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計模型中連續沉積材料來創建復雜的三維對象。農業，醫療保健，汽車，機車和航空工業是3D打印設計原型和生產的首批采用者。隨著這些行業的廣泛采用，對小型，準確，節能且靜音的3D打印機的需求也日益增長。
所有3D打印機都使用多個步進電機來產生高質量的打印，這些步進電機沿X-Y-Z軸移動打印機底座，或選擇顏色以及擠出機等功能。使用高性能的步進電機驅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電機驅動器，以從頭開始構建3D打印機或升級現有打印機。
3D打印機步進驅動程序系統級要求和性能指標
步進電機在其旋轉過程中以不連續的步幅移動，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橋進行控制。如圖1所示，步進電機驅動器將接近一個正弦波（藍色）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）象限對應于步進電機旋轉一個步長角-對于當今使用的大多數混合式步進電機為1.8度。
圖1：步進電機線圈電流波形
根據復雜性和可用功能，一臺3D打印機可以包含4到10個步進電機。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驅動器的主要系統級要求。
H橋電源電壓
離線AC電源由AC-DC轉換器轉換為低壓DC電源，以操作步進驅動器的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。
一些制造商正在設計其3D打印機，使其能夠在更高的標稱電源電壓（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。較高的電壓還會導致較高的高速可用轉矩，從而實現更快的打印速度。
36 V的標稱電源意味著，假設電源電壓軌的最大容差為25％，則步進驅動器應能夠承受至少45 V的電壓。對于24 V標稱電源，絕對最大額定電壓為30 V的步進驅動器就足夠了。
步進電機數據表中顯示的額定電壓與步進電機驅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。步進驅動器的電源電壓可以安全地高于電動機的額定電壓。
步進驅動器電流額定值
大多數3D打印機使用美國國家電氣制造商協會（NEMA）的17尺寸步進電機，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電機相比，用于打印機床X-Y-Z移動或擠出機移動的步進電機的額定電流更高。
步進電機驅動器的電流限制應高于步進電機的最大電流，并具有可接受的裕度系數。某些系統使用相同的電動機驅動器來驅動高電流額定值和低電流額定值的步進電動機。一種優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電機驅動器來驅動3D打印機系統中使用的各種步進電機。
環境溫度和導通電阻
大多數3D打印機要求印刷電路板的表面溫度不超過80°C。因此，步進驅動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，具有高導通狀態電阻（高側和低側均大于500mΩ）的步進驅動器必須使用較大的散熱器，這會增加系統成本。某些3D打印機甚至使用帶有眾多外部組件的門驅動器來降低工作溫度。對于額定電流為2 A的電動機，在大多數情況下，導通狀態電阻接近350mΩ可以完全省去散熱片。
微步，位置精度和平穩運動
在3D打印機中，打印質量取決于控制打印機的步進電機的位置精度。
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電機會使電機前進超過一個步進角（大多數情況下為1.8度機械旋轉），從而導致超調，轉矩波動和振動。因此當今大多數步進電機驅動器都采用了微步進技術，該微步進技術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期位置變得平穩，從而有助于減少振動。
在大多數傳統3D打印機系統中，通常將1/16級微步進視為一種標準。一些最新的驅動程序包含1 / 32-，1 / 64-，1 / 128-和1/256級微步進，以最大程度地提高位置精度和運動的平滑度。但是，僅當每微步的扭矩大于移動負載所需的扭矩時，分辨率更高的微步長才會實現更好的位置精度。
步進電機驅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機振動增加。
驅動器衰減模式的選擇在確定系統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，表現為振動和精度差。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，可以適應高速的慢速衰減模式是提高精度的最佳方法。步進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。噪聲主要來自風扇，步進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。高質量的步進電機驅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。低分辨率步進模式（例如全步進或半步進）會導致轉子過沖并在下一個位置附近振蕩，從而導致機械振動和噪音。微步進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）的步進頻率會極大地降低步進電機產生的噪聲。
失速檢測
大多數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運動終點時立刻停止。大多數擋塊是機械的或光學的。不幸的是，光學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。這些用于監視電動機位置的外部組件會增加整個系統的成本。另外，某些系統嚴重超速，使電機超過終點，從而降低了系統效率，并導致聽得見的噪音和機械故障。
集成在步進電機驅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。失速檢測方案應能夠跨電源電壓、溫度、電動機速度和電動機參數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生失速時提供立即響應。
德州儀器（TI）提供了專門用于下一代3D打印機設計的步進驅動器系列。這些驅動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，從而實現了無聲且精確的3D打印機。該驅動器具有高達1/256級的微步進分辨率，可實現出色的電流調節。±2.5％的通道間電流匹配也有助于實現較高的位置精度。
具體而言，DRV8424和DRV8434提供330mΩ的導通狀態電阻（額定電流為2.5A），而DRV8426提供900mΩ的導通狀態電阻（額定電流為1.5A）。所有三個設備與引腳兼容，這為步進驅動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）具有無傳感器失速檢測功能，從而無需終端擋塊。 330mΩ的導通狀態電阻也適用于沒有散熱器的設計。
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四方扁平無引線（QFN）封裝，可幫助設計人員在解決方案尺寸與熱性能之間進行權衡。
使用具有正確功能集的步進電機驅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。步進電機驅動器（例如DRV8424，DRV8426，DRV8434S和DRV8434A）為3D打印機設計人員提供了幾乎無聲的操作。 |
