Напряжение питания шаговых двигателей 3D принтера. Особенности разрешения на минимальном шаге

30.09.2016 Сайт https://anteh.ru

Рассматривается пластиковый 3D FDM дельта принтер. Шаговый двигатель экструдера JK42HS40-1204D, согласно документации индуктивность = 4.5mH. X Y Z двигатели осей JK42HS60-1704A, это 2х фазный гибридный шаговый двигатель, согласно документации индуктивность = 6.2mH. Проверена индуктивность обмоток RLC метром, последовательная схема измерения, частота 1kHz:
JK42HS60-1704A:
X: Ls=6.283mH, Q=6.0; Ls=6.316mH, Q=6.0
Y: Ls=6.318mH, Q=6.13; Ls=6.229mH, Q=6.0
Z: Ls=6.413mH, Q=6.0; Ls=6.43mH, Q=6.14
JK42HS40-1204D:
E: Ls=4.1mH, Q=5.45; Ls=4.1mH, Q=5.21
Индуктивность немного меняется при повороте вала двигателя и точность где-то в десятых долях. Измерения совпали с документацией.
Лучше работают двигатели с меньшей индуктивностью, малая индуктивность требует меньшего напряжения питания. Максимальное напряжение питания двигателя вычисляется по эмперической формуле

, где L - индуктивность обмоток двигателя в миллигенри. Рекомендуется, чтобы максимально допустимое напряжение питания драйвера было примерно равно Umax, или чуть больше. Если условие не выполняется, то больших скоростей вращения не получить.
UmaxXYZ=32*sqrt(6)=78V
UmaxE=32*sqrt(4.1)=64V
Интересно получается. Сейчас напряжение питания шаговых двигателей +12VDC. Диазапазон питающих напряжений двигателя должен быть в диапазоне от 4 до 25 значений напряжения питания двигателя. Чтобы увеличить скорость печати, предотвратить пропуски на высоких скоростях печати, положительно повлиять на шум и резонансные явления, снизить тепловыделение(палец обжигать не будет) и ток драйверов, нужно поднять напряжение питания драйверов, хотя бы до безопасных +24VDC.

Есть осадок от непонимания причин чередования 80 и 70 микрон при движении по вертикали, через pronterface на минимальном шаге. Т.е. вертикальное движение осуществляется при чередовании указания положения по вертикали 70 и 80 мкм. Шаговые двигатели, на слух, отрабатывают следующие значения по высоте:
G1Z10.1
G1Z10.18
G1Z10.25
g1z10.30
g1z10.38
g1z10.45
g1z10.53
g1z10.60
g1z10.68
g1z10.75
Подобное поведение было проверено и подтверждено с помощью микрометра.
Диаметр штока на XYZ осях 12мм с 20ю зубьями. 80 шагов на миллиметр хода каретки. Минимальный шаг по оси: 1/80=0.0125мм. В пропуске шагов на высокой скорости, резонансных явлениях и чередовании шага по высоте 70/80 микрон, пока обвиняется недостаточное напряжение питания шаговых двигателей. Напряжение поднято до +18В. DRV8825 поддерживает от +8.2 до +45VDC(что оказалось неправдой), ток 1.5A без обдува и 2.2A с дополнительным обдувом. Не будет переделки RAMPS 1.4 под повышенное напряжение, будет перенесён контакт питания +12V платы DRV8825 с нижней на верхнюю сторону и туда заведено +18V, также добавляем к каждому драйверу электролит 100u 50V или большей ёмкости:

Первоначально подавалось +32V, использовался линейный нестабилизированный источник +18VDC подключённый последовательно к +12VDC, трансформатор ТН55, 2 вторичные 6.3V 7A соединены последовательно, мост из шоттки + 2 банки по 10000u 50V.
Перестали работать DRV8825 драйвера, в шахматном порядке сопротивление цифровых ног упало со 100k до где-то 300, где-то 10 ом, подгорели. На одном из драйверов пропал Vref, другой вроде работал, но дробление у него поменялось, как выяснилось в результате подгоревших ног задающих дробление. Чип керамика на платах DRV8825 не пострадала. Возможно, заявленные +45В напряжения питания DRV8825 неправда, от 32В всё померло. Но возможно сам был виноват, потому что в ручную двигал каретки осей и шаговый двигатель, работающий в реэиме генератора мощности мог повредить драйвера. Но правда 1 каретку не трогал, а повреждёнными оказались все драйвера.
Те же самые доработки были сделаны с тремя A4988 и на VMOT заведено напряжение +18VDC c линейного стабилизатора. Дробление то же 1/16.

Выставлен на всякий ток драйверов в 1A, 0.8Vref. И приятные результаты, на слух стало тише.Субъективно, по показаниям микрометра увеличилась точность, драйвера стали греться существенно меньше, теперь на максимальной скорости печати на радиаторах A4988 можно спокойно держать палец сколь угодно долго, при питании от +12VDC палец обжигало. И что более важное исчезли пропуски, при тех же исходных, при 12V питания XYZ шаговых двигателей и токе драйвера 1.5A пропуски наблюдались в районе 650%(35мм/c=100%) 230мм/сек. Сейчас, при напряжении питания +18VDC(линейный блок питания под нагрузкой) и токе драйверов 1А, на скорости 900% 315мм/сек пропуски не наблюдались. На чередование шага по высоте 70/80 микрон повышение напряжения питания субъективно повлияло, микрометр, в среднем, стал показывать 75 микрон т.е. немного увеличилась точность. В этой статье разрешение по вертикали каждой из осей подправлено на 50микрон. Преимущества использования +24VDC вместо +12VDC для питания шаговых двигателей существенны. Разумеется речь о бюджетных open source домашних принтерах. По "взрослому", как уже обсуждалось напряжение питания шаговых двигателей можно подбирать в зависимости от индуктивности обмотки и для используемых осевых шаговых двигателей может составлять чуть более +78VDC. Нужны соответствующие драйвера STEP DIR с питанием от линейного трансформаторного блока питания 80VDC, стабилизация не нужна, достаточно электролитов, в общей сумме на 30000 -50000мкФ.
Конечно +18 не +24, но результат весьма положительный. Сейчас заказан тор и пару банок для линейного +24VDC источника питания драйверов шагового двигателя. Здесь "Питание драйверов A4988 3D принтера от линейного трансформаторного блока питания напряжением 27VDC" продолжение статьи.
В проекте попробовать запитать двигатели 80VDC с использованием соответствующих драйеров, возможно с "прибамбасами". Цель получить качественную печать на скорости 100-120мм/сек используя AtMega2560 + marlin прошивку.

Несколько полезныхфактов о шаговом двигателе:

Момент вращения ротора шагового двигателя максимален на малых оборотах. Шаговые двигатели можно назвать вечными. Температура корпуса шагового двигателя в 90градусов считается нормой. Его можно использовать как датчик угла поворота. Как генератор мощности он будет работать эффективней коллектооных двигателей.