo um Stepper - Indústrias Adafruit
4. Kit de avaliação TMC2300-THERMO-BOB (PDF)
5. Folha de dados:driver de passo de baixa tensão Trinamic TMC2300

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