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选择步进电机时的注意事项

时间:2019-11-06 15:50


  选择步进电机时的注意事项


  线数(单极/双极)

Duet板使用双极步进电机驱动器。这意味着您可以使用适用于双极驱动的步进电机,该电机具有4线,6线或8线。您不能使用5线制电机,因为它们只能在单极模式下驱动。(可以通过在电路板上切割走线将某些单极电动机制成双极电动机。)


  额定电流

这是您可能同时通过两个绕组的最大电流。通过一个绕组的最大电流(这在使用微步进时真正重要)很少被引用,并且会更高一些。但是,即使以额定电流驱动一个绕组,电动机也会变得非常热。因此,通常的做法是将电动机电流设置为不超过额定电流的85%。因此,为了在不使电动机过热的情况下获得最大转矩,应选择额定电流不超过建议的最大步进驱动器电流高25%的电动机。这给出:

  Duet 0.6和Duet 0.8.5(建议最大电机电流1.5A)=>步进电机额定电流<= 1.9A

      Duet 2 WiFi和Duet 2 Ethernet(最大电机电流2.4A)=>步进电机额定电流<= 3.0A

      Duet 2 Maestro(建议的最大电动机电流为1.4A,且风扇散热良好)=>步进电动机的额定电流<= 1.7A。但是,如果使用额定电流较低(例如1.0至1.2A)和24V电源的电动机,则驱动器将以较低的温度运行。


  保持扭矩

这是电动机在开始跳跃步骤之前,两个绕组都以全电流通电时可以提供的最大转矩。在额定电流下通电的一个绕组的保持转矩约为该值的1 / sqrt(2)倍。转矩与电流成正比(在极低电流下除外),因此,例如,如果将驱动器设置为电动机额定电流的85%,则最大转矩将为指定保持转矩的85%* 0.707 = 60%。

  当转子角度与对应于绕组电流的理想角度不同时,就会产生转矩。当步进电动机加速时,它必须产生转矩以克服其自身的转子惯性和所驱动负载的质量。为了产生该转矩,转子角必须滞后于理想角。反过来,负载将滞后于固件命令的位置。

  有时您会看到它写到,微步降低扭矩。这的真正含义是,当假定滞后角等于一个微步的角度(因为您希望位置精确到一个微步之内)时,较高的微步距意味着较小的滞后角,因此扭矩较小。随着微步距的增加,单位滞后角的扭矩(这才是真正重要的)不会减少。换句话说,将电动机发送一个1/16微步会导致与发送两个1/32微步或四个1/64微步时产生的相电流完全相同(并因此产生相同的力),依此类推。


  尺寸

        有两个相关的大小:Nema大小数字和长度。Nema尺寸号定义了主体的方形尺寸和安装孔的位置。3D打印机最受欢迎的尺寸是Nema 17,它的主体不超过42.3毫米见方,固定孔的侧面为31毫米见方。

  Nema 17电动机的长度不一,从20毫米长的“煎饼”电动机到60毫米长的电动机不等。通常,电动机越长,在额定电流下的保持转矩就越大。较长的步进电机也具有较大的转子惯性。

  Nema 23电动机比Nema 17电动机提供更高的转矩。如果仔细选择Duet 2(WiFi和以太网),则可以驱动它们,尤其是在额定电流方面。寻找约2.8A的额定电流。您应该使用24V电源。


  步距角

共有两种常见的步距角:每整步0.9度和1.8度,分别对应于每转400和200步。大多数3D打印机使用1.8度/步进电机。

  除了步距角明显不同之外:

  0.9deg电机的保持转矩比同一制造商的类似1.8deg电机的保持转矩低

但是,为了产生给定的扭矩,0.9deg电动机所需的滞后角略大于类似1.8deg电动机的滞后角的一半。换句话说,对于较小的滞后角,对于相同的滞后角,0.9deg电动机的扭矩几乎是1.8deg电动机的两倍。

在给定的转速下,0.9度的电机产生的感应反电动势是1.8度的电机的两倍。因此,通常需要使用24V电源以实现0.9deg电动机的高速运转。

0.9度电机需要步进脉冲以1.8度电机两倍的速度传递到驱动器。如果您使用高微步进,那么速度可能会受到电子设备产生步进脉冲的速率的限制。在Duet 2s上使用TMC2660驱动程序的插值模式可以解决此问题。


  电感

电机的电感会影响步进电机驱动器在转矩下降之前可以多快地驱动电机。如果由于旋转而暂时忽略反电动势(请参阅下文),并且电动机的额定电压远小于驱动器电源电压,那么转矩下降之前的最大转速/秒为:

  revs_per_second =(2 *电源电压)/(steps_per_rev * pi *电感*电流)

  如果电动机通过皮带轮驱动GT2皮带,则以mm / sec为单位的最大速度为:

  速度=(4 *皮带轮齿*电源电压)/(steps_per_rev * pi *电感*电流)

  示例:使用12V电源,具有4mH电感的1.8deg / step(即200步/转)电动机在1.5A下运行,并以1.5A运行,并以20毫米皮带轮驱动GT2皮带将开始以大约250mm / sec的速度损失扭矩。这是皮带速度,在CoreXY或增量打印机上与皮带速度不同。

  实际上,由于运动引起的反电动势,并且由于上述原因不允许绕组电阻,因此转矩将比这更快地下降。由于旋转,低电感电动机的反电动势也较低。

  这意味着如果要实现高速,就需要低电感电动机和高电源电压。Duet 2(Wifi或以太网)的最大建议电源电压为25V。


  电阻和额定电压

这些只是每个相的电阻,以及当电动机静止且相通过其额定电流(这是电阻和额定电流的产物)时,每个相上的电压降。除额定电压应远低于步进驱动器的电源电压外,这些都不重要。


  反电动势由于旋转

步进电机旋转时会产生反电动势。在理想的零滞后角处,这与驱动电压异相90度,并且由于电感与反电动势同相。当电动机产生最大转矩并处于跳过步骤的边缘时,它与电流同相。

  数据表通常没有指定由于旋转而产生的反电动势,但我们可以根据以下公式进行估算:

  roximate_peak_back_emf_due_to_rotation = sqrt(2)* pi *额定保持扭矩* revs_per_second /额定电流

  该公式假定以在额定电流下通电的两相来指定保持转矩。如果仅指定一相通电,则将sqrt(2)替换为2。

  示例:考虑一个200步的电动机,该电动机通过20齿皮带轮和GT2皮带驱动托架。每转40mm的运动。为了达到200mm / sec的速度,我们需要5转/秒。如果在两相均以1.68A驱动时使用保持转矩为0.55Nm的电动机,则由于旋转引起的反电动势峰值为1.414 * 3.142 * 0.55 * 5 / 1.68 = 7.3V。

  这个公式有多精确?dc42测量然后计算两种类型的电动机的反电动势:

  17HS19-1684S:测量24V,计算24.24V(假设在额定电流下两相均指定了保持转矩)。JK42HS34-1334A:测量22V,假设保持扭矩为0.22Nm,两相均在额定电流下通电,则计算得出15.93V。也许只用一相通电来指定该电动机的保持转矩,在这种情况下,计算值变为22.53V。在不同的数据表中,我还看到了该电机的保持转矩,为0.26Nm,这将计算值提高到18.05V。


  如何计算所需的电源电压

如果您有打印机的目标行进速度,则可以估算出至少大约需要给电动机驱动器供电的电压。计算方法如下:

  确定您的目标行驶速度。对于此示例,我将使用200mm / sec。根据目标行驶速度,计算出最坏情况下的最大皮带速度。对于笛卡尔打印机,最坏的情况是纯X或Y运动,因此最坏的情况是皮带速度与行进速度相同。对于CoreXY打印机,最坏的情况是对角线运动,相应的皮带速度是sqrt(2)乘以行进速度。对于增量打印机,最坏的情况是在床边缘附近发生径向移动,最坏的情况是皮带速度是行进速度除以tan(theta),其中θ是对角杆与水平方向的最小角度。实际上,由于加速或减速所需的距离,我们无法将目标行进速度用于径向移动直至床身的边缘,因此,当喷嘴距床身边缘约10mm时,将θ作为角度在塔对面。对于我的三角洲,这是30度,通过将皮带速度除以皮带齿距(对于GT2皮带为2mm)和皮带轮上的齿数,得出最大皮带速度下的电动机转速。我的三角洲使用20齿皮带轮,因此每秒的最大转速为346 /(2 * 20)= 8.7。计算出由于电感引起的峰值反电动势。这是revs_per_second * pi * motor_current * motor_inductance * N / 2,其中N是每转的全步数(对于1.8deg的电动机为200,对于0.9deg的电动机为400)。我的电机为0.9度,电感为4.1mH,我通常以1A的电流运行。因此,由于电感引起的反电动势为8.7 * 3.142 * 1.0 * 4.1e-3 * 400/2 = 22.4V。计算出由于旋转引起的近似反电动势。根据前面给出的公式,这是sqrt(2)* pi * rated_holding_torque * revs_per_second / rated_current。我的电动机的额定电流为1.68A,保持转矩为0.44Nm,因此结果为1.414 * 3.142 * 0.44 * 8.7 / 1.68 = 10.1V最好,驱动器电源电压至少应为这两个反电动势之和,再加上几个伏特。如果有两个串联的电动机,则所需的电压将增加一倍。在我的示例中,这提供了32.5V,高于Duet 2的25V建议输入电压。但是至少我们知道,对于最坏情况下的增量移动速度为200mm / sec的移动,如果使用24V电源,则大于理论值的2/3,因此该移动可用的扭矩下降的幅度不应超过常规可用扭矩的1/3。另一方面,显然12V电源不足–这解释了为什么在将打印机升级到24V之前我只能达到150mm / sec的原因。


  一般建议

除非要使用外部步进电机驱动器,否则选择额定电流至少为1.2A的电动机,Duet 0.6和Duet 0.8.5的额定电流为2.0A,Duet 2的额定电流为3A。计划使每个步进电机在其额定电流的50%到85%之间运行。大小:Nema 17是3D打印机中最常用的大小。Nema 14是高齿轮挤出机的替代产品。如果长Nema 17电动机无法获得足够的扭矩,请使用Nema 23电动机。避免使用额定电压(或额定电流和相电阻的乘积)> 4V或电感> 4mH的电动机。在需要更高定位精度的地方选择0.9deg / step电机,例如用于增量打印机的塔式电机。否则,请选择1.8deg / step电机。如果您使用任何0.9deg / step电动机或高转矩电动机,请使用24V电源,以便能够在较高速度下保持转矩。如果使用齿轮传动较大的挤出机(例如,使用柔性驱动电缆将扭矩从电动机传递到蜗杆减速器的挤出机),请使用短的低电感1.8度/步电动机来驱动它。