单片机开发電(diàn)池供電(diàn)的步进電(diàn)机使IoT自动化

2020-12-02

具有(yǒu)传感器功能(néng)的智能(néng)对象已经作為(wèi)物(wù)联网的“耳朵”发挥了至关重要的作用(yòng)。但是，直到最近，几乎没有(yǒu)实用(yòng)的解决方案可(kě)以為(wèi)IoT应用(yòng)程序提供实用(yòng)，负担得起的“手臂”，它们可(kě)以在Internet上伸出援手并以物(wù)理(lǐ)方式对他(tā)们看到或感知的内容做出反应。但是，随着具有(yǒu)成本效益的具有(yǒu)物(wù)联网功能(néng)的電(diàn)子驱动器的出现，这种情况正在改变，该驱动器可(kě)以使用(yòng)小(xiǎo)型電(diàn)池组為(wèi)電(diàn)动机，步进電(diàn)动机，螺線(xiàn)管和其他(tā)类型的执行器提供动力，从而将网络世界的虚拟意图转化為(wèi)现实行动。  

 

图1a。步进電(diàn)机正在发现越来越多(duō)的物(wù)联网应用(yòng)，例如这种遠(yuǎn)程激活的散热器控制器。

 

图1b。 带有(yǒu)Microchip AVR IoT开发板的散热器控制器。 

在本文(wén)中，我们将重点介绍步进電(diàn)动机，因為(wèi)它们的分(fēn)段转子和電(diàn)枢结构使它们能(néng)够以小(xiǎo)的，精确的离散步長(cháng)旋转，并且在不加電(diàn)的情况下仍能(néng)保持其位置。这使它们在面向物(wù)联网的任務(wù)中表现良好，例如定位安全摄像机和遠(yuǎn)程传感器或启动通风口，阀门和窗盖。 

使用(yòng)有(yǒu)限的電(diàn)源 

尽管某些机动化IoT设备采用(yòng)線(xiàn)路供電(diàn)，但现在需要越来越多(duō)的应用(yòng)程序在偏遠(yuǎn)地區(qū)运行，通常使用(yòng)相对较小(xiǎo)的低压能(néng)源，例如单个锂离子電(diàn)池或AA或AAA電(diàn)池。对于家庭和办公室周围的许多(duō)物(wù)联网应用(yòng)程序，这些应用(yòng)程序应该融入环境中，这意味着它们没有(yǒu)電(diàn)源線(xiàn)。

从理(lǐ)论上讲，電(diàn)池電(diàn)源将可(kě)用(yòng)于许多(duō)此类应用(yòng)，因為(wèi)它们很(hěn)少使用(yòng)電(diàn)动机，因此它们对電(diàn)池有(yǒu)限容量的影响相对较小(xiǎo)。但是，電(diàn)池可(kě)能(néng)无法提供更高的驱动電(diàn)压和步进電(diàn)机為(wèi)其線(xiàn)圈通電(diàn)所需的相对较大的電(diàn)流脉冲。如表1所示，最常用(yòng)的電(diàn)池具有(yǒu)大量的内部電(diàn)阻，随着输出電(diàn)流的增加，它们的输出電(diàn)压会降低。

表1.小(xiǎo)型電(diàn)池特性

 

幸运的是，存在一些克服这些限制的简单策略，包括電(diàn)源缓冲，升压转换器和定制绕線(xiàn)式步进器。让我们看一下每种策略的工作方式。

供应缓冲

一种简单的技术称為(wèi)“電(diàn)源缓冲”，可(kě)通过添加超级電(diàn)容器来补充小(xiǎo)電(diàn)池的有(yǒu)限输出，该超级電(diàn)容器可(kě)以提供短的高電(diàn)流脉冲。 

超级電(diàn)容器的尺寸可(kě)以使用(yòng)以下公式计算：

C = dU * I / t

哪里：

dU =電(diàn)池的最大内部允许压降， 

I =补充電(diàn)池输出所需的電(diàn)流，并且 

t =所需的工作时间 

目前，超级電(diàn)容器只能(néng)承受最大2.7V的工作電(diàn)压，并且如果電(diàn)源電(diàn)压可(kě)以超过该值，则需要保护電(diàn)路。当需要更高的電(diàn)压时，可(kě)以串联两个或多(duō)个超级電(diàn)容器，但是電(diàn)路必须包括一个齐纳二极管或其他(tā)用(yòng)于平衡電(diàn)压的设备（图2）。 

 

图2. 具有(yǒu)齐纳二极管过压保护（2.5V）的超级電(diàn)容器平衡電(diàn)路。

现在，包括Maxwell，Skeleton和Vishay在内的许多(duō)组件制造商(shāng)已广泛提供适用(yòng)于这些类型应用(yòng)的超级電(diàn)容器。 

升压转换器

某些IC（包括许多(duō)流行的電(diàn)机驱动器）难以在小(xiǎo)型電(diàn)池组提供的低電(diàn)压下运行，尤其是在使用(yòng)寿命即将结束时。升压转换器是低成本的IC，可(kě)用(yòng)于将電(diàn)池電(diàn)压提升多(duō)达三到四倍，并在電(diàn)池寿命即将结束时将系统的電(diàn)源電(diàn)压维持在均匀水平。这些转换器在高负载下非常高效（90％-95％），但在轻负载时效率会有(yǒu)所下降。它们可(kě)以用(yòng)作独立解决方案，也可(kě)以与超级電(diàn)容器结合使用(yòng)。