3D打印是一個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)，具有巨大的增長(zhǎng)潛力。3D打印機(jī)通過(guò)直接從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型中連續(xù)沉積材料來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的三維對(duì)象。農(nóng)業(yè)，醫(yī)療保健，汽車(chē)，機(jī)車(chē)和航空工業(yè)是3D打印設(shè)計(jì)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(duì)小型，準(zhǔn)確，節(jié)能且靜音的3D打印機(jī)的需求也日益增長(zhǎng)。

所有3D打印機(jī)都使用多個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生高質(zhì)量的打印，這些步進(jìn)電機(jī)沿X-Y-Z軸移動(dòng)打印機(jī)底座，或選擇顏色以及擠出機(jī)等功能。使用高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以幫助打印機(jī)電機(jī)安靜，精確，高效地移動(dòng)。在本文中，我將探討如何找到合適的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以從頭開(kāi)始構(gòu)建3D打印機(jī)或升級(jí)現(xiàn)有打印機(jī)。

3D打印機(jī)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)程序系統(tǒng)級(jí)要求和性能指標(biāo)

步進(jìn)電機(jī)在其旋轉(zhuǎn)過(guò)程中以不連續(xù)的步幅移動(dòng)，步距由步距角定義。它具有兩個(gè)電流繞組，每個(gè)電流繞組都可通過(guò)一個(gè)H橋進(jìn)行控制。如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將接近一個(gè)正弦波（藍(lán)色）的電流波形施加到一個(gè)線(xiàn)圈中，將一個(gè)余弦波（紅色）的電流波形施加到另一個(gè)線(xiàn)圈中。電流波形的一個(gè)（90度）象限對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步長(zhǎng)角-對(duì)于當(dāng)今使用的大多數(shù)混合式步進(jìn)電機(jī)為1.8度。

圖1：步進(jìn)電機(jī)線(xiàn)圈電流波形

根據(jù)復(fù)雜性和可用功能，一臺(tái)3D打印機(jī)可以包含4到10個(gè)步進(jìn)電機(jī)。圖2顯示了3D打印機(jī)的簡(jiǎn)化框圖。

圖2：3D打印機(jī)的框圖

讓我們回顧一下3D打印機(jī)中使用的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的主要系統(tǒng)級(jí)要求。

H橋電源電壓

離線(xiàn)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(dòng)器的H橋。今天使用的最常見(jiàn)的直流電源電壓是12 V或24V。對(duì)于相同的輸出功率，在24 V下運(yùn)行時(shí)，平均電流與12 V時(shí)相比降低了一半。

一些制造商正在設(shè)計(jì)其3D打印機(jī)，使其能夠在更高的標(biāo)稱(chēng)電源電壓（例如36 V或48 V）下運(yùn)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(huì)導(dǎo)致較高的高速可用轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)更快的打印速度。

36 V的標(biāo)稱(chēng)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(dòng)器應(yīng)能夠承受至少45 V的電壓。對(duì)于24 V標(biāo)稱(chēng)電源，絕對(duì)最大額定電壓為30 V的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器就足夠了。

步進(jìn)電機(jī)數(shù)據(jù)表中顯示的額定電壓與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源電壓之間的差異可能會(huì)造成混淆。您必須記住的是，電動(dòng)機(jī)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(dòng)器的電源電壓可以安全地高于電動(dòng)機(jī)的額定電壓。

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器電流額定值

大多數(shù)3D打印機(jī)使用美國(guó)國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）的17尺寸步進(jìn)電機(jī)，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(jī)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(jī)相比，用于打印機(jī)床X-Y-Z移動(dòng)或擠出機(jī)移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)的額定電流更高。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流限制應(yīng)高于步進(jìn)電機(jī)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)高電流額定值和低電流額定值的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。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(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)3D打印機(jī)系統(tǒng)中使用的各種步進(jìn)電機(jī)。

環(huán)境溫度和導(dǎo)通電阻

大多數(shù)3D打印機(jī)要求印刷電路板的表面溫度不超過(guò)80°C。因此，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器必須使用較大的散熱器，這會(huì)增加系統(tǒng)成本。某些3D打印機(jī)甚至使用帶有眾多外部組件的門(mén)驅(qū)動(dòng)器來(lái)降低工作溫度。對(duì)于額定電流為2 A的電動(dòng)機(jī)，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(yùn)動(dòng)

在3D打印機(jī)中，打印質(zhì)量取決于控制打印機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的位置精度。

擠出機(jī)和打印機(jī)底座在X-Y-Z方向上的變形。在全步模式下運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)會(huì)使電機(jī)前進(jìn)超過(guò)一個(gè)步進(jìn)角（大多數(shù)情況下為1.8度機(jī)械旋轉(zhuǎn)），從而導(dǎo)致超調(diào)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和振動(dòng)。因此當(dāng)今大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都采用了微步進(jìn)技術(shù)，該微步進(jìn)技術(shù)將整步運(yùn)動(dòng)分成較小的相等段，因此通過(guò)使電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)至其預(yù)期位置變得平穩(wěn)，從而有助于減少振動(dòng)。

在大多數(shù)傳統(tǒng)3D打印機(jī)系統(tǒng)中，通常將1/16級(jí)微步進(jìn)視為一種標(biāo)準(zhǔn)。一些最新的驅(qū)動(dòng)程序包含1 / 32-，1 / 64-，1 / 128-和1/256級(jí)微步進(jìn)，以最大程度地提高位置精度和運(yùn)動(dòng)的平滑度。但是，僅當(dāng)每微步的扭矩大于移動(dòng)負(fù)載所需的扭矩時(shí)，分辨率更高的微步長(zhǎng)才會(huì)實(shí)現(xiàn)更好的位置精度。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的通道間電流匹配會(huì)影響整體位置精度。一個(gè)線(xiàn)圈電流為純正弦波而另一線(xiàn)圈電流為純余弦波將確保輸出電流恒定且每個(gè)微步的增量角均相同。與理想值的任何不匹配都會(huì)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(dòng)機(jī)振動(dòng)增加。

驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(yùn)行步進(jìn)電機(jī)，以減少紋波。然而，由于反電動(dòng)勢(shì)，僅具有緩慢衰減的電流波形在高速工作下會(huì)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(jī)的平穩(wěn)運(yùn)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(jī)（尤其是舊型號(hào)）的聲音可能很大，以至于在使用打印機(jī)時(shí)可能很難將其放在同一房間。噪聲主要來(lái)自風(fēng)扇，步進(jìn)電機(jī)和其他運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)器可以幫助大幅降低電機(jī)噪音，從而最大程度地減少打印機(jī)產(chǎn)生的噪音。

慢速衰減模式通過(guò)最小化電流紋波，可將電機(jī)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(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過(guò)沖并在下一個(gè)位置附近振蕩，從而導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)和噪音。微步進(jìn)可大大減少過(guò)沖和下沖，從而使運(yùn)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(huì)極大地降低步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的噪聲。

失速檢測(cè)

大多數(shù)3D打印機(jī)都包含一個(gè)稱(chēng)為Endstop的組件。通過(guò)檢測(cè)電機(jī)位置，擋塊可確保打印機(jī)頭在給定方向上到達(dá)運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)時(shí)立刻停止。大多數(shù)擋塊是機(jī)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(jī)械擋塊會(huì)過(guò)早磨損并需要定期維護(hù)。這些用于監(jiān)視電動(dòng)機(jī)位置的外部組件會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的成本。另外，某些系統(tǒng)嚴(yán)重超速，使電機(jī)超過(guò)終點(diǎn)，從而降低了系統(tǒng)效率，并導(dǎo)致聽(tīng)得見(jiàn)的噪音和機(jī)械故障。

集成在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的無(wú)傳感器失速檢測(cè)方法可以代替末端擋塊并解決這些問(wèn)題。失速檢測(cè)方案應(yīng)能夠跨電源電壓、溫度、電動(dòng)機(jī)速度和電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化可靠地檢測(cè)電動(dòng)機(jī)端點(diǎn)。與需要超時(shí)機(jī)制的位置傳感器解決方案相比，集成的無(wú)傳感器失速檢測(cè)還可以在發(fā)生失速時(shí)提供立即響應(yīng)。

德州儀器（TI）提供了專(zhuān)門(mén)用于下一代3D打印機(jī)設(shè)計(jì)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器系列。這些驅(qū)動(dòng)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(yùn)行，但也適應(yīng)高速運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)聲且精確的3D打印機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器具有高達(dá)1/256級(jí)的微步進(jìn)分辨率，可實(shí)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(shí)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(gè)設(shè)備與引腳兼容，這為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)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(wú)傳感器失速檢測(cè)功能，從而無(wú)需終端擋塊。 330mΩ的導(dǎo)通狀態(tài)電阻也適用于沒(méi)有散熱器的設(shè)計(jì)。

該器件系列既有熱增強(qiáng)型薄型小外形尺寸（HTSSOP）封裝，又有緊湊的4mm x 4mm四方扁平無(wú)引線(xiàn)（QFN）封裝，可幫助設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)器可以顯著降低可聽(tīng)噪聲，提高運(yùn)動(dòng)精度并提高3D打印機(jī)的能效。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（例如DRV8424，DRV8426，DRV8434S和DRV8434A）為3D打印機(jī)設(shè)計(jì)人員提供了幾乎無(wú)聲的操作。