在3D打印機(jī)中推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的極限控制
發(fā)布日期:2023-03-05
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“在3D打印領(lǐng)域，新手通常很難理解步進(jìn)電機(jī)的真正驅(qū)動(dòng)方式，比如不少工程師會(huì)問(wèn)這樣的問(wèn)題“我的電機(jī)額定電壓是4.6V，但是我的打印機(jī)有12/24V電源，我可以使用它嗎?”。這是因?yàn)槲覀兠刻焓褂玫拇蠖鄶?shù)電子產(chǎn)品都使用恒壓可變電流電源，這就是我們過(guò)去的認(rèn)知。一個(gè)12V的LED燈帶將由一個(gè)穩(wěn)定的、可控的12V供電，電流消耗將隨著二極管數(shù)量(負(fù)載)的增加而增加。”
原理：
在3D打印領(lǐng)域，新手通常很難理解步進(jìn)電機(jī)的真正驅(qū)動(dòng)方式，比如不少工程師會(huì)問(wèn)這樣的問(wèn)題“我的電機(jī)額定電壓是4.6V，但是我的打印機(jī)有12/24V電源，我可以使用它嗎?”。這是因?yàn)槲覀兠刻焓褂玫拇蠖鄶?shù)電子產(chǎn)品都使用恒壓可變電流電源，這就是我們過(guò)去的認(rèn)知。一個(gè)12V的LED燈帶將由一個(gè)穩(wěn)定的、可控的12V供電，電流消耗將隨著二極管數(shù)量(負(fù)載)的增加而增加。
步進(jìn)電機(jī)以相反的方式供電-電流是恒定的/可控的(稍后再詳細(xì)說(shuō)明)，所需的電壓隨負(fù)載變化而變化。這就是為什么在3D打印中12V電源被24V甚至更高電壓的電源所取代---因?yàn)?除了其他好處之外)采樣這種方式打印機(jī)可以為電機(jī)提供更高的能量，達(dá)到更高的運(yùn)動(dòng)速度和更好的動(dòng)態(tài)效果，盡管電機(jī)的電流保持在同一數(shù)值。
但是典型的電源提供恒定的電壓，它是如何轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)、控制電流的?這是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作，比如TMC2208。
電流調(diào)節(jié)是通過(guò)一種叫做PWM的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的（脈寬調(diào)制）。電壓是可以通過(guò)使用MOSFET實(shí)現(xiàn)非?？焖俚拇蜷_(kāi)和關(guān)閉，以致電流在一個(gè)所需的水平浮動(dòng)。但這種電流控制方法不適用于簡(jiǎn)單的電阻負(fù)載--電流調(diào)節(jié)只能在驅(qū)動(dòng)線圈和磁鐵或其他線圈一起使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)。線圈-電感-有一個(gè)有趣的特性---它“減緩”了電流，為其加上“慣性”。這意味著，如果施加電壓，流過(guò)電感的電流不會(huì)立即上升，而是緩慢上升。當(dāng)電壓被切斷時(shí)，同樣的事情還會(huì)發(fā)生——電流不會(huì)立即降到0A，而是會(huì)隨著時(shí)間的推移而減少。
順便說(shuō)一下，LED實(shí)際上也是電流控制的---但對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的LED燈帶來(lái)說(shuō)，一個(gè)電阻就足以調(diào)節(jié)電流，所以最終LED燈帶可以看作一個(gè)恒壓設(shè)備工作。
實(shí)際測(cè)量
在實(shí)際測(cè)量中可以清楚地看到所描述的電流控制方法:
黃色曲線表示通過(guò)電機(jī)線圈的電流,青色線表示正在接通/斷開(kāi)的電壓.該測(cè)量是在待機(jī)期間進(jìn)行的，此時(shí)電機(jī)不旋轉(zhuǎn)，但保持其位置.電流幾乎是恒定的，電壓有規(guī)律地在短時(shí)間內(nèi)打開(kāi)，然后再關(guān)閉.請(qǐng)注意，這種切換正在發(fā)生超過(guò)30000次每秒!
當(dāng)馬達(dá)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，有趣的事情就發(fā)生了,電流波形的形狀不再是平的，它是正弦波.要使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電流需要改變以改變勵(lì)磁磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。這一原理適用于所有無(wú)刷電機(jī)。TMC2208用來(lái)主動(dòng)測(cè)量和調(diào)節(jié)電流，生成一個(gè)具有設(shè)定幅值的正弦電流形狀，有效電壓相應(yīng)地變化。旋轉(zhuǎn)速度取決于當(dāng)前正弦波的頻率。
不用擔(dān)心電壓測(cè)量的波動(dòng)。幅值-在屏幕底部看到或多或少等于我們使用的電源電壓32V。RMS值是傳送到電機(jī)線圈的“多少”有效電壓的指標(biāo)。在這種情況下，測(cè)量/計(jì)算值不是很精確，但它表明在這個(gè)速度下，我們提供的電壓低于標(biāo)稱電源電壓的40%。
當(dāng)我們放大時(shí)，我們可以清楚地看到前面提到的電感的特殊性質(zhì):
當(dāng)電壓打開(kāi)時(shí)，電流上升，但與電壓上升/下降的速度相比相當(dāng)緩慢。當(dāng)我們關(guān)閉電壓時(shí)，流過(guò)線圈的電流下降，但還是相當(dāng)緩慢。在它達(dá)到過(guò)低之前，驅(qū)動(dòng)器再次打開(kāi)電源，電流再次上升。這基本上就是我們?nèi)绾伪３蛛娏髟谒璧乃降姆椒?，另?qǐng)注意，MOSFET 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間（電壓保持導(dǎo)通的時(shí)間）取決于正弦波上的“位置”。當(dāng)我們查看正弦波時(shí)，我們可以看到變化緩慢（靠近頂部/底部）和變化較快（Y 軸上接近零）的區(qū)域。如果我們希望電流遵循這種形狀，我們只需要在正弦波的“快速區(qū)域”中施加更長(zhǎng)時(shí)間的電壓！
微小的不規(guī)則性、與理想、平滑的正弦形狀的偏差被稱為紋波，并且在使用 PWM 控制線圈電流時(shí)總是存在。
電機(jī)負(fù)載的影響
在這一點(diǎn)上一個(gè)非常重要的問(wèn)題出現(xiàn)了-是什么導(dǎo)致所需電壓（提供給電機(jī)的實(shí)際功率）隨負(fù)載變化而變化？這就是BEMF------每臺(tái)電機(jī)固有的特性。我不想在本文中深入探討這種現(xiàn)象的物理細(xì)節(jié)-–簡(jiǎn)單地說(shuō)，旋轉(zhuǎn)期間的電機(jī)線圈會(huì)產(chǎn)生“反”電壓，該電壓與我們從電源施加到電機(jī)的電壓相反，這就是為什么它被稱為反電動(dòng)勢(shì)。速度(或負(fù)載)越高，我們需要對(duì)抗的BEMF就越高。
BEMF受三個(gè)主要因素的影響:
• 電機(jī)線圈電感——越小越好
• 設(shè)置電流 - 電流越高，電機(jī)越強(qiáng)，但產(chǎn)生的 BEMF 也是如此
• 速度/機(jī)械負(fù)載——當(dāng)然，BEMF 會(huì)隨著負(fù)載的增加而增加。這就是使用Trinamic StallGuard 的無(wú)傳感器歸位的工作原理——它測(cè)量 BEMF！
BEMF的實(shí)際影響:
在下面的測(cè)量中，我們可以看到加速移動(dòng)和兩個(gè)區(qū)域的特寫(xiě)——低速/高速
當(dāng)速度仍然很低時(shí)，電機(jī)控制器仍有足夠的余量來(lái)很好地調(diào)節(jié)電流，因此可以認(rèn)為正弦波是理想的。但如果我們稍后再放大一些，我們可以看到電流看起來(lái)更像一個(gè)三角形，并且施加的電壓不是很精確。那是因?yàn)榭刂破鳑](méi)有電壓余量來(lái)正確調(diào)節(jié)電流，實(shí)際上，雖然電機(jī)仍在運(yùn)行，但正弦波會(huì)失真。
現(xiàn)在我們了解了如何控制步進(jìn)電機(jī)，我們可以進(jìn)入下一點(diǎn)并回答最后一個(gè)問(wèn)題——當(dāng) BEMF 如此之高以至于與電源電壓接近時(shí)會(huì)發(fā)生什么？您可能會(huì)猜測(cè)電機(jī)將開(kāi)始失步——的確這樣，但不會(huì)立即出現(xiàn)！老實(shí)說(shuō)，我對(duì)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)處理極端速度的能力感到驚訝。讓我們來(lái)看看：
這是使用 24V 電源在一個(gè)完整運(yùn)行期間流過(guò)電機(jī)線圈的電流。打印機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，然后以 9000 mm/s2 的速度加速到 900 mm/s，最后停止。那么，實(shí)際發(fā)生了什么？一開(kāi)始，驅(qū)動(dòng)器能夠保持一個(gè)正弦波，但稍后，當(dāng) BEMF 接近電源電壓時(shí)，波形會(huì)變差，正如我們?cè)谏厦婵吹降哪菢印５藭r(shí)打印機(jī)仍然沒(méi)有達(dá)到所需的速度——很快電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓太高，以致不可能達(dá)到設(shè)定的電流值，它下降，直到達(dá)到所需的速度，然后振幅變得穩(wěn)定，但我們不再看到正弦波——在這一點(diǎn)上，它更接近于方波。
這些結(jié)果看起來(lái)很糟糕，但實(shí)際上——結(jié)果還好！機(jī)器在這樣的設(shè)置下運(yùn)行一年多也不會(huì)有問(wèn)題。在高速應(yīng)用中，這是很正常的。當(dāng)然，扭矩大大降低，精度可能不太完美，但減速后，電機(jī)恢復(fù)標(biāo)稱扭矩，位置精準(zhǔn)。900mm/s 是我在開(kāi)始失步之前認(rèn)為安全的最大速度。
我還嘗試使用來(lái)自示波器的原始數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算和顯示操作期間的平均“電壓消耗”。
事實(shí)證明這比我預(yù)期的要難一些，所以結(jié)果只是指示性的——這就是為什么沒(méi)有提供數(shù)字的原因。反正：
兩幅圖以“Local RMS”表示電壓和電流，這或多或少是平均有效值。
我們可以看到，隨著速度的增加，我們需要施加越來(lái)越多的電壓，直到達(dá)到極限，此時(shí)電流會(huì)下降一點(diǎn)。從這些圖表中得出兩個(gè)重要結(jié)論：
• 我們永遠(yuǎn)無(wú)法提供 100% 的電源電壓，因?yàn)槲覀冃枰淖冸娏?-> 我們需要一些時(shí)間讓它下降。
• 在高速情況下，我們無(wú)法為電機(jī)提供全功率。
更高的供電電壓的好處
可能一些人可能已經(jīng)意識(shí)到，在大多數(shù)測(cè)量中，我使用的是 32V，而不是 24V 電源。確實(shí)如此——我將我的機(jī)器升級(jí)到了 32V，這就是為什么我決定玩弄我的示波器并比較這兩種選擇。
它值得嗎？確實(shí)！
使用之前的設(shè)置參數(shù)，波形形狀看起來(lái)好多了，電流幅度比以前高約 60%，這意味著再電機(jī)開(kāi)始丟步之前有更好的穩(wěn)定性和更高的余量。另一方面，我可以以相當(dāng)高的加速度進(jìn)行打印，甚至達(dá)到 1200 毫米/秒的速度，而不是更高的安全余量！并不是說(shuō)它對(duì)FDM打印機(jī)有多大意義......但我對(duì)結(jié)果非常滿意。
總結(jié)和建議！
即使是幾伏的差異也會(huì)改善我們步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的操作或讓我們達(dá)到更高的速度。有時(shí)更高的打印速度會(huì)導(dǎo)致打印質(zhì)量下降，但這通常不是什么大問(wèn)題，至少我們可以提高行進(jìn)速度，這不僅會(huì)減少打印時(shí)間，而且還有助于回縮調(diào)整。
憑借我們獲得的所有知識(shí)，現(xiàn)在我們可以更自信地為我們的機(jī)器選擇電機(jī)。所以：
確保電機(jī)額定電感和電阻盡可能的低
對(duì)于像TMC2208 或 TMC2130 這樣的驅(qū)動(dòng)器，額定電流為1.5-1.7A電機(jī)應(yīng)該是最佳的
對(duì)于 TMC2209、TMC2660 和 TMC51X0，額定電流為2.0 – 2.5A 電機(jī)即可
選擇盡可能高的電機(jī)電源電壓，但要仔細(xì)檢查您的驅(qū)動(dòng)器和主板的額定值！
就我個(gè)人而言，我認(rèn)為在接下來(lái)的幾年里，我們將看到越來(lái)越多的 36V 和更高版本的 48V 主板用于Reprap/商業(yè) 3D 打印機(jī)，因此我們的機(jī)器變得越來(lái)越好，并且可以利用的速度會(huì)提升。唯一的缺點(diǎn)是加熱器通常設(shè)計(jì)為 24V - 但也許這也會(huì)改變！
使用到的儀器：
Silent SDS 1104X-E 示波器
HANTEK CC65電流探頭
150W明緯電源
CoreXY 3D 打印機(jī)
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