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Trinamic Motion Control

3D-Druck: Höhere Geschwindigkeit, bessere Auflösung

20. April 2016, 10:12 Uhr | Von Dipl. Ing. (FH) Jonas P. Proeger, Marketing Director, Trinamic Motion Control

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Synchronisierung der Achsen verbessert

Dass die Rampen und die Schritte nun völlig unabhängig für jeden Motor berechnet werden, warf anfangs Fragen auf. Beispielsweise wurde häufig die Frage gestellt, wie synchron sich mehrere autonome Achsen koordinieren lassen.

Weil die einzelnen Bahn-Vektoren, aufgeteilt auf ihre kartesischen Komponenten, seriell mit SPI-Datagrammen an die einzelnen Treiber übertragen werden, ergibt sich bei einer Datagrammlänge von 40 Bit ein kontinuierlicher zeitlicher Fehler von ca. 10 µs, abhängig vom SPI-Bustakt - eine Größe die als mechanische Abweichung in den meisten Systemen vernachlässigbar klein ist, aber bei Bedarf kompensiert werden kann.

Die klassische Softwaresteuerung erreicht durch die auf Timer-Interrupt basierende Steuerung, abhängig von der Interruptfrequenz, zeitliche Fehler von bis zu einer Millisekunde - ein ungleich größerer absoluter Fehler, der zudem nicht kontinuierlich ist und Prinzip-bedingt nicht ohne weiteres zu kompensieren ist.Weil die meisten 3D-Drucker auf den Consumer- und Prosumer-Markt abzielen, kommt es auf möglichst niedrige Kosten an. Zusätzliche Komponenten sind daher ungern gesehen. Der vorherrschende Megatrend der Miniaturisierung tut sein Übriges. Der hohe funktionale Integrationsgrad der Bausteine kommt den Markterfordernissen entgegen.

Ein weiteres Charakteristikum von Produkten für Endverbraucher gegenüber industriellen Anwendungen ist die dichte Generationenfolge. Um Kaufanreize zu schaffen, wird jedes Jahr eine neue Generation mit neuen Features erwartet. Müssen die echtzeitkritischen Softwareanteile jedes Mal aufs Neue optimiert und getestet werden, überwiegen die Entwicklungskosten schnell die Stückkosten für die Motorsteuerung. Sichere, von der Software unabhängige Funktionsblöcke können diese
Entwicklungszeit und die damit verbundenen Kosten relevant senken.

Flüsterleise Schrittmotoren gratis

Neben dem Rampencontroller umfassen die aktuellen cDriver-Komponenten die neuesten Technologien zur optimalen Stromregelung in Schrittmotoren. Vor allem eine neue Technik hat sich als besonders geeignet für 3D-Drucker erwiesen: Das unter dem Namen stealthChop bekannt PWM-basierte Stromregelverfahren erlaubt zusammen mit einer hohen Mikroschrittauflösung erstmals einen flüsterleisen Betrieb von Schrittmotoren. Weil 3D-Drucke oft mehrere Stunden benötigen, wird das singende Geräusch der Schrittmotoren, die beim Druck kontinuierlich die Geschwindigkeit und Richtung wechseln, als störend empfunden. Gerade auf hohe Dynamik optimierte Stromregelverfahren verursachen ein hochfrequentes Geräusch im hörbaren Bereich, das durch die schnelle Modulation der PWM Frequenz verursacht wird und durch minimale Verformung der Motorspulen - auch als Magnetostriktion bekannt - hörbar ist.

Open Source Referenzdesign
TRAMS

Erst einfache, einheitliche Embedded-Entwicklungsplattformen wie der Arduino haben die schnelle Entwicklung der heutigen 3D-Drucker ermöglicht. Auch wenn sich eine Vielzahl für 3D-Drucker spezifische Hardware-Plattformen etablieren konnte, steht im Kern der Community nach wie vor Arduino-Mega. Wegen eines Streits um Namensrechte in Europa wird er nun unter dem Namen Genuino-Mega vertrieben, mit dem RAMPS-Aufsteckboard (Reprap Arduino Mega Polulu Shield), das mit einer Vielzahl verschiedener Schritt-Richtungssignale-Motortreiber bestückt werden kann. Als Firmware hat sich das freie Marlin-Projekt etabliert.

Als Entwicklungsplattform setzt Trinamic daher auf eine Weiterentwicklung der RAMPS-Plattform. Das ebenfalls quelloffene TRAMS (Trinamic Reprap Arduino Mega Shield) ist mit der letzten Generation der Schrittmotortreiber mit integriertem Rampencontroller bestückt, dem TMC5130. Das Board kann zum Testen der Performance oder zum Bau eigener Drucker fertig bezogen werden. Die Schaltpläne und das Layout sind aber aufgrund der Lizenz auch für kommerzielle Produkte verwendbar. Als
Referenz-Software steht ein Derivat der gebräuchlichen Marlin-Firmware zur Verfügung. Und die stealthChop-Technologie von Trinamic führt zu einem leiseren Drucken.

Schon zu einem frühen Zeitpunkt hat Trinamic die Entwicklung der 3D-Drucker von Enthusiasten der Open Source Community begleitet und aus deren Erfahrungen gelernt. Inzwischen kann Trinamic auf einen großen Fundus an kommerziellen und freien 3D-Druckern zurückgreifen, um diese Kompetenz weiter auszubauen.