当前位置：首页 > 工业园区 >3d打印机步进电机（3d打印步进电机选择）

3d打印机步进电机（3d打印步进电机选择）

欧室工业网站
工业园区
2023-12-09 00:58:04
浏览量：504

原则：

在3D打印领域，新手往往很难理解步进电机的真正驱动方法。例如，很多工程师会问诸如“我的电机额定电压是4.6V，但我的打印机有12/24V电源，我可以使用”之类的问题。这是因为我们日常使用的电子产品大部分都是采用恒压变流电源，这是我们以前所知道的。12V的LED灯带会采用稳定、可控的12V供电，电流消耗会随着二极管（负载）数量的增加而增加。

3d打印机步进电机（3d打印步进电机选择）

步进电机的供电方式相反——电流恒定/可控（稍后详细介绍），所需电压随着负载变化而变化。这就是为什么在3D 打印中12V 电源被24V 甚至更高电压电源取代- 因为（除其他好处外）以这种方式采样，打印机可以为电机提供更高的能量，并实现更高的移动速度和更好的动态，尽管电机电流保持相同的值。

但典型的电源提供恒定电压，如何将其转换为稳定、受控的电流？这是步进电机驱动器（例如TMC2208）的工作。

电流调节是通过称为PWM（脉宽调制）的技术实现的。使用MOSFET 可以非常快速地打开和关闭电压，从而使电流浮动在所需的水平。但这种电流控制方法不适用于简单的电阻负载——只有当驱动线圈和磁铁或其他线圈共同作用使步进电机旋转时才能实现电流调节。线圈——电感器——有一个有趣的特性——它“减慢”电流，增加“惯性”。这意味着如果施加电压，流过电感器的电流不会立即上升，而是缓慢上升。当电压被切断—— 时，也会发生同样的情况，电流不会立即降至0A，而是随着时间的推移而减小。

顺便说一句，LED实际上也是电流控制的——但对于一个简单的LED灯带来说，一个电阻就足以调节电流，所以最终LED灯带可以作为恒压器件工作。

实测

实际测量中可以清楚地看到所描述的电流控制方法：

黄色曲线代表通过电机线圈的电流，青色线代表打开/关闭的电压。该测量是在待机期间进行的，此时电机不旋转但保持其位置。电流几乎恒定，电压也有规律。接地短时间导通，然后再次关闭。请注意，这种切换每秒发生超过30,000 次！

当电机开始转动时，会发生一件有趣的事情，电流波形不再平坦，而是正弦波。要使电机旋转，需要改变电流来改变励磁磁场，从而产生运动。该原理适用于所有无刷电机。 TMC2208 用于主动测量和调节电流，产生具有设定幅度的正弦电流形状，有效电压相应变化。旋转速度取决于当前正弦波的频率。

不用担心电压测量波动。屏幕底部看到的幅度或多或少等于我们使用的电源电压32V。 RMS 值指示向电机线圈传送的有效电压“多少”。在这种情况下，测量/计算值不是很精确，但它表明在这个速度下，我们提供的电压低于标称电源电压的40%。

当我们放大时，我们可以清楚地看到前面提到的：电感的特殊属性

当电压接通时，电流上升，但与电压上升/下降的速度相比，电流上升相当缓慢。当我们关闭电压时，流过线圈的电流下降，但仍然相当缓慢。在达到太低之前，驱动器重新通电，电流再次上升。这基本上就是我们将电流保持在所需水平的方法，另请注意，MOSFET 开关打开的时间（电压保持打开的时间）取决于正弦波上的“位置”。当我们观察正弦波时，我们可以看到变化缓慢的区域（靠近顶部/底部）和快速变化的区域（Y 轴上接近零）。如果我们希望电流遵循这种形状，我们只需在正弦波的“快速区域”施加更长的时间即可！

微小的不规则性以及与理想、平滑的正弦形状的偏差称为纹波，并且在使用PWM 控制线圈电流时始终存在。

电机负载的影响

此时出现一个非常重要的问题——是什么导致所需电压（提供给电机的实际功率）随着负载的变化而变化？这是BEMF------每台电机的固有特性。我不想在本文中深入讨论这种现象的物理细节——简单地说，电机线圈在旋转过程中会产生一个“反向”电压，该电压与我们从电源施加到电机上的电压相反，即为什么叫反电动势。速度（或负载）越高，我们需要应对的反电动势就越高。

BEMF 受三个主要因素影响：

? 电机线圈电感——越小越好。

? 设置电流- 电流越高，电机越强，但产生的BEMF 也越强

? 速度/机械负载——当然，BEMF 随着负载的增加而增加。这就是使用测量BEMF 的Trinamic StallGuard —— 进行无传感器归位的工作原理！

BEMF: 的实际影响

在下面的测量中，我们可以看到加速运动和两个区域的特写—— 低速/高速

当速度仍然较低时，电机控制器仍然有足够的余量来很好地调节电流，因此正弦波可以被认为是理想的。但如果我们稍后放大一点，我们可以看到电流看起来更像一个三角形，并且施加的电压不是很精确。这是因为控制器没有足够的电压余量来正确调节电流，实际上，当电机仍在运行时，正弦波就会失真。

现在我们了解了如何控制步进电机，我们可以继续下一点并回答最后一个问题—— 当BEMF 如此高以至于接近电源电压时会发生什么？您可能会猜测电机将开始失去同步。 —— 确实如此，但不是立即！老实说，我对驱动器和电机处理极限速度的能力感到惊讶。让我们来看看：

这是使用24V 电源完成一次完整操作期间流过电机线圈的电流。打印机开始静止，从9000 mm/s2 加速到900 mm/s，最后停止。那么，究竟发生了什么？最初，驱动器能够保持正弦波，但后来，随着BEMF 接近电源电压，波形会恶化，正如我们在上面看到的那样。但此时打印机仍然没有达到要求的速度。 —— 很快电机产生的反电动势电压过高，以致无法达到设定的电流值。它逐渐减小，直到达到所需的速度，然后幅度变得稳定，但此时我们不再看到正弦波——，它更接近于方波。

这些结果看起来很糟糕，但实际上—— 个结果还不错！机器在这种设置下运行了一年多，没有出现任何问题。在高速应用中，这是正常的。当然，扭矩大大降低，精度可能不完美，但减速后，电机恢复到额定扭矩，位置准确。 900mm/s 是我认为在开始丢步之前安全的最大速度。

我还尝试使用示波器的原始数据来计算和显示操作期间的平均“电压消耗”。

事实证明这比我预期的要困难一些，因此结果仅表示——，这就是为什么没有提供数字的原因。反正：

两张图都以“本地有效值”表示电压和电流，这或多或少是平均有效值。

我们可以看到，随着速度的增加，我们需要施加越来越多的电压，直到达到极限，此时电流会略有下降。从这些图中可以得出两个重要结论：

? 我们永远无法提供100% 的电源电压，因为我们需要改变电流——我们需要一些时间让它下降。

?在高速时，我们无法为电机提供全部功率。

更高电源电压的好处

也许你们中的一些人可能已经意识到，在我的大多数测量中，我使用的是32V 电源，而不是24V 电源。事实上—— 我将我的机器升级到32V，这就是为什么我决定使用我的示波器并比较这两个选项。

这值得么？真的吗！

使用之前的设置参数，波形形状看起来好多了，电流幅度比之前高了约60%，这意味着电机开始丢步之前的稳定性更好，裕度更高。另一方面，我可以以相当高的加速度进行打印，甚至高达1200 毫米/秒的速度，而没有更高的安全裕度！这对FDM 打印机来说意义不大……但我对结果非常满意。

总结和建议！