選擇步進電機時的注意事項

時間：2019-11-06 15:50

　　選擇步進電機時的注意事項

　　線數(單極/雙極)

Duet板使用雙極步進電機驅動器。這意味著您可以使用適用于雙極驅動的步進電機，該電機具有4線，6線或8線。您不能使用5線制電機，因為它們只能在單極模式下驅動。(可以通過在電路板上切割走線將某些單極電動機制成雙極電動機。)

　　額定電流

這是您可能同時通過兩個繞組的最大電流。通過一個繞組的最大電流(這在使用微步進時真正重要)很少被引用，并且會更高一些。但是，即使以額定電流驅動一個繞組，電動機也會變得非常熱。因此，通常的做法是將電動機電流設置為不超過額定電流的85%。因此，為了在不使電動機過熱的情況下獲得最大轉矩，應選擇額定電流不超過建議的最大步進驅動器電流高25%的電動機。這給出：

　　Duet 0.6和Duet 0.8.5(建議最大電機電流1.5A)=>步進電機額定電流<= 1.9A

Duet 2 WiFi和Duet 2 Ethernet(最大電機電流2.4A)=>步進電機額定電流<= 3.0A

Duet 2 Maestro(建議的最大電動機電流為1.4A，且風扇散熱良好)=>步進電動機的額定電流<= 1.7A。但是，如果使用額定電流較低(例如1.0至1.2A)和24V電源的電動機，則驅動器將以較低的溫度運行。

　　保持扭矩

這是電動機在開始跳躍步驟之前，兩個繞組都以全電流通電時可以提供的最大轉矩。在額定電流下通電的一個繞組的保持轉矩約為該值的1 / sqrt(2)倍。轉矩與電流成正比(在極低電流下除外)，因此，例如，如果將驅動器設置為電動機額定電流的85%，則最大轉矩將為指定保持轉矩的85%* 0.707 = 60%。

　　當轉子角度與對應于繞組電流的理想角度不同時，就會產生轉矩。當步進電動機加速時，它必須產生轉矩以克服其自身的轉子慣性和所驅動負載的質量。為了產生該轉矩，轉子角必須滯后于理想角。反過來，負載將滯后于固件命令的位置。

　　有時您會看到它寫到，微步降低扭矩。這的真正含義是，當假定滯后角等于一個微步的角度(因為您希望位置精確到一個微步之內)時，較高的微步距意味著較小的滯后角，因此扭矩較小。隨著微步距的增加，單位滯后角的扭矩(這才是真正重要的)不會減少。換句話說，將電動機發送一個1/16微步會導致與發送兩個1/32微步或四個1/64微步時產生的相電流完全相同(并因此產生相同的力)，依此類推。

　　尺寸

有兩個相關的大?。篘ema大小數字和長度。Nema尺寸號定義了主體的方形尺寸和安裝孔的位置。3D打印機最受歡迎的尺寸是Nema 17，它的主體不超過42.3毫米見方，固定孔的側面為31毫米見方。

　　Nema 17電動機的長度不一，從20毫米長的“煎餅”電動機到60毫米長的電動機不等。通常，電動機越長，在額定電流下的保持轉矩就越大。較長的步進電機也具有較大的轉子慣性。

　　Nema 23電動機比Nema 17電動機提供更高的轉矩。如果仔細選擇Duet 2(WiFi和以太網)，則可以驅動它們，尤其是在額定電流方面。尋找約2.8A的額定電流。您應該使用24V電源。

　　步距角

共有兩種常見的步距角：每整步0.9度和1.8度，分別對應于每轉400和200步。大多數3D打印機使用1.8度/步進電機。

　　除了步距角明顯不同之外：

　　0.9deg電機的保持轉矩比同一制造商的類似1.8deg電機的保持轉矩低

但是，為了產生給定的扭矩，0.9deg電動機所需的滯后角略大于類似1.8deg電動機的滯后角的一半。換句話說，對于較小的滯后角，對于相同的滯后角，0.9deg電動機的扭矩幾乎是1.8deg電動機的兩倍。

在給定的轉速下，0.9度的電機產生的感應反電動勢是1.8度的電機的兩倍。因此，通常需要使用24V電源以實現0.9deg電動機的高速運轉。

0.9度電機需要步進脈沖以1.8度電機兩倍的速度傳遞到驅動器。如果您使用高微步進，那么速度可能會受到電子設備產生步進脈沖的速率的限制。在Duet 2s上使用TMC2660驅動程序的插值模式可以解決此問題。

　　電感

電機的電感會影響步進電機驅動器在轉矩下降之前可以多快地驅動電機。如果由于旋轉而暫時忽略反電動勢(請參閱下文)，并且電動機的額定電壓遠小于驅動器電源電壓，那么轉矩下降之前的最大轉速/秒為：

　　revs_per_second =(2 *電源電壓)/(steps_per_rev * pi *電感*電流)

　　如果電動機通過皮帶輪驅動GT2皮帶，則以mm / sec為單位的最大速度為：

　　速度=(4 *皮帶輪齒*電源電壓)/(steps_per_rev * pi *電感*電流)

　　示例：使用12V電源，具有4mH電感的1.8deg / step(即200步/轉)電動機在1.5A下運行，并以1.5A運行，并以20毫米皮帶輪驅動GT2皮帶將開始以大約250mm / sec的速度損失扭矩。這是皮帶速度，在CoreXY或增量打印機上與皮帶速度不同。

　　實際上，由于運動引起的反電動勢，并且由于上述原因不允許繞組電阻，因此轉矩將比這更快地下降。由于旋轉，低電感電動機的反電動勢也較低。

　　這意味著如果要實現高速，就需要低電感電動機和高電源電壓。Duet 2(Wifi或以太網)的最大建議電源電壓為25V。

　　電阻和額定電壓

這些只是每個相的電阻，以及當電動機靜止且相通過其額定電流(這是電阻和額定電流的產物)時，每個相上的電壓降。除額定電壓應遠低于步進驅動器的電源電壓外，這些都不重要。

　　反電動勢由于旋轉

步進電機旋轉時會產生反電動勢。在理想的零滯后角處，這與驅動電壓異相90度，并且由于電感與反電動勢同相。當電動機產生最大轉矩并處于跳過步驟的邊緣時，它與電流同相。

　　數據表通常沒有指定由于旋轉而產生的反電動勢，但我們可以根據以下公式進行估算：

　　roximate_peak_back_emf_due_to_rotation = sqrt(2)* pi *額定保持扭矩* revs_per_second /額定電流

　　該公式假定以在額定電流下通電的兩相來指定保持轉矩。如果僅指定一相通電，則將sqrt(2)替換為2。

　　示例：考慮一個200步的電動機，該電動機通過20齒皮帶輪和GT2皮帶驅動托架。每轉40mm的運動。為了達到200mm / sec的速度，我們需要5轉/秒。如果在兩相均以1.68A驅動時使用保持轉矩為0.55Nm的電動機，則由于旋轉引起的反電動勢峰值為1.414 * 3.142 * 0.55 * 5 / 1.68 = 7.3V。

　　這個公式有多精確?dc42測量然后計算兩種類型的電動機的反電動勢：

　　17HS19-1684S：測量24V，計算24.24V(假設在額定電流下兩相均指定了保持轉矩)。JK42HS34-1334A：測量22V，假設保持扭矩為0.22Nm，兩相均在額定電流下通電，則計算得出15.93V。也許只用一相通電來指定該電動機的保持轉矩，在這種情況下，計算值變為22.53V。在不同的數據表中，我還看到了該電機的保持轉矩，為0.26Nm，這將計算值提高到18.05V。

　　如何計算所需的電源電壓

如果您有打印機的目標行進速度，則可以估算出至少大約需要給電動機驅動器供電的電壓。計算方法如下：

　　確定您的目標行駛速度。對于此示例，我將使用200mm / sec。根據目標行駛速度，計算出最壞情況下的最大皮帶速度。對于笛卡爾打印機，最壞的情況是純X或Y運動，因此最壞的情況是皮帶速度與行進速度相同。對于CoreXY打印機，最壞的情況是對角線運動，相應的皮帶速度是sqrt(2)乘以行進速度。對于增量打印機，最壞的情況是在床邊緣附近發生徑向移動，最壞的情況是皮帶速度是行進速度除以tan(theta)，其中θ是對角桿與水平方向的最小角度。實際上，由于加速或減速所需的距離，我們無法將目標行進速度用于徑向移動直至床身的邊緣，因此，當噴嘴距床身邊緣約10mm時，將θ作為角度在塔對面。對于我的三角洲，這是30度，通過將皮帶速度除以皮帶齒距(對于GT2皮帶為2mm)和皮帶輪上的齒數，得出最大皮帶速度下的電動機轉速。我的三角洲使用20齒皮帶輪，因此每秒的最大轉速為346 /(2 * 20)= 8.7。計算出由于電感引起的峰值反電動勢。這是revs_per_second * pi * motor_current * motor_inductance * N / 2，其中N是每轉的全步數(對于1.8deg的電動機為200，對于0.9deg的電動機為400)。我的電機為0.9度，電感為4.1mH，我通常以1A的電流運行。因此，由于電感引起的反電動勢為8.7 * 3.142 * 1.0 * 4.1e-3 * 400/2 = 22.4V。計算出由于旋轉引起的近似反電動勢。根據前面給出的公式，這是sqrt(2)* pi * rated_holding_torque * revs_per_second / rated_current。我的電動機的額定電流為1.68A，保持轉矩為0.44Nm，因此結果為1.414 * 3.142 * 0.44 * 8.7 / 1.68 = 10.1V最好，驅動器電源電壓至少應為這兩個反電動勢之和，再加上幾個伏特。如果有兩個串聯的電動機，則所需的電壓將增加一倍。在我的示例中，這提供了32.5V，高于Duet 2的25V建議輸入電壓。但是至少我們知道，對于最壞情況下的增量移動速度為200mm / sec的移動，如果使用24V電源，則大于理論值的2/3，因此該移動可用的扭矩下降的幅度不應超過常規可用扭矩的1/3。另一方面，顯然12V電源不足–這解釋了為什么在將打印機升級到24V之前我只能達到150mm / sec的原因。

　　一般建議

除非要使用外部步進電機驅動器，否則選擇額定電流至少為1.2A的電動機，Duet 0.6和Duet 0.8.5的額定電流為2.0A，Duet 2的額定電流為3A。計劃使每個步進電機在其額定電流的50%到85%之間運行。大?。篘ema 17是3D打印機中最常用的大小。Nema 14是高齒輪擠出機的替代產品。如果長Nema 17電動機無法獲得足夠的扭矩，請使用Nema 23電動機。避免使用額定電壓(或額定電流和相電阻的乘積)> 4V或電感> 4mH的電動機。在需要更高定位精度的地方選擇0.9deg / step電機，例如用于增量打印機的塔式電機。否則，請選擇1.8deg / step電機。如果您使用任何0.9deg / step電動機或高轉矩電動機，請使用24V電源，以便能夠在較高速度下保持轉矩。如果使用齒輪傳動較大的擠出機(例如，使用柔性驅動電纜將扭矩從電動機傳遞到蝸桿減速器的擠出機)，請使用短的低電感1.8度/步電動機來驅動它。