Выбор шаговых двигателей
Количество выводов (униполярный / биполярный)
Платы Duet используют драйверы совместимые с биполярными шаговыми двигателями.
Это означает, что вы можете использовать шаговые двигатели, которые имеют 4, 6 или 8 выводов. Вы не можете использовать двигатели с 5 выводами, потому что они предназначены для работы только в однополярном режиме.
Некоторые униполярные двигатели могут быть подключены как биполярные, разрывом дорожки на плате двигателя.
Проще всего подключить двигатели с 4-я выводами. Внутри шагового двигателя находятся две катушки, каждая из которых имеет два вывода. Пара выводов одной катушки называется фазой. 4-е провода соответствуют 4-м выводам шагового драйвера на плате Duet.
В шаговых двигателях с 6-ю выводами по-прежнему используются 2 катушки, но каждая катушка имеет центральный вывод, что при необходимости эффективно делит катушку пополам. Это создает дополнительный вывод для каждой катушки. Вы можете запустить их в режиме "полукатушки", оставив два крайних вывода не подключенными, или в режиме полной катушки, оставив центральные выводы не подключенными. Смотрите технические характеристики двигателя, чтобы убедиться, что Ваша плата Duet сможет обеспечивать достаточный ток для желаемого способа подключения.
Шаговые двигатели с 8-ю выводами содержат 4 катушки с 2-я выводами на каждую. Вы можете запустить 8-проводной шаговый двигатель в режиме "полукатушки" (с подключенными только 2-я катушками) или в режиме полной катушки. В режиме полной катушки вы можете подключить катушки последовательно или параллельно. В Интернете есть много другой документации о том, как это сделать, просто убедитесь, что Duet может справиться с текущими требованиями.
Номинальный ток
Это максимальный ток, который можно пропустить через обе обмотки одновременно. Максимальный ток через одну обмотку (что действительно важно при использовании микрошага) редко указывается и будет немного выше. Тем не менее, даже если одна обмотка работает на указанном номинальном токе, двигатель будет очень горячим. Таким образом, обычной практикой является установка ток двигателя не более 85% от номинального тока. Следовательно, чтобы получить максимальный крутящий момент от ваших двигателей без их перегрева, вы должны выбирать двигатели с номинальным током не более чем на 25% выше рекомендованного максимального тока драйвера.
Например,
- Duet 3 6HC и платы расширения 3HC
Рекомендуемый максимальный ток двигателя 6.3 А (4,45 А среднеквадратичный) => Номинальный ток шагового двигателя <= 6 А - Duet 3 Tooboard
Рекомендуемый максимальный ток двигателя 1,4 А => Номинальный ток шагового двигателя <= 1,75 А
Это максимальный момент, который двигатель может обеспечить с обеими обмотками, запитанными на полном токе, прежде чем он начнет пропускать шаги. Удерживающий момент при одной запитанной обмотке с номинальным током, примерно в 1 / sqrt (2) раза меньше.
Крутящий момент пропорционален току (за исключением очень низких токов).
Например, если вы установите драйверы на 85% номинального тока двигателя, то максимальный момент будет 85% * 0,707 = 60% от указанного удерживающего момента.
Крутящий момент возникает, когда угол ротора отличается от идеального угла, соответствующего току в его обмотках. Когда шаговый двигатель ускоряется, он должен создавать крутящий момент, чтобы преодолеть инерцию собственного ротора и массу нагрузки, которую он перемещает. Чтобы создать этот крутящий момент, угол ротора должен отставать от идеального угла. В свою очередь, нагрузка будет отставать от позиции, заданной прошивкой.
Иногда пишут о том, что микрошаг уменьшает крутящий момент. На самом деле это означает, следующее:
- Если угол запаздывания равен углу одного микрошага, при большем дроблении шага получается меньший угол запаздывания и, следовательно, меньший крутящий момент.
- Крутящий момент на единицу угла запаздывания не уменьшается с увеличением микрошага.
Другими словами, при повороте двигателя на один микрошаг 1/16 возникают точно такие же фазные токи (и, следовательно, те же силы), что и поворот на два микрошага 1/32 или четыре микрошага 1/64 и так далее.
Размер
Габариты двигателя определяются двумя параметрами: номер Nema и длина.
Номер Nema определяет ширину корпуса и положение монтажных отверстий.
Самым популярным размером для 3D-принтеров является Nema 17, который имеет ширину не более 42.3 мм и крепежные отверстия, которого расположены по углам квадрата со стороной 31 мм.
Двигатели Nema 17 бывают разной длины, от 20 мм (блинчиков) до 60 мм.
Как правило, чем длиннее двигатель, тем больше его удерживающий момент при номинальном токе.
Более длинные шаговые двигатели также имеют большую инерцию ротора.
Двигатели Nema 23 обладают более высоким крутящим моментом, чем двигатели Nema 17.
Duet 3 должен работать с такими двигателями с током до 5.5А.
В этом случае необходимо использовать питание 32В.
Двигатели Nema 34 еще больше, с большим крутящим моментом и обычно используются в станках с ЧПУ.
Duet 3 также может управлять этими двигателями с током до 5.5А. Для достижения высоких скоростей с большими двигателями вам может потребоваться более высокое напряжение, чем максимальное 32 В для Duet 3. Можно модифицировать Duet 3, увеличив его до 48В и, возможно, до 60 В (что является пределом для шагового драйвера). Конечно это аннулирует гарантийный обязательства https://forum.duet3d.com/post/133293
Угол шага
Большинство шаговых двигателей имеют угол 0.9 или 1.8 градуса на полный шаг, что соответствует 400 и 200 шагам на 1 оборот (360/0.9 и 360/1.8).
В большинстве 3D-принтеров используются двигатели 1.8 градуса на шаг.
- Двигатели 0.9 имеют немного более низкий удерживающий момент, чем аналогичные двигатели 1.8 от того же производителя.
- Для создания заданного крутящего момента угол запаздывания, необходимый двигателю 0.9, составляет чуть больше половины угла запаздывания двигателя 1.8. Или, другими словами, при малых углах запаздывания двигатель 0.9 имеет почти вдвое больший крутящий момент, чем двигатель 1.8.
- При заданной скорости вращения двигатель 0.9 градуса производит вдвое большую индуктивную обратную ЭДС, чем двигатель 1.8. Таким образом, вам обычно нужно использовать питание 24В для достижения высоких скоростей с двигателями 0.9.
- Двигателю 0.9 необходимо подавать импульсы с удвоенной скоростью, по сравнению с двигателями 1.8. Если вы используете большое дробления шага, в этом случае скорость вращения может быть ограничена скоростью, с которой электроника может генерировать импульсы.
Индуктивность двигателя влияет на то, насколько быстро драйвер шагового двигателя может управлять двигателем, прежде чем упадёт крутящий момент.
Если мы временно проигнорируем влияние обратной ЭДС из-за вращения и номинальное напряжение двигателя намного меньше, чем напряжение питания драйвера, то максимальное количество оборотов в секунду до падения крутящего момента составит:
revs_per_second (об/сек) = (2 * напряжение_питания) / (steps_per_rev * pi * индуктивность * ток)
Если двигатель приводит в движение ремень GT2 через шкив, это дает максимальную скорость:
скорость (мм/с) = (4 * кол-во_зубьев_шкива * напряжение_питания) / (шагов_на_повтор * пи * индуктивность * ток)
Например:
Двигатель 1.8 град/шаг (т.е. 200 шагов/оборот) с индуктивностью 4 мГн работающий при 1.5 А от источника питания 12 В и ремённым приводом GT2-20 начнет терять крутящий момент примерно на скорости 250 мм/сек.
Скорость перемещения ремня на принтерах CoreXY и Delta отличается от скорости перемещения печатающей головы.
На практике крутящий момент упадет раньше по причине того, что в расчётах не учитываются, возникающая при вращении обратная ЭДС, и сопротивление обмотки.
В двигателях с низкой индуктивностью возникает меньшая обратная ЭДС при вращении.
Это означает, что если мы хотим достичь высоких скоростей, нам нужны двигатели с низкой индуктивностью и высокое напряжение питания.
Максимальное рекомендуемое напряжение питания для Duet 2 WiFi / Ethernet составляет 25В, для Duet 2 Maestro - 28В, а для Duet 3 - 32В.
Сопротивление и номинальное напряжение
Сопротивление - это сопротивление каждой фазы.
Номинальное напряжение - это падение напряжения на каждой фазе, когда вал двигателя неподвижен и через фазу проходит номинальный ток. Напряжение рассчитывается произведением сопротивления и номинального тока.
Номинальное напряжение должно быть значительно ниже напряжения питания шаговых драйверов.
Обратная ЭДС при вращении
Когда шаговый двигатель вращается, он производит обратную ЭДС. При идеальном угле нулевого запаздывания он на 90 градусов не совпадает по фазе с управляющим напряжением и совпадает по фазе с обратной ЭДС из-за индуктивности. Когда двигатель развивает максимальный крутящий момент и находится на грани пропуска шага, он находится в фазе с током.
Обратная ЭДС из-за вращения обычно не указывается в технических данных, но мы можем оценить её по следующей формуле:
Примерный_пик_обратной_ЭДС_при_вращении = sqrt (2) * пи * номинальный_ крутящий_момент * обороты_за_секунду / номинальный_ток
Формула предполагает, что удерживающий момент задан для обеих фаз, запитанных номинальным током. Если указано, что под напряжением только одна фаза, замените sqrt (2) на 2.
Пример:
Рассмотрим шаговый двигатель 1.8 (200 шагов на 1 оборот), приводящий в движение каретку через шкив с 20 зубьями и ремень GT2.
Таким характеристикам будет соответствовать движение 40 мм на 1 оборот. Чтобы достичь скорости 200 мм/сек, нам нужно совершать 5 об/сек.
Если мы используем двигатель с удерживающим моментом 0.55 Нм, когда обе фазы работают на 1.68 А, пиковая обратная ЭДС из-за вращения составляет 1.414 * 3.142 * 0.55 * 5 / 1.68 = 7,3 В.
Насколько точна эта формула? Далее приведены измерения и расчёты обратной ЭДС для двух типов двигателей:
- 17HS19-1684S:
Измерено 24В, рассчитано 24.24 В при условии, что удерживающий момент указан с обеими фазами, запитанными при номинальном токе. - JK42HS34-1334A:
Измерено 22В, рассчитано 15.93 В с учетом удерживающего момента 0.22 Нм с обеими фазами, запитанными при номинальном токе. Возможно, удерживающий момент для этого двигателя указан только для одной фазы под напряжением, и в этом случае расчетное значение станет 22.53 В. Я также видел удерживающий момент для этого двигателя, указанный в другом техническом описании как 0.26 Нм, что увеличивает расчетное значение до 18.05 В.
Расчёт необходимого напряжения питания
Если вам известна желаемая скорость движения для вашего принтера, вы можете рассчитать приблизительно необходимое напряжение питания для драйверов двигателей.
- Определите желаемую скоростью передвижения. В этом примере будет использоваться 200 мм/сек.
- Исходя из заданной скорости движения, определите максимальную скорость ремней для наихудшего случая.
Для принтера с декартовой кинематикой наихудший случай - это чистое движение по оси X или Y, поэтому наихудшая скорость ремня совпадает со скоростью движения.
Для принтера с кинематикой CoreXY наихудший случай - это движение по диагонали, и соответствующая скорость ленты в sqrt(2) раз больше скорости движения.
Для принтера с кинематикой дельта-принтера наихудший случай - это радиальное перемещение у края стола, а наихудшая скорость ленты - это скорость движения, деленная на тангенс угла (тета), где тета - это наименьший угол диагонального стержня к горизонтали. На практике мы не можем использовать заданную скорость движения для радиальных перемещений вплоть до края стола из-за расстояния, необходимого для ускорения или замедления, поэтому принимайте тета как угол, когда сопло находится примерно в 10 мм от края стола напротив вертикальной опоры. Для моей дельты это 30 градусов, поэтому максимальная скорость ленты составляет 200 / тангенс (30 градусов) = 346 мм/сек. - Определите число оборотов двигателя в секунду при максимальной скорости ремня, разделив скорость ремня на шаг между зубьями ремня (2 мм для ремней GT2) и на количество зубьев на шкиве.
Моя дельта использует шкивы с 20 зубьями, поэтому максимальное число оборотов в секунду составляет: 346 / (2 * 20) = 8.7 об/сек. - Вычислите пиковую обратную ЭДС, возникающую из-за наличия индуктивности, равную обороты_в_секунду * пи * мотор_ток * мотор_индуктивность * N / 2,
где N - количество полных шагов на оборот (200 для двигателей 1,8 градуса или 400 для двигателей 0,9 градуса).
Мои двигатели имеют 0,9 градуса с индуктивностью 4,1 мГн, и я обычно использую их при токе 1 А. Таким образом, обратная ЭДС из-за индуктивности составляет 8,7 * 3,142 * 1,0 * 4,1e-3 * 400/2 = 22,4 В. - Рассчитайте примерную обратную ЭДС, возникающую при вращении.
Из приведенной ранее формулы это sqrt (2) * pi * Rated_holding_torque * revs_per_second / Rated_current.
Мои двигатели имеют номинальный ток 1.68 А и удерживающий момент 0.44 Нм.
1,414 * 3,142 * 0,44 * 8,7 / 1,68 = 10,1 В. - Желательно, чтобы напряжение питания драйвера было как минимум суммой этих двух противо-ЭДС плюс еще несколько вольт.
Если у вас есть два двигателя, подключенных последовательно, то требуемое напряжение увеличивается вдвое.
С другой стороны, источника питания 12 В явно недостаточно - это объясняет, почему я смог достичь только 150 мм/сек при таком напряжении питания.
EMF Calculator позволяет вычислить скорость, с которой начинает падать крутящий момент.
Общие рекомендации
- Если вы не будете использовать внешние драйверы шагового двигателя, выбирайте двигатели с номинальным током не менее
3 А для Duet 2,
7 А для основной платы и платы расширения Duet 3,
1.7А для Duet 3 tool boards или Duet 2 Maestro. - Рассчитывайте работу каждого шагового двигателя с током от 50% до 85% его номинального значения.
- Размер:
Nema 17 - самый популярный размер, используемый в 3D-принтерах.
Nema 14 - это альтернатива экструдеру с понижающим редуктором.
Используйте двигатели Nema 23, если вы не можете получить достаточный крутящий момент от длинных двигателей Nema 17.
Duet 3 также может приводить в движение моторы Nema 34. - Избегайте двигателей с номинальным напряжением (или произведением номинального тока и фазного сопротивления) > 4 В или индуктивностью > 4 мГн.
- Выберите шаговые двигатели 0.9 градуса, если вам нужна дополнительная точность позиционирования, например для принтера c кинематикой Дельта.
В противном случае выберите шаговые двигатели 1.8. - Если вы используете двигатели 0.9 градуса/шаг или двигатели с высоким крутящим моментом, используйте питание 24 В, чтобы вы могли поддерживать крутящий момент на более высоких скоростях.
- Для экструдера с понижающим редуктором используйте короткий низкоиндуктивный двигатель 1.8 град/шаг.
Подключение шаговых двигателей
Использование внутренних драйверов
Duet 3 имеет 6 встроенных драйверов управления шаговыми двигателями. Duet 2 WiFi, Ethernet и Maestro имеют 5 встроенных драйверов управления шаговыми двигателями.
При подключении шаговых двигателей смотрите схему на Вашу плату.
Для ВСЕХ ПЛАТ DUET вы должны подключить два провода одной фазы шагового двигателя к двум контактам на одной стороне разъема, а провода другой фазы - к двум контактам на другом стороне. Следующий раздел содержит информацию по определению фаз шагового двигателя.
Каждый разъем шагового двигателя на плате имеет четыре контакта.
В Duet 2 WiFi / Ethernet они обозначены как «2B 2A 1A 1B» на задней стороне платы и на схеме подключения. «1» и «2» обозначают номер катушки или фазы, «A» и «B» обозначает вывод катушки.
На Duet 2 Maestro и Duet 3 четыре контакта разъема двигателя помечены как «B1 B2 A1 A2» на задней стороне платы и на схеме подключения.
«A» и «B» обозначают номер катушки или фазы, «1» и «2» обозначают выводы катушки. Такое обозначение используется большинством производителей шаговых двигателей.
Внимание! Некорректное подключение фаз на 4-контактном разъеме может привести к повреждению драйвера.
Поэтому необходимо определить пары проводов принадлежащие одной фазе. Неважно, какую фазу вы подключаете к какой паре контактов или в каком направлении вы подключаете каждую фазу. Смена местами двух фаз или смена местами пары проводов в фазе просто заставит двигатель вращаться в другую сторону, что можно исправить в файле config.g.
Будьте особенно осторожны при использовании шаговых двигателей с разъёмами!
Двигатели Nema 17 с разъёмами обычно имеют 6-контактный разъем JST, но разные производители используют разные контакты на этом разъеме. Всегда проверяйте фазы шагового двигателя при использовании двигателей с разъёмами.
Настоятельно рекомендуется заземлить корпус шаговых двигателей, особенно в принтерах с ременным приводом. В противном случае движение ремней вызовет накопление статического заряда, который в конечном итоге попадёт на обмотки. Движение нити в экструдерах также может вызвать накопление статического заряда на приводном двигателе экструдера. Если моторы закреплены к металлической корпусу принтера, достаточно заземления корпуса.
Определение фаз шагового двигателя
Далее приведены два способа определения фаз шагового двигателя:
- Используйте мультиметр.
Между двумя выводами одной фазы должно быть сопротивление в несколько Ом. Между двумя выводами разных фаз сопротивление должно быть бесконечным. - Когда провода двигателя ни к чему не подключены, вращайте вал пальцами. Соедините два вывода между собой и снова поверните вал двигателя. Если вращать вал стало сложнее, то два вывода принадлежат одной фазе. В противном случае попробуйте еще раз с другой парой проводов.
