克服3D打印机中的步进电机设计挑战

本文作者：德州仪器AIMEE KALNOSKAS

3D打印是一个快速增长的市场，具有巨大的增长潜力。3D打印机通过直接从计算机辅助设计模型中连续沉积材料来创建复杂的三维对象。农业，医疗保健，汽车，机车和航空工业是3D打印设计原型和生产的首批采用者。随着这些行业的广泛采用，对小型，准确，节能且静音的3D打印机的需求也日益增长。

所有3D打印机都使用多个步进电机来产生高质量的打印，这些步进电机沿X-Y-Z轴移动打印机底座，或选择颜色以及挤出机等功能。使用高性能的步进电机驱动器可以帮助打印机电机安静，精确，高效地移动。在本文中，我将探讨如何找到合适的步进电机驱动器，以从头开始构建3D打印机或升级现有打印机。

3D打印机步进驱动程序系统级要求和性能指标

步进电机在其旋转过程中以不连续的步幅移动，步距由步距角定义。它具有两个电流绕组，每个电流绕组都可通过一个H桥进行控制。如图1所示，步进电机驱动器将接近一个正弦波（蓝色）的电流波形施加到一个线圈中，将一个余弦波（红色）的电流波形施加到另一个线圈中。电流波形的一个（90度）象限对应于步进电机旋转一个步长角-对于当今使用的大多数混合式步进电机为1.8度。

图1：步进电机线圈电流波形

根据复杂性和可用功能，一台3D打印机可以包含4到10个步进电机。图2显示了3D打印机的简化框图。

图2：3D打印机的框图

让我们回顾一下3D打印机中使用的步进驱动器的主要系统级要求。

H桥电源电压

离线AC电源由AC-DC转换器转换为低压DC电源，以操作步进驱动器的H桥。今天使用的最常见的直流电源电压是12 V或24V。对于相同的输出功率，在24 V下运行时，平均电流与12 V时相比降低了一半。

一些制造商正在设计其3D打印机，使其能够在更高的标称电源电压（例如36 V或48 V）下运行。更高的电源电压和更低的平均电流可以降低传输损耗并减轻电缆重量。较高的电压还会导致较高的高速可用转矩，从而实现更快的打印速度。

36 V的标称电源意味着，假设电源电压轨的最大容差为25％，则步进驱动器应能够承受至少45 V的电压。对于24 V标称电源，绝对最大额定电压为30 V的步进驱动器就足够了。

步进电机数据表中显示的额定电压与步进电机驱动器的电源电压之间的差异可能会造成混淆。您必须记住的是，电动机的额定电压只是其额定电流和绕组电阻的乘积。步进驱动器的电源电压可以安全地高于电动机的额定电压。

步进驱动器电流额定值

大多数3D打印机使用美国国家电气制造商协会（NEMA）的17尺寸步进电机，其扭矩额定值在0.3 N-m和0.5 N-m之间。根据应用的不同，步进电机的额定电流可以从几百毫安到2 A，或者在极少数情况下甚至更高。与用于选择颜色的步进电机相比，用于打印机床X-Y-Z移动或挤出机移动的步进电机的额定电流更高。

步进电机驱动器的电流限制应高于步进电机的最大电流，并具有可接受的裕度系数。某些系统使用相同的电动机驱动器来驱动高电流额定值和低电流额定值的步进电动机。一种优化的解决方案是使用适用于低电流和高电流的针脚兼容步进电机驱动器来驱动3D打印机系统中使用的各种步进电机。

环境温度和导通电阻

大多数3D打印机要求印刷电路板的表面温度不超过80°C。因此，步进驱动器必须具有良好的散热性能。为了将半导体芯片的温度保持在可接受的范围内，具有高导通状态电阻（高侧和低侧均大于500mΩ）的步进驱动器必须使用较大的散热器，这会增加系统成本。某些3D打印机甚至使用带有众多外部组件的门驱动器来降低工作温度。对于额定电流为2 A的电动机，在大多数情况下，导通状态电阻接近350mΩ可以完全省去散热片。

微步，位置精度和平稳运动

在3D打印机中，打印质量取决于控制打印机的步进电机的位置精度。 

挤出机和打印机底座在X-Y-Z方向上的变形。在全步模式下运行步进电机会使电机前进超过一个步进角（大多数情况下为1.8度机械旋转），从而导致超调，转矩波动和振动。因此当今大多数步进电机驱动器都采用了微步进技术，该微步进技术将整步运动分成较小的相等段，因此通过使电动机运动至其预期位置变得平稳，从而有助于减少振动。

在大多数传统3D打印机系统中，通常将1/16级微步进视为一种标准。一些最新的驱动程序包含1 / 32-，1 / 64-，1 / 128-和1/256级微步进，以最大程度地提高位置精度和运动的平滑度。但是，仅当每微步的扭矩大于移动负载所需的扭矩时，分辨率更高的微步长才会实现更好的位置精度。

步进电机驱动器的通道间电流匹配会影响整体位置精度。一个线圈电流为纯正弦波而另一线圈电流为纯余弦波将确保输出电流恒定且每个微步的增量角均相同。与理想值的任何不匹配都会导致角度位置增量不均匀，并导致输出转矩不均匀，位置不正确以及电动机振动增加。

驱动器衰减模式的选择在确定系统精度方面也起着重要作用。电流波形中的任何纹波都与所需形状有偏差，表现为振动和精度差。只要有可能，就应在慢速衰减模式下而不是快速或混合衰减下运行步进电机，以减少纹波。然而，由于反电动势，仅具有缓慢衰减的电流波形在高速工作下会失真。因此，可以适应高速的慢速衰减模式是提高精度的最佳方法。步进电机的平稳运行应导致图3a中所示的单调位置精度图，而不是图3b中所示的步进角的突然变化。

图3a：良好的位置精度


图3b：不良位置精度

噪音

3D打印机（尤其是旧型号）的声音可能很大，以至于在使用打印机时可能很难将其放在同一房间。噪声主要来自风扇，步进电机和其他运动的机械部件，并且可能需要昂贵的噪声抑制方法，例如橡胶隔离，但不能完全消除噪声。高质量的步进电机驱动器可以帮助大幅降低电机噪音，从而最大程度地减少打印机产生的噪音。

慢速衰减模式通过最小化电流纹波，可将电机噪声降至最低。低分辨率步进模式（例如全步进或半步进）会导致转子过冲并在下一个位置附近振荡，从而导致机械振动和噪音。微步进可大大减少过冲和下冲，从而使运行更加安静。此外，使用超出音频范围（大约20 kHz）的步进频率会极大地降低步进电机产生的噪声。

失速检测

大多数3D打印机都包含一个称为Endstop的组件。通过检测电机位置，挡块可确保打印机头在给定方向上到达运动终点时立刻停止。大多数挡块是机械的或光学的。不幸的是，光学挡块精度差且难以配置，而机械挡块会过早磨损并需要定期维护。这些用于监视电动机位置的外部组件会增加整个系统的成本。另外，某些系统严重超速，使电机超过终点，从而降低了系统效率，并导致听得见的噪音和机械故障。

集成在步进电机驱动器中的无传感器失速检测方法可以代替末端挡块并解决这些问题。失速检测方案应能够跨电源电压、温度、电动机速度和电动机参数变化可靠地检测电动机端点。与需要超时机制的位置传感器解决方案相比，集成的无传感器失速检测还可以在发生失速时提供立即响应。

德州仪器（TI）提供了专门用于下一代3D打印机设计的步进驱动器系列。这些驱动器中的智能调谐纹波控制衰减模式在缓慢衰减的情况下运行，但也适应高速运行，从而实现了无声且精确的3D打印机。该驱动器具有高达1/256级的微步进分辨率，可实现出色的电流调节。±2.5％的通道间电流匹配也有助于实现较高的位置精度。

具体而言，DRV8424和DRV8434提供330mΩ的导通状态电阻（额定电流为2.5A），而DRV8426提供900mΩ的导通状态电阻（额定电流为1.5A）。所有三个设备与引脚兼容，这为步进驱动器的选择增加了灵活性。

DRV8434S（具有串行外围设备接口）和DRV8434A（具有模拟通用输入/输出接口）具有无传感器失速检测功能，从而无需终端挡块。 330mΩ的导通状态电阻也适用于没有散热器的设计。

该器件系列既有热增强型薄型小外形尺寸（HTSSOP）封装，又有紧凑的4mm x 4mm四方扁平无引线（QFN）封装，可帮助设计人员在解决方案尺寸与热性能之间进行权衡。

使用具有正确功能集的步进电机驱动器可以显着降低可听噪声，提高运动精度并提高3D打印机的能效。步进电机驱动器（例如DRV8424，DRV8426，DRV8434S和DRV8434A）为3D打印机设计人员提供了几乎无声的操作。