3D打印是一個(gè)快速增長(cháng)的市場(chǎng)，具有巨大的增長(cháng)潛力。3D打印機通過(guò)直接從計算機輔助設計模型中連續沉積材料來(lái)創(chuàng )建復雜的三維對象。農業(yè)，醫療保健，汽車(chē)，機車(chē)和航空工業(yè)是3D打印設計原型和生產(chǎn)的首批采用者。隨著(zhù)這些行業(yè)的廣泛采用，對小型，準確，節能且靜音的3D打印機的需求也日益增長(cháng)。
所有3D打印機都使用多個(gè)步進(jìn)電機來(lái)產(chǎn)生高質(zhì)量的打印，這些步進(jìn)電機沿X-Y-Z軸移動(dòng)打印機底座，或選擇顏色以及擠出機等功能。使用高性能的步進(jìn)電機驅動(dòng)器可以幫助打印機電機安靜，精確，高效地移動(dòng)。在本文中，我將探討如何找到合適的步進(jìn)電機驅動(dòng)器，以從頭開(kāi)始構建3D打印機或升級現有打印機。
3D打印機步進(jìn)驅動(dòng)程序系統級要求和性能指標
步進(jìn)電機在其旋轉過(guò)程中以不連續的步幅移動(dòng)，步距由步距角定義。它具有兩個(gè)電流繞組，每個(gè)電流繞組都可通過(guò)一個(gè)H橋進(jìn)行控制。如圖1所示，步進(jìn)電機驅動(dòng)器將接近一個(gè)正弦波（藍色）的電流波形施加到一個(gè)線(xiàn)圈中，將一個(gè)余弦波（紅色）的電流波形施加到另一個(gè)線(xiàn)圈中。電流波形的一個(gè)（90度）象限對應于步進(jìn)電機旋轉一個(gè)步長(cháng)角-對于當今使用的大多數混合式步進(jìn)電機為1.8度。
圖1：步進(jìn)電機線(xiàn)圈電流波形
根據復雜性和可用功能，一臺3D打印機可以包含4到10個(gè)步進(jìn)電機。圖2顯示了3D打印機的簡(jiǎn)化框圖。
 
圖2：3D打印機的框圖
讓我們回顧一下3D打印機中使用的步進(jìn)驅動(dòng)器的主要系統級要求。
H橋電源電壓
離線(xiàn)AC電源由AC-DC轉換器轉換為低壓DC電源，以操作步進(jìn)驅動(dòng)器的H橋。今天使用的最常見(jiàn)的直流電源電壓是12 V或24V。對于相同的輸出功率，在24 V下運行時(shí)，平均電流與12 V時(shí)相比降低了一半。
一些制造商正在設計其3D打印機，使其能夠在更高的標稱(chēng)電源電壓（例如36 V或48 V）下運行。更高的電源電壓和更低的平均電流可以降低傳輸損耗并減輕電纜重量。較高的電壓還會(huì )導致較高的高速可用轉矩，從而實(shí)現更快的打印速度。
36 V的標稱(chēng)電源意味著(zhù)，假設電源電壓軌的最大容差為25％，則步進(jìn)驅動(dòng)器應能夠承受至少45 V的電壓。對于24 V標稱(chēng)電源，絕對最大額定電壓為30 V的步進(jìn)驅動(dòng)器就足夠了。
步進(jìn)電機數據表中顯示的額定電壓與步進(jìn)電機驅動(dòng)器的電源電壓之間的差異可能會(huì )造成混淆。您必須記住的是，電動(dòng)機的額定電壓只是其額定電流和繞組電阻的乘積。步進(jìn)驅動(dòng)器的電源電壓可以安全地高于電動(dòng)機的額定電壓。
步進(jìn)驅動(dòng)器電流額定值
大多數3D打印機使用美國國家電氣制造商協(xié)會(huì )（NEMA）的17尺寸步進(jìn)電機，其扭矩額定值在0.3 N-m和0.5 N-m之間。根據應用的不同，步進(jìn)電機的額定電流可以從幾百毫安到2 A，或者在極少數情況下甚至更高。與用于選擇顏色的步進(jìn)電機相比，用于打印機床X-Y-Z移動(dòng)或擠出機移動(dòng)的步進(jìn)電機的額定電流更高。
步進(jìn)電機驅動(dòng)器的電流限制應高于步進(jìn)電機的最大電流，并具有可接受的裕度系數。某些系統使用相同的電動(dòng)機驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)高電流額定值和低電流額定值的步進(jìn)電動(dòng)機。一種優(yōu)化的解決方案是使用適用于低電流和高電流的針腳兼容步進(jìn)電機驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)3D打印機系統中使用的各種步進(jìn)電機。
環(huán)境溫度和導通電阻
大多數3D打印機要求印刷電路板的表面溫度不超過(guò)80°C。因此，步進(jìn)驅動(dòng)器必須具有良好的散熱性能。為了將半導體芯片的溫度保持在可接受的范圍內，具有高導通狀態(tài)電阻（高側和低側均大于500mΩ）的步進(jìn)驅動(dòng)器必須使用較大的散熱器，這會(huì )增加系統成本。某些3D打印機甚至使用帶有眾多外部組件的門(mén)驅動(dòng)器來(lái)降低工作溫度。對于額定電流為2 A的電動(dòng)機，在大多數情況下，導通狀態(tài)電阻接近350mΩ可以完全省去散熱片。
微步，位置精度和平穩運動(dòng)
在3D打印機中，打印質(zhì)量取決于控制打印機的步進(jìn)電機的位置精度。
擠出機和打印機底座在X-Y-Z方向上的變形。在全步模式下運行步進(jìn)電機會(huì )使電機前進(jìn)超過(guò)一個(gè)步進(jìn)角（大多數情況下為1.8度機械旋轉），從而導致超調，轉矩波動(dòng)和振動(dòng)。因此當今大多數步進(jìn)電機驅動(dòng)器都采用了微步進(jìn)技術(shù)，該微步進(jìn)技術(shù)將整步運動(dòng)分成較小的相等段，因此通過(guò)使電動(dòng)機運動(dòng)至其預期位置變得平穩，從而有助于減少振動(dòng)。
在大多數傳統3D打印機系統中，通常將1/16級微步進(jìn)視為一種標準。一些最新的驅動(dòng)程序包含1 / 32-，1 / 64-，1 / 128-和1/256級微步進(jìn)，以最大程度地提高位置精度和運動(dòng)的平滑度。但是，僅當每微步的扭矩大于移動(dòng)負載所需的扭矩時(shí)，分辨率更高的微步長(cháng)才會(huì )實(shí)現更好的位置精度。
步進(jìn)電機驅動(dòng)器的通道間電流匹配會(huì )影響整體位置精度。一個(gè)線(xiàn)圈電流為純正弦波而另一線(xiàn)圈電流為純余弦波將確保輸出電流恒定且每個(gè)微步的增量角均相同。與理想值的任何不匹配都會(huì )導致角度位置增量不均勻，并導致輸出轉矩不均勻，位置不正確以及電動(dòng)機振動(dòng)增加。
驅動(dòng)器衰減模式的選擇在確定系統精度方面也起著(zhù)重要作用。電流波形中的任何紋波都與所需形狀有偏差，表現為振動(dòng)和精度差。只要有可能，就應在慢速衰減模式下而不是快速或混合衰減下運行步進(jìn)電機，以減少紋波。然而，由于反電動(dòng)勢，僅具有緩慢衰減的電流波形在高速工作下會(huì )失真。因此，可以適應高速的慢速衰減模式是提高精度的最佳方法。步進(jìn)電機的平穩運行應導致圖3a中所示的單調位置精度圖，而不是圖3b中所示的步進(jìn)角的突然變化。
圖3a：良好的位置精度
圖3b：不良位置精度
噪音
3D打印機（尤其是舊型號）的聲音可能很大，以至于在使用打印機時(shí)可能很難將其放在同一房間。噪聲主要來(lái)自風(fēng)扇，步進(jìn)電機和其他運動(dòng)的機械部件，并且可能需要昂貴的噪聲抑制方法，例如橡膠隔離，但不能完全消除噪聲。高質(zhì)量的步進(jìn)電機驅動(dòng)器可以幫助大幅降低電機噪音，從而最大程度地減少打印機產(chǎn)生的噪音。
慢速衰減模式通過(guò)最小化電流紋波，可將電機噪聲降至最低。低分辨率步進(jìn)模式（例如全步進(jìn)或半步進(jìn)）會(huì )導致轉子過(guò)沖并在下一個(gè)位置附近振蕩，從而導致機械振動(dòng)和噪音。微步進(jìn)可大大減少過(guò)沖和下沖，從而使運行更加安靜。此外，使用超出音頻范圍（大約20 kHz）的步進(jìn)頻率會(huì )極大地降低步進(jìn)電機產(chǎn)生的噪聲。
失速檢測
大多數3D打印機都包含一個(gè)稱(chēng)為Endstop的組件。通過(guò)檢測電機位置，擋塊可確保打印機頭在給定方向上到達運動(dòng)終點(diǎn)時(shí)立刻停止。大多數擋塊是機械的或光學(xué)的。不幸的是，光學(xué)擋塊精度差且難以配置，而機械擋塊會(huì )過(guò)早磨損并需要定期維護。這些用于監視電動(dòng)機位置的外部組件會(huì )增加整個(gè)系統的成本。另外，某些系統嚴重超速，使電機超過(guò)終點(diǎn)，從而降低了系統效率，并導致聽(tīng)得見(jiàn)的噪音和機械故障。
集成在步進(jìn)電機驅動(dòng)器中的無(wú)傳感器失速檢測方法可以代替末端擋塊并解決這些問(wèn)題。失速檢測方案應能夠跨電源電壓、溫度、電動(dòng)機速度和電動(dòng)機參數變化可靠地檢測電動(dòng)機端點(diǎn)。與需要超時(shí)機制的位置傳感器解決方案相比，集成的無(wú)傳感器失速檢測還可以在發(fā)生失速時(shí)提供立即響應。
德州儀器（TI）提供了專(zhuān)門(mén)用于下一代3D打印機設計的步進(jìn)驅動(dòng)器系列。這些驅動(dòng)器中的智能調諧紋波控制衰減模式在緩慢衰減的情況下運行，但也適應高速運行，從而實(shí)現了無(wú)聲且精確的3D打印機。該驅動(dòng)器具有高達1/256級的微步進(jìn)分辨率，可實(shí)現出色的電流調節�！�2.5％的通道間電流匹配也有助于實(shí)現較高的位置精度。
具體而言，DRV8424和DRV8434提供330mΩ的導通狀態(tài)電阻（額定電流為2.5A），而DRV8426提供900mΩ的導通狀態(tài)電阻（額定電流為1.5A）。所有三個(gè)設備與引腳兼容，這為步進(jìn)驅動(dòng)器的選擇增加了靈活性。
DRV8434S（具有串行外圍設備接口）和DRV8434A（具有模擬通用輸入/輸出接口）具有無(wú)傳感器失速檢測功能，從而無(wú)需終端擋塊。 330mΩ的導通狀態(tài)電阻也適用于沒(méi)有散熱器的設計。
該器件系列既有熱增強型薄型小外形尺寸（HTSSOP）封裝，又有緊湊的4mm x 4mm四方扁平無(wú)引線(xiàn)（QFN）封裝，可幫助設計人員在解決方案尺寸與熱性能之間進(jìn)行權衡。
使用具有正確功能集的步進(jìn)電機驅動(dòng)器可以顯著(zhù)降低可聽(tīng)噪聲，提高運動(dòng)精度并提高3D打印機的能效。步進(jìn)電機驅動(dòng)器（例如DRV8424，DRV8426，DRV8434S和DRV8434A）為3D打印機設計人員提供了幾乎無(wú)聲的操作。 |
