静音、防抖动驱动TMC2130/TMC2208在3D打印机中的应用

TRINAMIC静音步进驱动芯片TMC2130/TMC2208在3D打印机中的应用

因为是通过精确控制和准确度进行操作，所以3D打印机一般采用步进电机。步进电机高水平的精度控制特点保证3D打印机可以停止和扭转方向非常精确，确保的产品快速原型设计。

通过读取3D电脑文件，并使用它来进行一系列的横截面切片的产品原料与步进电机的工作三维打印机。 后的横截面切片制成的三维打印机，然后打印在另一个的顶部每个切片来创建3D对象。保证快速成型机的优点。

快速原型具有许多公知的优点。现在，学校，学院，企业可以投资在一个专用的3D打印机，以帮助削减其简单的工作外包的成本。此外，如设计师和工程师的专业人士都能够使用3D打印机提供的快速成型技术生产其设计的廉价的原型之前，他们投资于专业化和昂贵的机型。

步进电机是3D打印机中主要的驱动部件，步进电机的性能直接会影响到打印机的性能和最终打印出来物品的品质。

传统的步进电机的驱动器都会存在噪音比较大，很不适合桌面型设备的用户体验感，另外一个问题就是常规的步进电机的驱动器会存在抖动问题 特别是在低速情况下，抖动通过同步带反应到最终打印的质量上会出现断层现象。步进电机的稳定性与运行精度直接影响到3D打印机的性能。

常规步进电机的驱动都无法解决噪音和抖动问题

分析原因如下

步进电机的震动主要来自两个方面一是步进电机的步距分辨率(步距阶跃)另一方面是来自斩波和脉宽调制(PWM)的不良模式反应.

当然步进电机的步距角和细分会影响到电机的震动，但是本文中我们不谈细分和电机步距角的因素，因为这两个因素无法彻底解决步进电机的震动，只是改善。

斩波和PWM模式

噪音和振动的另外一个来源是传统的斩波方式和脉宽调制(PWM)模式,由于比较粗的步距分辨率是产生振动和噪音的主要因素,我们通常忽视了斩波和PWM带来的问题.

传统的恒定PWM斩波模式是电流控制的PWM斩波模式,该模式在快速衰减和慢速衰减之间有个固定关系,在其最大数值的时候,电流才会达到规定的目标电流,最终导致平均电流是小于预期目标电流的。

在一个完整的电周期内,电流方向改变时 在正弦波过零处有个平稳过渡期,这个会影响在很短的过渡期内线圈里面的电流为零,也就是电机此时根本就没有力矩,这就导致了电机摆动和振动,尤其是在低速情况下.

相比恒定的斩波模式,TRINAMIC的SpreadCycle PWM斩波模式在慢速和快速衰减器之间自动配置一个磁滞衰减功能.平均电流反应了配置的正常电流,在正弦的过零点不会出现过渡期,这就减少电流和力矩的波动,是电流波形更加接近正弦波,相比传统恒定斩波模式,SpreadCycle PWM斩波模式控制下的电机运行得要平稳、平滑很多.

这一点在电机从静止或低速到中速过程中非常重要.

传统步进电机驱动方案在电流过零点的时候都会出现一个电流过度，或者叫电流死区，此时电机线圈是没有电流的。这是导致电机震动的一个主要因素。

Trinamic是嵌入式电机和运动控制领域的全球领导者。主要产品包括专用运动控制集成芯片，智能电机驱动器和嵌入式微系统。Trinamic的工程师拥有数十年的经验，擅长解决现实问题，致力于为3D打印，桌面制造，医疗设备，实验室自动化和监控摄像头等领域设计解决方案。trinamic开发出了一项专利技术spreadcycle保证步进电机在过零点时平滑过渡没有死区电流，使用其TMC2100，TMC2130，TMC2208几款步进电机驱动芯片几乎没有抖动。下面视频是对其技术的分析

视频

如何使步进电机实现完全的静音?

尽管高细分能解决大部分情况下的低频震动;先进的电流控制PWM斩波模式比如TRINAMIC的SpreadCycle算法,这些在硬件上的作用很大程度上减少震动和颤动,这也满足了大部分的应用,也适合高速运动.但是基于电流控制的斩波模式,还是会存在可听得见的噪音和振动,主要是由于电机线圈的不同步,检测电阻上几毫伏的调节噪音和PWM时基误差,这些噪音和振动在一些高端应用场合也是不被允许的,缓慢运行或中速运动的应用,以及任何不允许有噪音和场合.

StealthChop模式下过零点的效果是非常完美的:当电流的信号从正变为负或者负变为正,不会有过渡区域而是持续性的穿过零点.因为电流的调制是根据PWM占空比来控制的.在50%的PWM占空比,电流是0,StealthChop调整PWM的占空比来调节电机电流,PWM频率是个常数,与此相反 电流控制的斩波器通过调控频率实现调节电机电流,在这里 电流的波动是比较大的,此外电流的波动会在电机的永磁体转子里产生涡流,这会导致电机的功耗损失.

这些频率变化着的PWM发出的声音是在可听范围之内的,会发出嘶嘶的声音,而且电子定子会由于磁致伸缩产生更大的噪音,进而会传递引起机械系统的震动.而StealthChop的固定斩波频率就不会有这些问题.没有斩波频率的变化 除了电机运行时候微步相序分配器的变化.

TRINAMIC的StealthChop算法也是通过硬件来实现的,从根本上使步进电机静音,但是Stealthchop功能如何影响了步进电机?为什么电机不会出现噪音和震动?Stealthchop采用一种与基于电流反馈电压调制模式如SpeadCycle完全不同的方法.而是采用基于电压斩波模式一种新技术,该技术保证了电机的静音和平稳平滑运动.

TMC5130-一款小体积,精巧的步进电机驱动控制芯片,带有StealthChop模式.TRINAMIC改进了调制模式.为了最大限度降低电流波动对动态性能的影响,TMC5130采用基于电流反馈来控制电压调制,这允许系统自适应电机的参数和运行电压.来自直接电流控制回路算法引起的微小震荡被消除.

图10和图11显示 电压控制模式的Stealthchop 和电流控制模式的SpreadCycle

除了电机轴承钢球磨擦的声音,这是无法避免的之外,StealthChop可以驱动电机工作在极度的精音下,可以实现控制电机声音在10dB分贝以下,噪音大大低于传统的电流控制方式.我们从物理中得知 3dB分贝的减少量会将噪音程度降低一半. 以下视频为TRINAMIC产品TMC2100和A4988性能对比

对步进电机来说改变了什么?

如今步进电机还是一种十分经济的电机,已经被应用了很多年,依旧采用和原来一样的材料,一样的生产工序和装配工艺.

但是相比过去,如今步进电机被更简单的控制单元驱动,更先进的算法和更高度集成的微电子是原来的电机发挥出更大的潜能.在接近电机的驱动电路中更多的信息被获取和处理并实时在驱动电流里被处理以优化电机控制,StealthChop便是一个完美的例子它的算法和PWM斩波紧密联系,此外这些信息还可以反馈到更高的应用控制层,而传统的步进驱动方案都是单向的(脉冲/方向),所有TRINAMIC的智能步进电机驱动方案都是双向通讯,这些接口还可以监测不同状态、诊断信息.这可以增加系统的可靠性,提供系统的性能.

StealthChop静音驱动技术非常适合3D打印、桌面型CNC、高端的CCTV、体外诊断设备、医疗检测设备等对噪音要求敏感的场合.

下面图为没有使用和使用垂那美TRINAMIC静音防抖动芯片的打印机效果：

未使用垂那美TRINAMIC静音、防抖动芯片

采用了TMC2100/TMC2130/TMC2208带静音、防抖动芯片