موتور دار كردن دستگاه‌هاي اينترنت اشيا با موتورهاي پله‌اي كه منبع انرژي ‌آنها باتري خواهد بود

09:59640

موتور دار کردن

در اين مقاله مي‌خواهيم عملكرد موتور‌ هاي پله‌اي ومنبع انرژی باتري ان را در وظايف مبتني بر آي‌او‌تي[IoT]، بررسي كنيم؛ به عنوان مثال مي‌توان به مشخص كردن محل دوربين‌هاي امنيتي، حسگرهاي كنترل از را‌ه‌دور، به كار انداختن كانال‌هاي هوا، باز كردن شيرها و پوشش پنجره‌ها، اشاره كرد.

امروزه، اشياي هوشمندي كه با كمك حسگرها فعال مي‌شوند، به عنوان چشم‌ها و گوشي‌هاي IoT شناخته مي‌شوند؛ بنابراين داراي نقش مهمي هستند. با اين حال به تازگي راه‌حل‌هايي براي پياده‌سازي اين نوع ازIoT ها، ارائه شده است. در واقع اين راه‌حل‌ها براي IoT دست و بازو مهيا كرده‌اند تا به سرتاسر اينترنت دسترسي داشته باشند و به بتوانند به مواردي كه به صورت فيزيكي مي‌بينند و حس مي‌كنند، واكنش نشان دهند. اين موضوع بسيار با اهميت است اما امروزه درايورهاي الكترونيكي مبتني بر IoT معرفي شده‌اند كه از لحاظ اقتصادي بسيار با صرفه هستند و تنها از مجموعة باتري‌ها استفاده مي‌كنند تا موتورها، موتور‌ها پله‌اي، سيم‌پيچ‌ها و ديگر انواع راه‌اندازها را فعال كنند؛ در واقع آنها يك دستور در شبكه مجازي را در دنياي واقعي، پياده‌سازي خواهند كرد.

شكل 1الف. موتور‌هاي پله‌اي در بسياري از كاربردهاي آي‌او‌تي حضور دارند؛ به عنوان مثال مي‌توان به اين كنترل‌كننده رادياتور اشاره كرد كه از راه‌دور فعال مي‌شود.

شكل 1ب. كنترل‌كننده رادياتور كه به همراه ميكروتراشه اي‌وي‌آر[Microchip AVR] بر روي برد آن، توسعه داده شده است.

ما در اين مقاله مي‌خواهيم بر روي موتور‌هاي پله‌اي تمركز كنيم، زيرا بخش چرخنده و ساختار آرمیچر آن به ما اجازه مي‌دهد تا با گام‌هاي مجزا، دقيق و كوچك، چرخش را انجام دهيم؛ به علاوه اگر به آنها جريان نرسد، موقعيت خود را حفظ خواهند كرد

كار كردن با استفاده از يك منبع جريان محدود

با اينكه برخي از دستگاه‌هايIoT به صورت مستقيم به جريان برق وصل هستند؛ اما اخيرا دستگاه‌هايي ايجاد شده‌اند كه از منابع انرژي كوچك و با ولتاژ كم (به عنوان مثال مي‌توان به يك سلول ليتيوم-يوني و يا باتري‌هاي قلمي و نيمه قلمي اشاره كرد) استفاده مي‌كنند. اين دستگاه‌ها در مناطقي قرار دارند كه به صورت از راه دور كنترل مي‌شوند. اين دستگاه‌ها به عنوان بخشي از دستگاه‌هايIoT موجود در اداره و محيط اطراف شما هستند؛ اما آنها با اين هدف ايجاد شده‌اند كه رابطه بهتري با محيط‌ برقرار كنند؛ زيرا آنها از سيم برق استفاده نخواهند كرد.

از لحاظ نظري استفاده از باتري در بسياري از اين دستگاه‌ها، امكان‌پذير خواهد بود؛ زيرا آنها به صورت پيوسته از موتورها استفاده نمي‌كنند، بنابراين ميزان استفاده آنها از انرژي محدود باتري، كم خواهد بود. با اين حال باتري نمي‌تواند ولتاژ محرك بالايي ايجاد كند؛ در حالي كه موتور پله‌اي نياز به پالس‌هاي جريان بزرگي دارد تا بتواند سيم‌پيچ‌ها خود را انرژي ببخشد. جدول 1 نشان مي‌دهد كه غالب باتري‌هاي رايج داراي مقاومت داخلي چشم‌گيري هستند؛ اين موضوع باعث مي‌شود كه با افزايش جريان خروجي، شاهد كاهش ولتاژ خروجي باشيم.

جدول1. خصوصيات باتري‌هاي كوچك 

خوشبختانه چند راهكار ساده براي غلبه بر اين محدوديت‌ها وجود دارد؛ به عنوان مثال مي‌توان به بافر كردن منبع انرژي، مبدل‌هاي افزاينده[step-up converters]و موتورهاي پله‌اي نوارپيچ شده اشاره كرد. حال مي‌خواهيم به بررسي هر كدام از اين راهبردها بپردازيم.

بافر كردن منبع انرژی

يك روش ساده كه با اصطلاح «منبع بافرشده» شناخته مي‌شود، براي زياد كردن خروجي محدود باتري استفاده مي‌شود؛ در اين روش يك ابر خازن به باتري اضافه مي‌شود تا بتواند پالس‌هاي جريان كوتاه را ايجاد كند. ابعاد ابرخازن را مي‌توان با استفاده از رابطه زير محاسبه كرد:

در اين رابطه داريم:

C = dU*I/t

  dU= بيشينه مجاز براي كاهش ولتاژ دروني باتري است
I =جريان مورد نياز براي افزايش خروجي باتري است
t= زمان عملياتي دلخواه است.

در حال حاضر ابرخازن‌ها مي‌تواند ولتاژ عملياتي به ميزان 7/2 ولت را تحمل كنند؛ اگر بخواهيم ولتاژي بيشتر از اين ميزان را دريافت كنيم، نياز به يك مدار محافظ خواهيم داشت. در مواردي كه به ولتاژ بالاتري نياز است، مي‌توانيم از دو يا چندين ابرخازن به صورت سري استفاده كنيم؛ البته در اين مدار بايد حتما يك ديود زنر يا ديگر تجهيزات وجود داشته باشد، تا بتواند ولتاژ را متعادل كند (شكل 2).

شكل2. يك مدار داراي ابرخازن كه با استفاده از ديود زنر، ولتاژ آن متعادل شده است

امروزه ابرخازن‌هايي كه براي اين نوع از كاربردها مناسب هستند، به وفور يافت مي‌شوند؛ توليدكننده‌هاي فراواني هم‌چون ماكسول، اسكلتون و ويشاي اقدام به توليد اين ابرخازن‌ها كرده‌اند.

مبدل‌هاي‌ فزاينده

برخي از آي‌سي‌ها (همانند بسياري از درايورهاي مشهور موتور) نمي‌توانند با گرفتن ولتاژ‌هاي پايين از مجموعه‌هاي باتري، فعاليت كنند؛ اين موضوع زماني پررنگ‌تر خواهد شد كه آي‌سي در انتهاي طول عمر خود قرار داشته باشد.

مبدل‌هاي افزاينده به عنوان آي‌سي‌هاي كم‌هزينه‌اي شناخته مي‌شوند كه از آنها براي افزايش ولتاژ باتري استفاده مي‌شود؛ در واقع با استفاده از اين روش مي‌توانيم ولتاژ خروجي باتري را سه يا چهار برابر كنيم.

در اين صورت مي‌توانيد ولتاژ مورد نياز سيستم خود را با يك مقدار ثابت دريافت كنيد (تا زماني كه عمر باتري‌ها پايان يابد). اين مبدل‌ها در بارهاي سنگين، بسيار موثر (90 الي 95 درصد بازدهي) خواهند بود؛ اما بازدهي آنها با كاهش بار، كاهش خواهد يافت. شما مي‌توانيد از آنها به صورت مجزا و يا در تركيب با يك ابرخازن استفاده كنيد.

آنالوگ ديوايسز، ماكسيم انتگريتد و تگزاس اينسترومنت،‌ از جمله شركت‌هايي هستند كه مبدل‌هاي فزاينده توليد مي‌كنند. مبدل شركت ماكسيم با نام ماكس8969 يكي از دستگاه‌هايي كه به وفور در اين كاربردها از آن استفاده مي‌شود.

موتورهاي پله‌اي نوارپيچ شده

‌غالب موتورهاي پله‌اي (حتي آنهايي كه داراي ابعاد كوچكي هستند) به گونه‌اي طراحي شده‌اند كه با ولتاژ در بازه 5 الي 12 ولت، فعاليت كنند؛

در حالي كه غالب باتري‌هاي كوچك تنها مي‌توانند 5/1 الي 5 ولت، توليد كنند. براي اينكه موتورهاي پله‌اي بتوانند با اين ولتاژهاي كم فعاليت كنند، نياز به سيم‌پيچي با سيم‌هاي ضخيم‌تر و مقاومت كمتر، دارند.

خوشبختانه بسياري از توليدكنندگان حاضر هستند كه به ازاي دريافت مبلغ كمي (گاهي بدون دريافت هزينه)، اين امر را ممكن كنند.

براي اينكه يك با سيم‌پيچ مورد نظر خود را سفارش دهيد، بايد جريان سيم‌پيچ را مشخص كنيد كه توسط جريان آر‌ام‌اس موتور، تعريف مي‌شود.

اين معيار مي‌تواند گشتاور اسمي در حالت ايستا را مشخص كند. در اين نوع از كاربردها، بهتر است كه از موتوري استفاده كنيم كه گشتاور به ميزان 50 الي 70 درصد جريان اسمي را توليد كند؛ در اين صورت اتلاف‌هاي مقاومتي كاهش مي‌يابند و سقف ولتاژ براي ما مهيا خواهد شد.

فرمول ها

براي اينكه سيم‌پيچ مورد نياز خود را مشخص كنيد، در ابتدا از مشخصات موتور اصلي توليدكننده استفاده كنيد و جريان مورد نياز براي توليد گشتاور دلخواه خود را محاسبه نماييد. با استفاده از رابطه زير، از مقدار گشتاور براي محاسبه مقدار ولتاژ مورد نياز، بهره ببريد.

اين رابطه براي حالت ايستا است اما به صورت تقريبي مي‌توانيد از آن در حالت حركت آهسته (كه نيروي محركه القايي كمي وجود دارد) نيز استفاده كنيد. هنگامي كه سرعت افزايش مي‌يابد، بايد نيروي محركه القايي نيز در محاسبات آورده شود:

در اين رابطه از گشتاور ايستا و جريان سيم‌پيچ مورد نظر، استفاده شده است. توجه داشته باشيد كه در تمامي شرايط ذكر شده، كاهش مقاومت سيم‌پيچ مي‌تواند باعث كاهش ولتاژ باتري شود.

اگر متوجه شديد كه ولتاژ مورد نياز موتور انتخابي شما، بيشتر از ولتاژ تامين شده توسط منبع شما است؛ در اين صورت با توليدكننده موتور تماس بگيريد تا بتوانيد يك موتور با سيم‌پيچي مورد نظر خود را سفارش دهيد؛

در اين صورت موتور سيم‌پيچي شده‌اي دريافت مي‌كنيد كه با استفاده از جريان بيشتر و ولتاژ كمتر فعاليت خواهد كرد.

برای خواندن مطالب بیشتر در این حوزه لطفا به مقالات یک باتری جدید برای خودروهای الکتریکی: طی ۳۰۰ مایل با ۵ دقیقه شارژ و انواع کنترل کننده‌های صنعتی و درایوهای موتور را مطالعه کنید .

همچنین لطفا مارا در شبکه اجتماعی لینکدین همراهی بفرمایید.


117 نوشته

بدون دیدگاه

پاسخ دهید

فیلدهای مورد نیاز با * علامت گذاری شده اند