Четыре основных ограничения скорости двигателя в 3D-принтере:
- Пределы частоты генерации прошивки
- Прошивка эффектов планировщика движения
- Потеря крутящего момента и точности из-за индуктивности катушки двигателя и эффектов обратной ЭДС
- Среднечастотный резонанс
Пределы скорости генерации шага будут зависеть от встроенного программного обеспечения и используемой платы контроллера. Существует значительный диапазон, особенно когда 32-битные прошивки и RTOS-платформы, такие как MachineKit, сравниваются с 8-битными прошивками, работающими на Atmega AVR. Некоторые примеры:
- Марлин на 16-МГц 8-битном процессоре Atmega может работать только с шаговым прерыванием на частоте 10000 Гц, не перегружая процессор и не блокируя другие важные алгоритмы (например, планирование движения). Он может генерировать частоту шагов до 40000 Гц, пульсируя линию шага два или четыре раза за прерывание, что эффективно снижает программный уровень микрошага и запускает двигатели более грубые / громкие.
- Repetier на том же Atmega может запускать шаговое прерывание на частоте 12000 Гц, потому что оно оптимизировано больше для скорости выполнения, чем Marlin.
- Repetier на 32-битной ARM Cortex-M3 с тактовой частотой 84 МГц может работать с шаговым прерывателем на частоте 80 000 Гц.
Эти ограничения обычно влияют только на фактическую скорость шагового двигателя, когда используется относительно тонкий микрошаг.Рассмотрим пример, основанный на очень типичной конфигурации принтера Marlin. Настоятельно рекомендуется использовать микрошаг по меньшей мере 1/4, чтобы избежать проблем с резонансом, поэтому давайте начнем со ступени 1/16. Это позволяет четырехшаговому выводу эффективно выводить 1/4 шага. Начиная с более тонкого микрошагового режима, мы снижаем нашу максимальную скорость, а более грубый микрошаговый шаг будет громче и может вызвать резонанс, так что это хорошая отправная точка. Затем предположим типичный шкив 32 мм на оборот на шаговом двигателе 1,8 градуса (200 шагов / об). Эта система имеет разрешение 200 * 16/32 = 100 шагов / мм. При общей скорости степпинга 40 000 Гц (четырехступенчатый шаг при 10000 Гц) мы можем теоретически двигаться со скоростью 400 мм / с, прежде чем ударить по твердой крышке Марлина. Вероятно, в любом случае это будет более высокая частота вращения, чем мы хотим запустить двигатель, так что это не очень сильный предел.
Для сравнения, если мы начнем с шага 1/128 (например, с чипом драйвера THB6128), наша максимальная скорость с 8-битным Marlin будет равна 50 мм / с. Это довольно медленно.
Планировщики движений встроенного программного обеспечения могут дополнительно ограничивать скорость двигателя, увеличивая и уменьшая скорость поворота и поворота. Если геометрия модели имеет много крутых поворотов, целевые скорости, заданные gcode, скорее всего, никогда не будут достигнуты. Только длинные прямые пути будут иметь достаточное время для достижения скорости. Вы можете убедиться в этом сами, распечатав очень маленькую модель с различными скоростями подачи и выбрав время фактической продолжительности печати: в определенный момент увеличение заданной скорости не повлияет на фактическое время печати.
Другое ограничение, которое навязывают некоторые прошивки, - это необходимость безопасного замедления до остановки в пределах длины всех команд движения в очереди планировщика. Это позволяет принтеру корректно обрабатывать внезапные потери ввода, например, если хост-компьютер прекращает передачу команд USB или если на SD-карте произошла серия ошибок чтения. Если принтер просто резко останавливается на полной скорости, когда у него заканчиваются команды, он может потерять позицию и испортить печать. Принимая во внимание, что если он может замедляться до безопасной скорости остановки, он может возобновить работу после возобновления потока команд.
С точки зрения фактического поведения двигателя, индуктивность и противо-ЭДС вводят значительные ограничения, поскольку они уменьшают крутящий момент двигателя при более высоких оборотах. Это дает кривую крутящего момента / оборотов, которая падает на более высоких скоростях:
http://www.geckodrive.com/support/step-motor-basics.html
Обратите внимание на изображение, что на низких скоростях имеется левая область с постоянным током. Это диапазон, где ограничитель тока ограничивает ток катушки. На правой стороне кривой ток не может достичь цели, прежде чем он должен быть отключен для следующего шага. Это уменьшает напряженность поля и, следовательно, крутящий момент.
Здесь необходимо рассмотреть два отдельных эффекта:
- Катушки двигателя являются индукторами, что означает, что существует разрыв первого порядка между приложенным напряжением и током катушки. Стандартный биполярный шаговый двигатель с микропереходным драйвером должен увеличивать ток катушки от нуля до максимума или от максимума до нуля на каждом полном шаге (например, каждые шестнадцать 1/16 микротестов). При высоких скоростях шага не хватает времени, чтобы полностью зарядить катушку до ее максимального тока, прежде чем следующий шаг потребует понижения тока вниз. Без развития полного тока катушки на каждом шаге крутящий момент теряется.
- Каждый двигатель также является генератором, и вращение ротора создает напряжение обратной ЭДС внутри катушек двигателя. Этот сигнал напряжения накладывается поверх сигнала напряжения возбуждения с фазовым сдвигом, зависящим от положения ротора относительно положения возбуждения катушки. Проще говоря, это напряжение пытается затормозить двигатель: оно всегда делает все, что замедляет двигатель. Это означает, что оно противодействует приложенному напряжению привода, когда двигатель прикладывает прямой крутящий момент, или помогает приложенному напряжению привода, когда двигатель прикладывает тормозной момент.
Для практического обсуждения ограничений скорости мы можем упростить ситуацию, предполагая, что напряжение обратной ЭДС противоположно напряжению возбуждения, приложенному к катушкам. Это означает, что существует более эффективный ток повышения / понижения напряжения в катушке, и для изменения тока требуется больше времени, и развивается меньший ток в катушке, чем в случае без обратной эдс. Это дополнительно снижает кривую крутящий момент / обороты двигателя. И когда напряжение противо-ЭДС составляет примерно ту же величину, что и напряжение возбуждения, может возникнуть значительная нестабильность двигателя из-за сложных эффектов обратной связи между положением ротора и эффективным напряжением катушки.
Вы можете играть с этими эффектами, используя различные конфигурации двигателя и скорости для нескольких популярных драйверов степперов 3D-принтеров, используя мой имитатор драйвера степпера: https://github.com/rcarlyle/StepperSim
В применениях с обратной связью с обратной связью по положению и высокопроизводительными драйверами, которые могут подавлять различные режимы нестабильности, может быть вполне приемлемым прогонить шаговый двигатель до конца по кривой крутящего момента при очень высоких оборотах. В более типичных 3D-принтерах с разомкнутым контуром, как правило, лучше придерживаться части кривой крутящего момента с низким числом оборотов в минуту, прежде чем индуктивность и обратная ЭДС действительно изменят поведение двигателя. Потеря слишком большого крутящего момента может легко означать пропуск шагов и потерю позиции, разрушая отпечаток.
Другим важным эффектом для степперов является резонанс средней полосы . Это не обычный механический резонанс, а фактически эффект электромеханического резонанса. Это довольно сложно, но короткое объяснение состоит в том, что степпер имеет собственный 90-градусный фазовый сдвиг между положением и крутящим моментом, и когда скорости повышаются до точки, где индуктивность катушки вводит дополнительный 90-градусный фазовый сдвиг между током катушки и приложенным напряжением, электромеханическая система имеет чрезвычайно нестабильную задержку фазы на 180 градусов и, таким образом, создает отрицательную петлю обратной связи. Это может быстро понизить крутящий момент двигателя, пока двигатель не потеряет синхронность с приложенным напряжением водителя и не остановится.
Среднечастотный резонанс возникает только тогда, когда ток катушки ограничен индуктивностью. Это не может произойти в диапазоне привода с постоянным током, поскольку между приложенным напряжением и током в катушке недостаточно фазовых задержек.
http://www.geckodrive.com/support/step-motor-basics.html
К сожалению, кривые измеренных крутящих моментов, доступные от производителей, почти никогда не показывают резонансные зоны, потому что кривые создаются нагрузкой двигателей тормозами с трением, которые демпфируют любой резонансный эффект от здания. В то время как нагрузка на трансмиссию 3D-принтера почти полностью инерционная (ускоряет массу), которая гораздо более подвержена резонансу.
Высококачественные драйверы могут автоматически обнаруживать и демпфировать среднечастотный резонанс, но типичные недорогие драйверы 3D-принтеров не имеют этой возможности.
Обычно целесообразно избегать попадания в диапазон оборотов, в котором может возникнуть резонанс в средней полосе. Это легко сделать, придерживаясь левой стороны кривой крутящего момента в рабочей области постоянного тока. Это обеспечивает высокий крутящий момент и хорошую стабильность.
В качестве конкретного примера рассмотрим популярный степпер Kysan 1124090 с источником питания 24 В.
https://ultimachine.com/content/kysan-1124090-nema-17-stepper-motor
Чтобы поддерживать высокий крутящий момент и избегать резонанса в средней полосе, мы хотели бы поддерживать частоту вращения до 400 или менее. Для того же шкива со скоростью 32 мм на оборот, упомянутого выше, скорость будет ограничена до 200-240 мм / с. Возможны более высокие скорости, но могут возникнуть проблемы с надежностью.
Эта скорость, конечно, предполагает использование блока питания 24 В для согласования с кривой измеренного крутящего момента: блок питания 12 В будет иметь значительно более низкую максимальную скорость, прежде чем индуктивность начнет ограничивать ток катушки, примерно вдвое быстрее. Более высокое напряжение питания значительно увеличивает максимальную эффективную скорость двигателя.
Опять же, вы можете легко смоделировать этот эффект (используя https://github.com/rcarlyle/StepperSim ). Эта диаграмма выхода симулятора показывает, как индуктивность и обратная ЭДС удерживают ток катушки от достижения цели:
Для практического проектирования трансмиссии симулятор двигателя / водителя - действительно лучший инструмент в наборе инструментов для определения точки, где производительность начнет ухудшаться из-за неспособности поразить текущие цели. Просто слишком сложно применять простые уравнения или эмпирические правила с какой-либо точностью. Эти электрические эффекты и пределы генерации микропрограммного обеспечения, вероятно, будут двумя основными ограничениями скорости двигателя для большинства принтеров.
Конечно, то, как быстро вы можете расплавить пластик, будет иметь тенденцию значительно ограничивать скорость печати ниже истинных пределов скорости двигателя, но это другое обсуждение. На данный момент мы можем просто сказать, что максимальная скорость двигателя, как правило, не важна для печати на типичных декартовых принтерах. Однако есть несколько случаев, когда они могут повысить производительность принтера:
- Линейные дельты, где вагоны, возможно, должны работать в несколько раз быстрее, чем эффектор для определенных направлений движения
- Экструдеры с редуктором с высоким коэффициентом редукции (например, более 5: 1) для высоких скоростей отвода
- Ведущие винты с коротким шагом (или с цельной резьбой), которым необходимы высокие скорости вращения для достижения умеренных линейных скоростей
