Startseite > Elektronikfertigung > Strategien & Trends > Effektive Motorsteuerungen für von 3D-Drucker

Schnell und kosteneffektiv entwickeln

Effektive Motorsteuerungen für von 3D-Drucker

11. April 2018, 10:50 Uhr | Von Dipl.-Ing. (FH) Jonas P. Proeger, Marketing Director, Trinamic Motion Control

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Zunehmende Miniaturisierung

Ohne zusätzliche Vibrationen zu erzeugen, unterbindet der ebenfalls in Hardware implementierte StealthChop-Algorithmus von Trinamic die Geräuschentwicklung bei Schrittmotoren endgültig, indem er einen spannungsgesteuerten Ansatz verfolgt.

Trinamic kombiniert dazu den verbesserten Spannungsbetrieb mit der Stromregelung. In der zweiten Generation der Technologie (StealthChop2) wird die Stromregelung durch eine modellbasierte Vorsteuerung ergänzt, die auch bei schnellen Beschleunigungen sofort einen hinreichenden Motorstrom bereitstellt. Dadurch kann sich das System selbstständig an die Motorparameter und die Betriebsspannung anpassen. Kleinste Schwingungen, verursacht durch die Regelalgorithmen von Gleichstromregelkreisen, werden eliminiert. Anwendungen mit StealthChop erreichen einen Geräuschpegel von mehr als 10 dB unterhalb der klassischen Stromregelung.

In der Elektronikentwicklung stellen Bauraum-Beschränkungen eine Herausforderung dar. Vor allem, wenn – wie im Fall BCN3D Sigma – der mechanische Aufbau bereits in der Vorgängergeneration festgelegt wurde, was den verfügbaren Platz begrenzt. Darüber hinaus bevorzugen die meisten Unternehmen eine möglichst kleine Leiterplatte für ihr Treibermodul, um die Kosten zu senken und zugleich durch ausreichend Platz die entstehende Wärme abzuführen. Für den TMC2130-Treiber kein Problem: Er integriert einen Microstepping-Sequencer und Leistungstreiber und passt in ein QFN36, das mit 5 mm x 6 mm sogar kleiner als der bis dahin verwendete Chip (9,76 mm x 4 mm) ist.

Jobangebote+ passend zum Thema

Ingenieur/Elektroingenieur/Elektrotechniker als Field Application Engineer

GEYER Electronic GmbH, Planegg

Alle Jobangebote im Elektroniknet Karrierebereich anzeigen

Bis zur Produktgeneration R17 entwarf BCN3D zweilagige Leiterplatten für alle Druckertreibermodule sowie für das Mainboard der Sigma-Vorgängermodelle. Im Entwicklungsprozess der Platine des neuen Treibermoduls wurden zwei zusätzliche Ebenen für Hauptstrom und Masse hinzugefügt. Auf diese Weise konnte gewährleistet werden, dass sie der Baugröße der Sigma-Vorgängergeneration entspricht und gleichzeitig die Wärme optimal ableitet. Das finale Platinendesign führte so zu einer deutlich verbesserten Wärmeabfuhr und zu keinerlei neuen, konstruktiven Herausforderungen.

BCN3D positioniert die Schrittmotor-Treibermodule verteilt im System beim jeweiligen Motor. Die Module sind über flexible Flachbandkabel mit der Hauptsteuerplatine verbunden. Durch diese Integration wurden die Schrittmotor-Treibermodule vom Mainboard getrennt, sodass sich zwei wesentliche Vorteile ergeben. Wird ein Treiber beschädigt, kann das Treibermodul einfach getauscht werden, ohne das Mainboard auszuwechseln. Die EMI-Leistung verbessert sich ebenfalls, weil die Motor-Zuleitungen kurz gehalten sind und so die Abstrahlung der Motorleitungen reduziert werden kann.

Entwicklungszyklen

Im Fall BCN3D sollte in einem Zeitfenster von sechs Monaten von Projektbeginn bis Lieferbeginn die Performance maßgeblich verbessert werden. Während es früher möglich war, in einem Anwendungs-Entwicklungsprojekt die grundlegende Stromregelung für einen Motortreiber zu entwickeln, setzen Entwickler wie die Ingenieure von BCN3D heute vor allem auf intelligente Peripheriebausteine, die es erlauben, den Motor direkt aus der Firmware anzusprechen.

Von den Parametern der Stromregelung bis zur sensorlosen Endlagenerkennung und einer umfangreichen Diagnostik können alle Funktionen über SPI verwendet werden. Um dem zunehmenden Zeitdruck gerecht zu werden, stellt Trinamic API-Pakete und Quellcode-Beispiele zur Verfügung, um die Softwareentwicklung so reibungslos wie möglich zu gestalten. Von der Evaluation auf der Open-Source-Plattform „Landungsbrücke“ bis zur eigenen Hardware und der eigenen Mikroprozessor-Plattform können die Code-Beispiele nahtlos verwendet werden.

Hardware-Endschalter überflüssig

Neben der Minimierung der Time-to-Market durch eine möglichst einfache Konfiguration reduzieren die Motion-Controller von Trinamic auch die Kosten für 3D-Drucker. Beispielsweise wird dies mit der StallGuard-Technologie erreicht, die Hardware-Endschalter überflüssig macht und dadurch die Kosten der Stückliste reduziert.

Unter Verwendung der CoolStep-Werte wird die rückwärtige EMK des Schrittmotors überwacht, indem die Differenz zwischen dem Eingang und Ausgang der elektrischen Energie des Motors und die Energiemenge, die in die Stromversorgung zurückfließt, gemessen werden. Wird der Motor stark belastet, ist keine Energie vorhanden, der Motor überspringt mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Schritt oder StallGuard greift ein und stoppt den Motor.

Durch rechtzeitiges Eingreifen stellt StallGuard sicher, dass die Schritt- und Positionsinformationen des Schrittmotors erhalten bleiben, sodass es sogar möglich ist, den Druck nach einer Unterbrechung fortzusetzen, vom Stromausfall bis zum Auslaufen des Filaments. Darüber hinaus kann diese Funktion für die sensorlose Referenzfahrt genutzt werden, weil Endschalter durch feste Anschläge ersetzt werden können, sodass sowohl der Schalter selbst als auch die Verdrahtung entfallen. Das Ergebnis ist ein saubereres Design mit weniger Materialien unter Beibehaltung sämtlicher Funktionalitäten.