家庭式3D打印机步进电机驱动的分析.docx

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1、家庭式3D打印机步进电机驱动的分析工业4. 0是德国政府提出的一个高科技战略计划，旨在提升制造 业的智能化水平,建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工 厂。而今年中国政府推出了中国制造2025计划，并确定以智能制 造为主攻方向。在工业4.0战略中，就包括3D打印。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制 造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制 造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。人们所知晓的技术应用 方向包括桌面级别和工业级别,产品细分大到航空航天、汽车，以及建 筑工程，小到珠宝、鞋类、牙科及教育。今天所要讨论的3D打印不单 指向工业级别的应用领

2、域，目前众多家庭生活可以接触的3D产品已 经被外界报道，食物、衣服、鞋子甚至房屋等。本文章将具体阐述3D 打印家庭化的趋势和未来。一、3D打印机技术概述3D打印技术始于1980年的美国，至2015年该技术因可延展性和 创造性被人们所知晓或运用。全球市场研究公司Gartner发布报告 称,2014年全球3D打印市场规模已经达到38亿美元,今年出货量可 达217 350台，增幅高达100%。该机构预测到2018年该市场出货量 将超过230万台，规模可望达到125亿美元。中国政府也将目光对准 这一些新兴领域。工信部在3月份正式发布了国家增材制造产业发 展推进计划（20152016年），文件提出增材制

3、造（即3D打印）产业销 售收入要实现年均增速30%以上的快速增长。所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材 料不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金 属、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料，打印机与电脑连接后,通过电 脑控制可以把打印材料一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成 实物。目前,3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以 可用的材料的方式,并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼 龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、重 金属、橡胶类材料。目前市场上的主流技术为熔融沉积式（FDM）技术, 使用材料为热塑性塑料、共晶系

4、统金属以及可食用材料,基于FDM技 术的3D打印机，根据软件预设的坐标加热纤维并挤压半液态的热塑 性塑料，自下而上逐层打印零件。FDM技术在打印过程中不使用任何 化学物质或粉状物质，不仅环保,还可以便捷被办公室或家庭使用。二、3D打印机内部分析普通3D打印机主要包括三部分，电子部分:系统板、主板、电机 驱动板、加热管、热电偶（或者热敏电阻）、热床;机械部分:步进电机、 支架、同步轮、同步带等;软件部分：固件、上位机程序、烧录软件。 图1为FDM 3D打印机的外观机构图。（1底座,2平台,3穿孔板,4喷嘴,5喷头,6丝材管,7滚轮轴,8打 印材料,9指示灯，10初始化按钮）器械部分作为3D打印的

5、重要部分，电子部分控制其更好地进行 打印操作。而排除老生常谈的主控部分,步进驱动器仍是众多技术人 员的关注点，尤其是作为3D打印机的一部分,步进驱动器还主要控制 打印机主体步进电机。步进驱动是一种能使步进电机运转的功率放大 器，能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移，电机的转 速与脉冲频率成正比,所以控制脉冲频率可以精确调速,控制脉冲数 就可以精确定位。目前,主流的3D打印机都是使用细分驱动技术,采用细分驱动技 术可以大大提高步进电机的步矩分辨率,减小转矩波动,避免低频共 振及降低运行噪声,进而使3D打印机降低噪声。细分驱动技术是一种 电流波形控制技术,其基本思想是控制每相绕组电流的波

6、形,使其阶 梯上升或下降，即在0和最大值之间给出多个稳定的中间状态，定子 磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中间状态,对应于电机转子旋 转的步数增多、步距角减小。其中,V电机转速(R/S), P脉冲频率(Hz) ;。e电机固有步 距角;m细分数。步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响大，电压 越高,步进电机能产生的力矩越大，越有利于需要高速应用的场合(例 如3D打印所需高速环境)，但电机的发热随着电压、电流的增加而加 大,所以要注意电机的温度不能超过最大限值。针对家庭用的3D打印 机,一款适合的驱动可以更好地配合电机，以及平衡噪声及热量。适合3D打印电机驱动的东芝步进电机驱动在国内，

7、仍有部分人对“细分”还不是特别了解,细分不仅是为 了提高精度,其主要是改善电机的运行性能,现说明如下:步进电机的 细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电 机为例,假如电机的额定相电流为3A,如果使用常规驱动器（如常用的 恒流斩波方式）驱动该电机，电机每运行一步,其绕组内的电流将从0 突变为3A或从3A突变到0,相电流的巨大变化,必然会引起电机运行 的振动和噪声。如果使用细分驱动器,在10细分的状态下驱动该电机, 电机每运行一微步,其绕组内的电流变化只有0. 3A而不是3A,且电流 是以正弦曲线规律变化,这样就大大的改善了电机的振动和噪声。由 于细分驱动器要精确控制电机的相

8、电流,所以对驱动器要有相当高的 技术要求和工艺要求,成本亦会较高。所以针对国内很多3D打印机厂 商,一款符合技术要求又保持性价比的产品极其重要。本文主要介绍针对家庭使用的3D打印机,所以无论从精度,还是 从电流以及价格等因素而言，都需要更符合该定位并且能够尽量减小 噪声同时不会有热量负担的芯片。TB62269FTG和TB67sl09FTG/FNG这两款产品由于其电 路搭载匹配度、电流幅度以及性价比等原因，目前均已被国内众多3D 打印机厂商所使用。TB62269FTG与TB67S109FTG/FNG在不同条件下 的电流波形较为类似,TB62269FTG输出电压40V,输出电流1. 8A,而 TB

9、67S109FTG/FNG则具有更高输出电压50V及更高输出电流4A。对于 精度需求较高的3D打印机,TB67S109FTG/FNG是更好的选择。TB62269FTG是一种使用PWM斩波器的二相双极步进电动机驱动 器,采用双扩散金属氧化物半导体工艺制作,额定值为40V/1. 8A,内部 稳压器可用一种独立式VM电源对电动机进行控制。其特点可实现对 单芯片双极步进电动机的驱动控制；属于PWM控制恒定电流驱动；允 许全步,半步和1/4, 1/8, 1/16, 1/32步进分辨率;重量为0. 14g (典型 值)；采用BiCD工艺制作的输出三极管低导通电阻;过热关机(TSD), 过流关机(ISD)

10、;VM电源上电从启(POR);内置调节器使得TB62269FTG 系统只需VM电源即可运行;能够通过外部电阻/电容器定制PWM信号 频率；封装 TB62269FTG: (P-WQFN48-0707-0. 50-003).而TB67S109A是一种配备PWM斩波器的两相双极步进电机驱动器, 内置时钟解码器。其采用BiCD工艺制作,额定值为50V/4. 0A,能够控 制1台双极步进电机;重量0. 10g (典型值)，由PWM控制的恒流驱动， 允许全步、半步、1/4、1/8、1/16、1/32步运行;低导通电阻(高+低 侧=0. 49 (典型值)MOSFET输出级；高效率电机电流控制机构(高级动 态

11、混合衰减)，具有高电压与电流，具有错误检测(TSD/ISD)信号输出 功能;内置错误检测电路热关断(TSD),过电流关断(ISD),以及上电 复位(POR)重量0. 21g (典型值)；内置VCC调节器供内部电路使用，可 通过外电阻与电容自定义电机的斩波频率。当然，系统所有地线都必须沿印刷电路板上的焊接掩模布放,而 且只需在系统外一点接地即可。止匕外,接地方法必须考虑有效散热的 问题。为了避免穿过输出引脚或者与电源或大地发生短路,应特别注 意输出VDD (VM)及GND跟踪的布置。三、结语 针对家庭应用的3D打印已经被许多国内的教育机构采纳，利用 身边的资源亲手参与制作,会使得教育过程变得有趣且生动。近几年 3D技术也逐渐成熟,开源技术的进一步支持也使得3D打印DIY变得 简单。可能在不久的未来,3D打印机会变得/一中国最强免费文秘网！ /像许多年前的微波炉一样被众多家庭使用。