Sterownik silnika krokowego w drukarkach 3D. Co to jest i jak wygląda schemat połączeń.

Rola sterownika silnika krokowego w drukarce 3D

Sterownik silnika krokowego to urządzenie, które odpowiada za interpretację sygnałów wysyłanych z płyty głównej drukarki 3D i przekłada je na odpowiednie impulsy zasilające dla silnika krokowego. To właśnie dzięki sterownikowi silnik może precyzyjnie wykonywać ruchy niezbędne do poprawnego druku. Sterownik zarządza zarówno kierunkiem, jak i prędkością obrotu silnika, co zapewnia odpowiednią precyzję wydruku. Dodatkowo sterowniki nie tylko sterują pracą silnika, ale także zbierają dane zwrotne na temat jego działania, co pozwala na lepszą kontrolę i optymalizację ruchu.

Przykładowe sterowniki silników krokowych w drukarkach 3D

W artykule przedstawiamy przykładowe funkcje dla wybranych sterowników silników krokowych, takich jak TMC2209 i TMC5160, aby porównać ich parametry i funkcjonalności. Celem jest zaprezentowanie różnic pomiędzy tymi dwoma modelami, które mogą być stosowane w różnych scenariuszach w zależności od wymagań drukarki 3D.

TMC2209

TMC2209 to jeden z najpopularniejszych sterowników stosowanych w drukarkach 3D, szczególnie ceniony za swoją niską emisję hałasu oraz wysoką wydajność. Dzięki technologii StealthChop2, TMC2209 oferuje wyjątkowo cichą pracę, co sprawia, że jest idealnym wyborem do zastosowań w domowych warunkach, gdzie niski poziom hałasu jest istotny. Jest to sterownik oparty na technologii SpreadCycle, który zapewnia stabilność i precyzję w regulowaniu momentu obrotowego, szczególnie przy wyższych prędkościach pracy. TMC2209 jest także w stanie dynamicznie dostosować prąd zasilania do warunków pracy, co poprawia efektywność energetyczną i zmniejsza zużycie energii. Maksymalne napięcie zasilania tego sterownika wynosi 24 V, a prąd silnika można regulować w zakresie do 2,8 A (peak) lub 2 A (RMS). Dzięki tym parametrom, TMC2209 sprawdza się w większości typowych drukarek 3D, zarówno przy standardowych, jak i bardziej wymagających projektach.

TMC5160

TMC5160 to bardziej zaawansowany sterownik przeznaczony do drukarek 3D, które wymagają większej mocy i precyzyjnego sterowania silnikami krokowymi. Obsługuje wyższe napięcia, aż do 60 V, co pozwala na zastosowanie silników o wyższym momencie obrotowym, co może być kluczowe przy pracy z większymi konstrukcjami lub drukowaniem w wyższych prędkościach. TMC5160 może również obsługiwać większe obciążenia, co czyni go idealnym rozwiązaniem w przypadku bardziej wymagających aplikacji. Prąd wyjściowy tego sterownika to 4,3 A (peak) lub 3 A (RMS), co pozwala na stosowanie silników o wyższej mocy, co z kolei umożliwia uzyskanie lepszej wydajności podczas drukowania. TMC5160 wyposażony jest również w zaawansowane funkcje, które pomagają w kontroli i zarządzaniu pracą silnika, zapewniając stabilność i precyzyjność przy większych obciążeniach. Sterowniki TMC5160 są w stanie dostarczyć prąd do 10 A, jak w wersji TMC5160 Plus, jednak wymagają wtedy mocniejszego chłodzenia, aby zapobiec przegrzaniu i zapewnić ich długotrwałą, stabilną pracę przy wysokich prądach.

Funkcje sterowników silników krokowych

StealthChop2

Jest to technologia, która minimalizuje hałas generowany przez silnik krokowy, dzięki czemu praca drukarki 3D staje się znacznie cichsza. StealthChop2 działa poprzez precyzyjne sterowanie prądem, co skutkuje płynniejszymi ruchami silnika i redukcją drgań, co jest szczególnie ważne w domowych warunkach, gdzie poziom hałasu może być niepożądany. W przypadku TMC2209 jest to kluczowa funkcjonalność, dzięki której drukarki 3D działają cicho i płynnie.

SpreadCycle

Technologia SpreadCycle jest szczególnie ceniona w sterownikach takich jak TMC2209 i TMC5160. Umożliwia precyzyjne sterowanie momentem obrotowym, szczególnie przy wyższych prędkościach, co jest istotne w zapewnieniu stabilności druku. SpreadCycle działa poprzez precyzyjne rozkładanie prądu w czasie, co zmniejsza ryzyko utraty kroków, poprawiając tym samym jakość wydruku i precyzję pracy. Jest to idealne rozwiązanie, gdy drukarka 3D wymaga stabilności i większej kontroli nad momentem obrotowym.

Sensorless Homing

Funkcja sensorless homing pozwala na wykrywanie pozycji krańcowych bez używania mechanicznych czujników. Dzięki tej funkcji, sterowniki takie jak TMC2209 potrafią wykrywać moment, w którym silnik dotyka ogranicznika (np. krańca osi), bez konieczności posiadania dodatkowych czujników. Funkcja ta jest realizowana poprzez monitorowanie zmian w natężeniu prądu w silniku. Gdy silnik napotyka opór (np. podczas osiągania krańca osi), zmienia się wartość prądu, co umożliwia sterownikowi wykrycie tej sytuacji i automatyczne zatrzymanie silnika.

StallGuard2 (TMC5160)

Funkcja StallGuard2 jest zaawansowaną wersją systemu sensorless homing. Pozwala ona na precyzyjne wykrywanie obciążenia silnika, co może być wykorzystywane do diagnozowania problemów z ruchem (np. zbyt duże opory), a także do automatycznego dostosowywania prądu silnika, aby uniknąć zatrzymywania się silnika lub zgubienia kroków. StallGuard2 może również pomóc w precyzyjnej kalibracji i optymalizacji pracy silników w drukarkach 3D. Dodatkowo, funkcja ta jest wykorzystywana jako system wykrywania kolizji (tzw. crash detect). Może to być przydatne, gdy np. model się odklei, a dysza uderzy w niego. W takim przypadku StallGuard2 wykrywa nagły wzrost oporu i natychmiastowo reaguje, co pozwala zapobiec uszkodzeniom drukarki oraz poprawić bezpieczeństwo całego procesu druku.

CoolStep (TMC5160)

Technologia CoolStep jest przeznaczona do dynamicznego zarządzania prądem silnika w czasie rzeczywistym, co pozwala na optymalizację efektywności energetycznej. Dzięki tej funkcji, sterownik może automatycznie obniżać prąd dostarczany do silnika w momentach, gdy jego pełna moc nie jest wymagana, co zmniejsza zużycie energii oraz nagrzewanie się komponentów sterownika. Jest to szczególnie ważne w kontekście długotrwałej pracy drukarki, gdzie oszczędność energii i zmniejszenie ciepła mogą znacząco wpłynąć na jej stabilność i trwałość.

Ochrona przed przegrzaniem i przeciążeniem

Większość nowoczesnych sterowników, w tym TMC2209 i TMC5160, posiada wbudowany czujnik temperatury, który monitoruje stan termiczny układu. W przypadku przegrzania sterownika, funkcja ta najpierw wysyła ostrzeżenie, a jeśli temperatura nadal rośnie, sterownik automatycznie zmniejsza prąd lub wyłącza się, aby zapobiec uszkodzeniu komponentów. Ochrona termiczna to kluczowy element zapewniający długotrwałą stabilność pracy urządzenia.

Zastosowanie sterowników, takich jak TMC2209 i TMC5160, zależy od oczekiwań drukarki 3D i jej wymagań. Wybór sterownika będzie zależał od takich czynników jak poziom hałasu, moc, precyzja, a także dodatkowe funkcje, takie jak ochrona termiczna czy zarządzanie prądem. TMC2209 będzie świetnym wyborem dla użytkowników szukających cichej pracy i mniejszych wymagań, podczas gdy TMC5160 sprawdzi się w bardziej zaawansowanych zastosowaniach, które wymagają większej mocy, precyzji oraz efektywności energetycznej. Każdy sterownik oferuje różne funkcje, które pozwalają na dostosowanie do indywidualnych potrzeb i budżetu użytkownika.

Jak podłączyć sterownik do płyty głównej oraz schemat sterownika

PIN	Funkcja	Podłaczenie
VIO	Zasilanie logiki sterownika. Umożliwia działanie układów cyfrowych, takich jak mikroprocesor, który zarządza komunikacją z płytą główną.	Podłącz do pinu 3.3V lub 5V na płycie głównej, w zależności od wymagań.
VM	Zasilanie silników krokowych. Napięcie na tym pinie dostarcza energię do silników. Zazwyczaj jest to napięcie 12V lub 24V.	Podłącz do pinu zasilania silników na płycie głównej (zwykle 12V lub 24V, w zależności od konfiguracji).
GND	Pin masy dla zasilania sterownika. Łączy wspólną masę układów, zapewniając odpowiednią referencję napięcia.	Podłącz do GND na płycie głównej.
SCK	Odpowiada za przesyłanie sygnału zegarowego w komunikacji SPI. Służy do synchronizacji transmisji danych pomiędzy sterownikiem a płytą główną.	Podłącz do pinu SCK na płycie głównej.
MISO	Linia do przesyłania danych z sterownika do płyty głównej. Jest to linia komunikacyjna SPI, która umożliwia odczyt danych z sterownika.	Podłącz do pinu MISO na płycie głównej.
MOSI	Linia do przesyłania danych z płyty głównej do sterownika. Służy do wysyłania komend i ustawień do sterownika.	Podłącz do pinu MOSI na płycie głównej.
CS	Używany do wyboru sterownika, z którym płytka główna ma komunikować się w ramach interfejsu SPI. Kiedy ten pin jest aktywny, sterownik TMC5160 jest wybrany do komunikacji.	Podłącz do pinu CS na płycie głównej.
ENABLE	Umożliwia włączenie lub wyłączenie sterownika. Może być używany do oszczędzania energii lub do zarządzania aktywnością sterownika w systemie.	Podłącz do pinu ENABLE na płycie głównej.
A1, A2, B1, B2	Wyjścia dla silnika krokowego. Każdy pin steruje jednym z cewek silnika krokowego. Piny A1, A2 odpowiadają za pierwszą cewkę, a B1, B2 za drugą.	Podłącz do odpowiednich przewodów silnika krokowego.
STEP	Pin STEP służy do przesyłania impulsów krokowych do sterownika, które determinują, jak daleko ma przesunąć się silnik. Każdy impuls na tym pinie powoduje jeden “krok” silnika.	Podłączony do pinu STEP na płycie głównej, który wysyła impulsy krokowe do sterownika TMC5160.
DIR	Pin DIR określa kierunek obrotu silnika krokowego. W zależności od stanu logicznego (wysoki lub niski), ten pin ustawia kierunek ruchu silnika.	Podłączony do pinu DIR na płycie głównej, który wysyła sygnał kierunku do sterownika TMC5160.

Wybór pinów w zależności od trybu pracy:

• SPI: Piny SCK, MISO, MOSI, CS oraz inne piny do komunikacji są wykorzystywane w trybie SPI, który umożliwia szybką wymianę danych z płytą główną.
• UART: W trybie UART, inne piny (np. TX/RX) są wykorzystywane do komunikacji szeregowej z płytą główną.
• STEP: W trybie STEP, używa się pinów STEP i DIR do sterowania ruchem silnika bezpośrednio, a komunikacja z płytą główną jest uproszczona.

Konfiguracja sterowników w oprogramowaniu: Marlin i Klipper

Sterowniki silników krokowych są również konfigurowane w oprogramowaniu drukarki 3D, takim jak Marlin i Klipper. Oto, jak skonfigurować sterowniki w tych systemach:

• Marlin: Konfiguracja sterownika w Marlinie odbywa się głównie poprzez edytowanie pliku Configuration.h. Użytkownik ustawia parametry takie jak:
  • Typ sterownika (np. TMC2209),
  • Maksymalny prąd dla silnika,
  • Opcje dla funkcji sensorless homing (dla TMC2209),
  • Ustawienia dotyczące mikrokroków.
• Klipper: W Klipperze, konfiguracja sterowników odbywa się poprzez plik printer.cfg, gdzie użytkownicy określają model sterownika, mikrokroki oraz inne parametry. Klipper umożliwia także bardziej zaawansowaną konfigurację, dzięki której można dostosować parametry silników i sterowników do indywidualnych potrzeb.
• W obu przypadkach kluczowe jest, by przed dokonaniem jakichkolwiek zmian, zapoznać się ze specyfikacją sterownika i jego dokumentacją, aby uniknąć uszkodzenia sprzętu.

Problemy i wyzwania związane z sterownikami silników krokowych

Sterowniki silników krokowych, choć bardzo efektywne, mogą czasami sprawiać problemy. Do najczęstszych należą:

• Hałas i wibracje: Wysokiej jakości sterowniki, takie jak TMC2209, znacznie zmniejszają poziom hałasu, ale wciąż może występować pewien poziom wibracji.
• Utrata kroków: Może wystąpić w przypadku zbyt niskiego ustawienia prądu lub zbyt dużych obciążeń.
• Zbyt duże nagrzewanie się sterownika: Warto upewnić się, że sterownik ma odpowiednie chłodzenie, by nie przegrzał się w trakcie długich sesji druku.

Podsumowanie

Sterownik silnika krokowego jest jednym z kluczowych elementów w każdej drukarce 3D. Wybór odpowiedniego sterownika zależy od wielu czynników, takich jak wymagania co do precyzji, hałasu czy maksymalnego prądu. W artykule przedstawiono najpopularniejsze sterowniki, takie jak TMC2209, TMC5160 , które różnią się między sobą funkcjami i możliwościami, a także wyjaśniono, jak je skonfigurować w oprogramowaniach takich jak Marlin i Klipper.

Zapraszamy do zapoznania się z naszą ofertą sterowników do silników krokowych.