3D打印是一個快速增長的市場，具有巨大的增長潛力。3D打印機通過直接從計算機輔助設(shè)計模型中連續(xù)沉積材料來創(chuàng)建復(fù)雜的三維對象。農(nóng)業(yè)，醫(yī)療保健，汽車，機車和航空工業(yè)是3D打印設(shè)計原型和生產(chǎn)的首批采用者。隨著這些行業(yè)的廣泛采用，對小型，準(zhǔn)確，節(jié)能且靜音的3D打印機的需求也日益增長。
所有3D打印機都使用多個步進(jìn)電機來產(chǎn)生高質(zhì)量的打印，這些步進(jìn)電機沿X-Y-Z軸移動打印機底座，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(qū)動器可以幫助打印機電機安靜，精確，高效地移動。在本文中，我將探討如何找到合適的步進(jìn)電機驅(qū)動器，以從頭開始構(gòu)建3D打印機或升級現(xiàn)有打印機。
3D打印機步進(jìn)驅(qū)動程序系統(tǒng)級要求和性能指標(biāo)
步進(jìn)電機在其旋轉(zhuǎn)過程中以不連續(xù)的步幅移動，步距由步距角定義。它具有兩個電流繞組，每個電流繞組都可通過一個H橋進(jìn)行控制。如圖1所示，步進(jìn)電機驅(qū)動器將接近一個正弦波（藍(lán)色）的電流波形施加到一個線圈中，將一個余弦波（紅色）的電流波形施加到另一個線圈中。電流波形的一個（90度）象限對應(yīng)于步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)一個步長角-對于當(dāng)今使用的大多數(shù)混合式步進(jìn)電機為1.8度。
圖1：步進(jìn)電機線圈電流波形
根據(jù)復(fù)雜性和可用功能，一臺3D打印機可以包含4到10個步進(jìn)電機。圖2顯示了3D打印機的簡化框圖。
 
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(qū)動器的主要系統(tǒng)級要求。
H橋電源電壓
離線AC電源由AC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為低壓DC電源，以操作步進(jìn)驅(qū)動器的H橋。今天使用的最常見的直流電源電壓是12 V或24V。對于相同的輸出功率，在24 V下運行時，平均電流與12 V時相比降低了一半。
一些制造商正在設(shè)計其3D打印機，使其能夠在更高的標(biāo)稱電源電壓（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。較高的電壓還會導(dǎo)致較高的高速可用轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)更快的打印速度。
36 V的標(biāo)稱電源意味著，假設(shè)電源電壓軌的最大容差為25％，則步進(jìn)驅(qū)動器應(yīng)能夠承受至少45 V的電壓。對于24 V標(biāo)稱電源，絕對最大額定電壓為30 V的步進(jìn)驅(qū)動器就足夠了。
步進(jìn)電機數(shù)據(jù)表中顯示的額定電壓與步進(jìn)電機驅(qū)動器的電源電壓之間的差異可能會造成混淆。您必須記住的是，電動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(qū)動器的電源電壓可以安全地高于電動機的額定電壓。
步進(jìn)驅(qū)動器電流額定值
大多數(shù)3D打印機使用美國國家電氣制造商協(xié)會（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(jù)應(yīng)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(shù)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移動或擠出機移動的步進(jìn)電機的額定電流更高。
步進(jìn)電機驅(qū)動器的電流限制應(yīng)高于步進(jìn)電機的最大電流，并具有可接受的裕度系數(shù)。某些系統(tǒng)使用相同的電動機驅(qū)動器來驅(qū)動高電流額定值和低電流額定值的步進(jìn)電動機。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(qū)動器來驅(qū)動3D打印機系統(tǒng)中使用的各種步進(jìn)電機。
環(huán)境溫度和導(dǎo)通電阻
大多數(shù)3D打印機要求印刷電路板的表面溫度不超過80°C。因此，步進(jìn)驅(qū)動器必須具有良好的散熱性能。為了將半導(dǎo)體芯片的溫度保持在可接受的范圍內(nèi)，具有高導(dǎo)通狀態(tài)電阻（高側(cè)和低側(cè)均大于500mΩ）的步進(jìn)驅(qū)動器必須使用較大的散熱器，這會增加系統(tǒng)成本。某些3D打印機甚至使用帶有眾多外部組件的門驅(qū)動器來降低工作溫度。對于額定電流為2 A的電動機，在大多數(shù)情況下，導(dǎo)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(wěn)運動
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)電機會使電機前進(jìn)超過一個步進(jìn)角（大多數(shù)情況下為1.8度機械旋轉(zhuǎn)），從而導(dǎo)致超調(diào)，轉(zhuǎn)矩波動和振動。因此當(dāng)今大多數(shù)步進(jìn)電機驅(qū)動器都采用了微步進(jìn)技術(shù)，該微步進(jìn)技術(shù)將整步運動分成較小的相等段，因此通過使電動機運動至其預(yù)期位置變得平穩(wěn)，從而有助于減少振動。
在大多數(shù)傳統(tǒng)3D打印機系統(tǒng)中，通常將1/16級微步進(jìn)視為一種標(biāo)準(zhǔn)。一些最新的驅(qū)動程序包含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的平滑度。但是，僅當(dāng)每微步的扭矩大于移動負(fù)載所需的扭矩時，分辨率更高的微步長才會實現(xiàn)更好的位置精度。
步進(jìn)電機驅(qū)動器的通道間電流匹配會影響整體位置精度。一個線圈電流為純正弦波而另一線圈電流為純余弦波將確保輸出電流恒定且每個微步的增量角均相同。與理想值的任何不匹配都會導(dǎo)致角度位置增量不均勻，并導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩不均勻，位置不正確以及電動機振動增加。
驅(qū)動器衰減模式的選擇在確定系統(tǒng)精度方面也起著重要作用。電流波形中的任何紋波都與所需形狀有偏差，表現(xiàn)為振動和精度差。只要有可能，就應(yīng)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，由于反電動勢，僅具有緩慢衰減的電流波形在高速工作下會失真。因此，可以適應(yīng)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(wěn)運行應(yīng)導(dǎo)致圖3a中所示的單調(diào)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可能很難將其放在同一房間。噪聲主要來自風(fēng)扇，步進(jìn)電機和其他運動的機械部件，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(qū)動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)）會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過沖并在下一個位置附近振蕩，從而導(dǎo)致機械振動和噪音。微步進(jìn)可大大減少過沖和下沖，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)頻率會極大地降低步進(jìn)電機產(chǎn)生的噪聲。
失速檢測
大多數(shù)3D打印機都包含一個稱為Endstop的組件。通過檢測電機位置，擋塊可確保打印機頭在給定方向上到達(dá)運動終點時立刻停止。大多數(shù)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，而機械擋塊會過早磨損并需要定期維護(hù)。這些用于監(jiān)視電動機位置的外部組件會增加整個系統(tǒng)的成本。另外，某些系統(tǒng)嚴(yán)重超速，使電機超過終點，從而降低了系統(tǒng)效率，并導(dǎo)致聽得見的噪音和機械故障。
集成在步進(jìn)電機驅(qū)動器中的無傳感器失速檢測方法可以代替末端擋塊并解決這些問題。失速檢測方案應(yīng)能夠跨電源電壓、溫度、電動機速度和電動機參數(shù)變化可靠地檢測電動機端點。與需要超時機制的位置傳感器解決方案相比，集成的無傳感器失速檢測還可以在發(fā)生失速時提供立即響應(yīng)。
德州儀器（TI）提供了專門用于下一代3D打印機設(shè)計的步進(jìn)驅(qū)動器系列。這些驅(qū)動器中的智能調(diào)諧紋波控制衰減模式在緩慢衰減的情況下運行，但也適應(yīng)高速運行，從而實現(xiàn)了無聲且精確的3D打印機。該驅(qū)動器具有高達(dá)1/256級的微步進(jìn)分辨率，可實現(xiàn)出色的電流調(diào)節(jié)。±2.5％的通道間電流匹配也有助于實現(xiàn)較高的位置精度。
具體而言，DRV8424和DRV8434提供330mΩ的導(dǎo)通狀態(tài)電阻（額定電流為2.5A），而DRV8426提供900mΩ的導(dǎo)通狀態(tài)電阻（額定電流為1.5A）。所有三個設(shè)備與引腳兼容，這為步進(jìn)驅(qū)動器的選擇增加了靈活性。
DRV8434S（具有串行外圍設(shè)備接口）和DRV8434A（具有模擬通用輸入/輸出接口）具有無傳感器失速檢測功能，從而無需終端擋塊。 330mΩ的導(dǎo)通狀態(tài)電阻也適用于沒有散熱器的設(shè)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四方扁平無引線（QFN）封裝，可幫助設(shè)計人員在解決方案尺寸與熱性能之間進(jìn)行權(quán)衡。
使用具有正確功能集的步進(jìn)電機驅(qū)動器可以顯著降低可聽噪聲，提高運動精度并提高3D打印機的能效。步進(jìn)電機驅(qū)動器（例如DRV8424，DRV8426，DRV8434S和DRV8434A）為3D打印機設(shè)計人員提供了幾乎無聲的操作。 |
