3D打印机组装与调试 课件 第8讲 3D打印机的电源和步进电机

3D打印机的电源和步进电机授课教师：陈金英3D打印机组装与调试3D打印机的电源3D打印机的步进电机思考题0102033D打印机组装与调试3D打印机的电源大部分3D打印机都使用12V直流电源，电流在5～30A。3D打印机的步进电动机和挤出头电流在5A左右，加热床大多在5～15A台标准配置的3D打印机，总电流大约在18～30A，功率大约为360W。可以根据需要选择不同形式的电源。3D打印机的电源3D打印机的电源计算机主机电源1计算机主机电源国外3D打印机爱好者广泛使用计算机主机电源，作为3D打印机的供电电源。有些3D打印机控制板可以直接连接计算机主机电源，需要把电源的接口剪断自行接线。市场上，计算机主机电源的质量参差不齐，有些可以提供过载保护功，有些却不能，甚至很多不能给3D打印机提供稳定的电源供应。计算机主机电源，不仅可以提供12V，还可以提供3.3V、5V，所以计算机的主机电源，功率选择最好在400W以上，并检查12V电压下输出电流的能力。

服务器电源虽然仅提供12V电压，但是却能提供非常大的电流，且价格低廉。服务器电源一般都是直接插到机架系统上，可自行改装接口。服务器电源3D打印机的电源服务器电源23D打印机还可以使用服务器电源移动电源可以提供12V、240W的电力，给3D打印机供电非常方便。DIY爱好者经常选择DEL12V笔记本电源或者XBOX360电源，当功率过载时这些电源还可以提供过载保护功能，自动切断电源。3D打印机的电源移动电源3移动电源XBOX360电源常见的OEM电源具有LED灯带电源和工业上数控机床电源，能够提供12V或者24V的输出电压，并且提供较大的输出功率。3D打印机的电源OEM电源4LED灯带电源价格低廉，广泛应用到3D打印机中；由于价格低廉，其接线简单，所以不能提供可靠的保障。数控机床电源体积小巧、可靠性高、生产工艺严格。价格昂贵，爱好者对数控机床电源只能望而却步。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的开环控制电动机。因此，步进电动机又称脉冲电动机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件。通过电流脉冲来精确控制转动量的电动机，电流脉冲是由电机驱动单元供给的。3D打印机的步进电机步进电机定义与结构形式1每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。步进电机与其它电机的最大区别是，它接收数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，是一个完成数字模式转化的执行元件。是开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个位置增量，与传统的直流控制系统相比，成本降低，几乎不必进行系统调整。步进电机的角位移量与输入的脉冲个数成正比，且在时间上与脉冲同步。所以只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需的转角、速度和方向。3D打印机的步进电机步进电机定义与结构形式1步进电机内部结构与工作原理视频3D打印机的步进电机步进电机定义与结构形式1反应式步进电机步进电机结构形式的主要分类永磁式步进电机混合式步进电机单相步进电机我国多数采用反应式步进电机步进电机是整个3D打印机的动力来源，它的质量对于3D打印机的工作状态是非常关键的。不同品牌的步进电机，质量差异很大。优质的步进电机，工作噪声小，发热量小，运行平滑稳定，转矩也足够大。3D打印机的步进电机步进电机类型与主要参数23D打印机常用的步进电机类型为42型步进电机。一些3D打印机使用37型步进电机或其他型号的步进电机。一Reprap系列二MendelPrusa系列三Makerbot和Ultimake四KosselMini系列常用42型步进电机的几个系列3D打印机的步进电机步进电机类型与主要参数2思考问题：42型、37型、57步型进电机的外形尺寸有什么区别？3D打印机的步进电机步进电机类型与主要参数2电机转速与停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步距角1常见的步距角有三种，分别是0.9°，1.8°和7.5°。这三种步距角对应步进电机每旋转一周（360°），需要的脉冲信号个数分别为400个、200个以及48个。如对于步距角为1.8度的步进电机（小电机），转一圈所用的脉冲数为n=360/1.8=200个脉冲。步距角的误差不会长期积累，只与输入脉冲信号数相对应。为了3D打印机打印得更精确，选用小的步距角，甚至使用0.9°步距角的步进电动机，使得打印更平稳，转矩更大，精度更高。其缺点是最大转速降低了。3D打印机的步进电机3D打印机的步进电机极数2单极步进电动机有两组线圈，而每组线圈中间多接出一根引线，改变每一组线圈的磁极方向。单级步进电动机只使用了一半的线圈，在同等体积的情况下没有双极步进电动机转矩大。单极步进电动机大部分有5根或6根引线，双极步进电动机有4根或8根引线。电机的极数确定电机的同步转速。所谓极就是发电机转子在转子线圈通入励磁电流之后形成的磁极。就是转子每转一圈在定子线圈的一匝中能感应形成几个周期电流不同的极数。电机的极对数越多，电机的转速就越低，扭矩就越大。Reprap3D打印机单双极都能用，使用双极步进电动机的比较多。双极步进电动机内部有两组独立的线圈，每组线圈都需要单独的驱动电路，需要依靠驱动电路改变电流的方向，进而改变磁极方向，驱动电路相对简单。3D打印机的步进电机细分3步进细分数细分是通过控制各相绕组中的电流，使它们按一定的规律上升或下降，即在零电流到最大电流之间形成多个稳定的中间电流状态，相应的合成磁场矢量的方向将存在多个稳定的中间状态，且按细分步距旋转。合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，合成磁场矢量的方向决定了细分后步距角的大小。细分驱动技术进一步提高了步进电机转角精度和运行平稳性。3D打印机的步进电机细分3步进电动机驱动大负载，大摩擦力，或者高速往复运动，细分数高于二分之一步进角时，却不能提高步进电动机的定位精度，而在小负载时却能很好地提高定位精度。驱动电路的主芯片，通常具有驱动细分功能，常见的有1/2、1/4、1/16等。如果是1/16细分，其代表的含义是原来一个脉冲可以控制电机转动一个步距角，现在需要16个脉冲电机才能转动一个步距角。如果选择的步距角是1.8°，那么电机旋转一周就需要200*16（3200）个脉冲信号。Ramps1.4的板子，使用A4988电机驱动器。每个驱动板都插上3个跳线帽，则是16细分，已用蓝色标出。Ramps1.4的板子跳线帽是主板、硬盘等硬件上的小的方形塑料帽。包裹着绝缘层的导线，外层是绝缘塑料，内层是导电材料，可插在跳线针上面，将两根跳线针连接起来。GT2560主控板的跳线帽3D打印机的步进电机主板跳线是主机板上的手动开关，通过跳线帽连接不同的跳线PIN，可以改变主板电路；主板上最常见的跳线主要有两种，一种是只有两根针，另一部分是跳线帽；跳线帽是一个可以活动的部件，外层是绝缘塑料，内层是导电材料，可以插在跳线针上面，将两根跳线针连接起来；当跳线帽扣在两根跳线针上时是接通状态，有电流通过称之为ON；反之不扣上跳线帽时，说明是断开的称之为OFF。3D打印机的步进电机跳线帽的作用如下步进电动机不像直流减速电动机、直流伺服电动机那样可以提供大转矩和保持力矩，却可以简单精确地控制移动距离。直流减速电动机、直流伺服电动机实现精确地控制移动距离，需要复杂的闭环控制系统和驱动电路。3D打印机的步进电机步进电动机保持转矩4最早设计的Mendel3D打印机，X、Y、Z轴步进电动机需要13.7N.cm的保持转矩，才能避免转矩不足，产生的丢步问题。使用更小转矩的步进电动机，会使得3D打印机的设计更精密，摩擦力更小。多数开源设计的3D打印机并不要求步进电动机的保持转矩。在3D打印机设计中，保持转矩越大越可靠，同样也增加了3D打印机重量和体积。行星齿轮减速视频3D打印机的步进电机尺寸5步进电动机的长度代表其功率和转矩大小，长度越长其功率、转矩越大。常见的长度为37mm、42mm、57mm。3D打印机常使用的步进电机的尺寸，大多是42型步进电动机，其宽和高均为42mm。有些3D打印机使用37型步进电动机，其宽和高均为37mm，与42型步进电机相比更轻便、简洁。37型步进电动机通常需要以极限转矩运行，使得步进电动机的表面温度提高，甚至发烫。3D打印机的步进电机接线64线步进电动机有两组线圈，每组都有两根引线，使用万用表测量任意两根引线，连通的为同一线圏，找到两组线圈接入步进电动机驱动。如果发现步进电动机运行方向相反，则调换任意同一线圈的两根引线。另一种方法：把步进电动机任意两根引线短接，转动主轴有困难时则说明两根引线为同一线圈。电机线圈的检测方法开源系列3D打印机控制板一般适用4线、6线、8线步进电动机，而5线步进电动机并不支持。步进电机接线时需要按照步进电机说明书接线，也可以使用万用表进行测量。3D打印机的步进电机6线步进电动机同样有两组线圈，而每一组线圈中间多接一根引线，使用万用表测量任意两根线之间的电阻，找到电阻最大的两组接入步进电动机驱动。6线步进电动机也可以看作4组线圈，每相的两组线圈各一根引线接到一起，使用时可以单独使用不同相的两组线圈，也可以把两组线圈分别串联使用。电机线圈的检测方法3D打印机的步进电机8线步进电动机有A、B两相，4组线圈(A相两组线圈，B相两组线圈)。用万用表测量8根引线之间的电阻，找到四组线圈引线，任意两组线圈接入步进电动机驱动。如果步进电动机可以正常运转，代表两组线圈不在同一相上；如果步进电动机不能转动，证明这两组线圈属于同相线圈。接下来将剩下两组线圈任意一组串联到A相线圈，如果步进电动机转动，证明为A相另一组线圈；如果步进电动机不转动，将这组线图正负对调后再试一次；如果步进电动机还不转动，证明此组为B相另一组线圈，同样用上面的方法找到最后一组极性。电机线圈的检测方法3D打印机的步进电机8线步进电动机中可以把两相四线线圈中每相任意一组线圈单独使用，也可以把每一相线圈并联或者串联使用。两相线圈分别串联时(低速接法)，每相的总电阻增加，发热减小，在低速运动时，电动机转矩增大，但由于串联使得每相电感较高，转速升高时力矩下降很快，电动机高速性能不好，需要调节驱动器驱动电流为电动机相电流的70％。两相线圈分别并联时(高速接法)，每相的总电阻减少，电感减小，转速升高，力矩下降较弱，电动机高速性能好，而低速转矩却降低了很多，需要调节驱动器驱动电流为电动机相电流的1.4倍，因而发热较大。电机线圈的检测方法步进电动机温度过高会使电动机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失步。一般磁性材料退磁点都在130°C以上，有的甚至达到200℃以上，所以步进电动机外面温度在80～90°C完全正常。3D打印机的步进电机温度7多数3D打印机的电动机座材料是PLA或者ABS。PLA在60°C左右就会软化变形，ABS在110°C开始软化，使用PLA、ABS作为固定电动机座材料时温度定不能超过材料的软化温度。温度过高时可以在步进电动机表面增加风扇主动散热，可降低步进电动机的功率来降低温度。根据公式P＝I