موتور دار كردن دستگاه‌های اينترنت اشيا با موتورهای پله‌ای

موتور دار کردن

در اين مقاله می‌خواهيم عملكرد موتور‌‌های پله‌ای در عملکرد‌های مبتنی بر IOTInternet Of Thingsاینترنت اشیا (هوشمند سازی تجهیزات)، بررسی كنيم؛ به عنوان مثال می‌‎توان به مشخص كردن محل دوربين‌های امنيتی، حسگرهای كنترل از را‌ه‌دور، به كار انداختن كانال‌های هوا، باز كردن شيرها و پوشش پنجره‌ها نیز اشاره كرد.

امروزه، اشيای هوشمندی كه با كمک حسگرها فعال می‌شوند، به عنوان چشم‌ها و گوش‌های فناوری IoT شناخته میشوند؛ بنابراين دارای نقش مهمی در این صنعت می باشند.

با اين حال، به تازگی راه‌حل‌هايی برای پياده‌سازی اين نوع از تجهیزات ارائه شده است. در واقع اين راه‌حل‌ها برای فناوری IoT مسیری مهيا كرده‌اند تا به سرتاسر اينترنت دسترسی داشته باشند و بتوانند به مواردی كه به صورت فيزيكی می‌بينند و حس می‌كنند، واكنش نشان دهند.

 امروزه درايورهای الكترونيكی مبتني بر IoT معرفی شده‌اند كه از لحاظ اقتصادی بسيار با صرفه هستند و با استفاده از باتری، موتور‌ها، سيم‌پيچ‌ها و ديگر انواع راه‌اندازها را فعال می‌كنند؛ در واقع آنها يک دستور در شبكه مجازی را در دنيای واقعی، پياده‌سازی خواهند كرد.

شكل 1الف. موتور‌های پله‌ای در بسياری از كاربردهای IOT حضور دارند؛ به عنوان مثال می‌توان به اين كنترل‌كننده رادياتور اشاره كرد كه از راه‌دور فعال می‌شود.

ما در اين مقاله می‌خواهيم بر روی موتور‌های پله‌ای تمركز كنيم، زيرا بخش چرخنده و ساختار آرمیچر آن به ما اجازه میدهد تا با گام‌های مجزا، دقيق و كوچك، عمل چرخش را انجام دهيم؛ به علاوه اگر به آن جريان نرسد، موقعيت خود را حفظ خواهد كرد.

كار كردن با استفاده از يک منبع جريان محدود

با اينكه برخی از دستگاه‌هایIoT به صورت مستقيم به جريان برق وصل هستند، اما اخيرا دستگاه‌هايی ايجاد شده‌اند كه از منابع انرژی كوچك و با ولتاژ كم (به عنوان مثال می‌توان به يك سلول ليتيوم-يونی و يا باتری‌های قلمی و نيمه قلمی اشاره كرد) استفاده می‌كنند. اين دستگاه‌ها در مناطقی قرار دارند كه باید از راه دور کنترل شوند. اين دستگاه‌ها به عنوان بخشی از دستگاه‌هایIoT موجود در اداره و محيط اطراف شما هستند؛ اما آنها با اين هدف ايجاد شده‌اند كه رابطه بهتری با محيط‌ برقرار كنند؛ زيرا این تجهیزات از سیم برق استفاده نمی‌کنند.

از لحاظ نظری استفاده از باتری در بسياری از اين دستگاه‌ها، امكان‌پذير خواهد بود؛ زيرا آنها به صورت پيوسته از موتورها استفاده نمی‌كنند، بنابراين ميزان استفاده آنها از انرژی محدود باتری، كم خواهد بود.

با اين حال باتری نمی‌تواند ولتاژ تحریک بالایی ايجاد كند؛ در حالی كه موتور پله‌ای نياز به پالس‌های با جريان بزرگ دارد تا بتواند به سيم‌پيچ‌های خود انرژی ببخشد. جدول 1 نشان می‌دهد كه غالب باتری‌های رايج دارای مقاومت داخلی چشم‌گيری هستند؛ اين موضوع باعث می‌شود كه با افزايش جريان خروجی، شاهد كاهش ولتاژ در خروجی باشيم.

خوشبختانه چند راهكار ساده برای غلبه بر اين محدوديت‌ها وجود دارد؛ به عنوان مثال می‌توان به بافر كردن منبع انرژی، مبدل‌های افزاينده و موتورهای پله‌ای اشاره كرد. حال می‌خواهيم به بررسی هر كدام از اين راهبردها بپردازيم.

بافر كردن منبع انرژی

يک روش ساده كه با اصطلاح «منبع بافر شده» شناخته می‌شود که برای زياد كردن خروجی محدودِ باتری استفاده میشود؛ در اين روش يک ابر خازن به باتری اضافه می‌شود تا بتواند پالس‌های كوتاه را ايجاد كند. ابعاد ابرخازن را می‌توان با استفاده از رابطه زير محاسبه كرد:

در اين رابطه داريم:

C = dU*I/t

dU= بيشينه مجاز برای كاهش ولتاژ درونی باتری

I =جريان مورد نياز برای افزايش خروجی باتری

t= زمان عملياتی دلخواه است.

در حال حاضر ابرخازن‌ها می‌تواند ولتاژ عملياتی به ميزان 7/2 ولت را تحمل كنند؛ اگر بخواهيم ولتاژی بيشتر از اين ميزان را دريافت كنيم، نياز به يك مدار محافظ خواهيم داشت. در مواردی كه به ولتاژ بالاتری نياز است، می‌توانيم از دو يا چندين ابرخازن به صورت سری استفاده كنيم؛ البته در اين مدار بايد حتما يک ديود زنر يا ديگر تجهيزات وجود داشته باشد تا بتواند ولتاژ را متعادل كند (شكل 2).

امروزه ابرخازن‌هایی كه برای اين نوع از كاربردها مناسب هستند، به وفور يافت می‌شوند؛ توليدكننده‌های فراوانی هم‌چون ماكسول، اسكلتون و ويشای اقدام به توليد اين ابرخازن‌ها كرده‌اند.

مبدل‌های افزاینده

برخي از IC‌ها نمی‌توانند با گرفتن ولتاژ‌های پايين از باتری، فعاليت كنند؛ اين موضوع زمانی پررنگ‌تر خواهد شد كه IC در انتهای طول عمر خود قرار داشته باشد.

مبدل‌های افزاينده به عنوان IC‌های كم‌هزينه‌ای شناخته می‌شوند كه از آنها برای افزايش ولتاژ باتری استفاده می‌شود؛ در واقع با استفاده از اين روش می‌توانيم ولتاژ خروجی باتری را سه يا چهار برابر كنيم.

در اين صورت می‌توانيد ولتاژ مورد نياز سيستم خود را با يک مقدار ثابت دريافت كنيد (تا زمانی كه عمر باتری‌ها پايان يابد). اين مبدل‌ها در بارهای سنگين، بسيار موثر (90 الی 95 درصد بازدهی) خواهند بود؛ اما بازدهی آن‌ها با كاهش بار، كاهش خواهد يافت. شما می‌توانيد از آنها به صورت مجزا و يا در تركيب با يک ابرخازن استفاده كنيد.

آنالوگ ديوايسز، ماكسيم انتگريتد و تگزاس اينسترومنت،‌ از جمله شركت‌هايی هستند كه مبدل‌های افزاينده توليد میكنند. مبدل شركت ماكسيم با نام ماكس 8969 يكی از دستگاه‌هایی است كه به وفور از آن استفاده می‌شود.

موتورهای پله‌ای نوارپيچ شده

‌غالب موتورهای پله‌ای (حتی آنهايی كه دارای ابعاد كوچكی هستند) به گونه‌ای طراحی شده‌اند كه با ولتاژ در بازه 5 الی 12 ولت، فعاليت كنند.

در حالی كه غالب باتری‌های كوچك تنها می‌توانند 5 الی 5/1 ولت، توليد كنند. برای اينكه موتورهای پله‌ای بتوانند با اين ولتاژهای كم فعاليت كنند، نياز به سيم‌پيچی با سيم‌های ضخيم‌تر و مقاومت كمتر نیز دارند.

خوشبختانه بسياری از توليدكنندگان حاضر هستند كه به ازای دريافت مبلغ كمی (گاهی بدون دريافت هزينه)، اين امر را ممكن كنند.

برای اينكه يک با سيم‌پيچ مورد نظر خود را سفارش دهيد، بايد جريان سيم‌پيچ را مشخص كنيد كه توسط جريان rmsRoot Mean Squaredدر ریاضیات و کاربردهای آن، rms به عنوان ریشه میانگین حسابی مربعات مجموعه‌ای از اعداد تعریف می‌شود. موتور، تعريف می‌شود.

اين معيار می‌تواند گشتاور اسمی در حالت ايستا را مشخص كند. در اين نوع از كاربردها، بهتر است كه از موتوری استفاده كنيم كه گشتاور به ميزان 50 الی 70 درصد جريان اسمی را توليد كند؛ در اين صورت اتلاف‌ مقاومتی كاهش میيابد.

فرمول ها

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

اين رابطه برای حالت ايستا است اما به صورت تقريبی می‌توانيد از آن در حالت حركت آهسته (كه نيروی محركه القایی كمی وجود دارد) نيز استفاده كنيد. هنگامی كه سرعت افزايش می‌يابد، بايد نيروی محركه القايی نيز در محاسبات آورده شود:

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

اگر متوجه شديد كه ولتاژ مورد نياز موتور انتخابی شما، بيشتر از ولتاژ تامين شده توسط منبع شما است، در اين صورت با توليدكننده موتور تماس بگيريد تا بتوانيد يک موتور با سيم‌پيچی مورد نظر خود را سفارش دهيد.

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