3D打印(3DP)即快速成型技術的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，是打印的一種形式，其最終產(chǎn)品是通過添加劑制造技術，其中材料的連續(xù)層定下的形式創(chuàng)建了一個三維物體。這個過程通常被稱為“快速原型”，因為它很快建立最終的物理產(chǎn)品，或原型，進入設計的。打印機將數(shù)字數(shù)據(jù)從計算機輔助設計(CAD)程序，3D圖形或動畫軟件，掃描并打開最終產(chǎn)品成可用的物理模型。

 因為是通過精確控制和準確度進行操作，所以3D打印機一般采用步進電機。步進電機高水平的精度控制特點保證3D打印機可以停止和扭轉方向非常精確，確保的產(chǎn)品快速原型設計。

通過讀取3D電腦文件，并使用它來進行一系列的橫截面切片的產(chǎn)品原料與步進電機的工作三維打印機。 后的橫截面切片制成的三維打印機，然后打印在另一個的頂部每個切片來創(chuàng)建3D對象。保證快速成型機的優(yōu)點。

快速原型具有許多公知的優(yōu)點?，F(xiàn)在，學校，學院，企業(yè)可以投資在一個專用的3D打印機，以幫助削減其簡單的工作外包的成本。此外，如設計師和工程師的專業(yè)人士都能夠使用3D打印機提供的快速成型技術生產(chǎn)其設計的廉價的原型之前，他們投資于專業(yè)化和昂貴的機型。

步進電機是3D打印機中主要的驅動部件，步進電機的性能直接會影響到打印機的性能和最終打印出來物品的品質。

傳統(tǒng)的步進電機的驅動器都會存在噪音比較大，很不適合桌面型設備的用戶體驗感，另外一個問題就是常規(guī)的步進電機的驅動器會存在抖動問題 特別是在低速情況下，抖動通過同步帶反應到最終打印的質量上會出現(xiàn)斷層現(xiàn)象。步進電機的穩(wěn)定性與運行精度直接影響到3D打印機的性能。

常規(guī)步進電機的驅動都無法解決噪音和抖動問題

分析原因如下

步進電機的震動主要來自兩個方面一是步進電機的步距分辨率(步距階躍)另一方面是來自斬波和脈寬調制(PWM)的不良模式反應.

當然步進電機的步距角和細分會影響到電機的震動，但是本文中我們不談細分和電機步距角的因素，因為這兩個因素無法徹底解決步進電機的震動，只是改善。

噪音和振動的另外一個來源是傳統(tǒng)的斬波方式和脈寬調制(PWM)模式,由于比較粗的步距分辨率是產(chǎn)生振動和噪音的主要因素,我們通常忽視了斬波和PWM帶來的問題.

傳統(tǒng)的恒定PWM斬波模式是電流控制的PWM斬波模式,該模式在快速衰減和慢速衰減之間有個固定關系,在其最大數(shù)值的時候,電流才會達到規(guī)定的目標電流,最終導致平均電流是小于預期目標電流的,如圖7所示

在一個完整的電周期內,電流方向改變時 在正弦波過零處有個平穩(wěn)過渡期,這個會影響在很短的過渡期內線圈里面的電流為零,也就是電機此時根本就沒有力矩,這就導致了電機擺動和振動,尤其是在低速情況下.

相比恒定的斬波模式,TRINAMIC的SpreadCycle PWM斬波模式在慢速和快速衰減器之間自動配置一個磁滯衰減功能.平均電流反應了配置的正常電流,在正弦的過零點不會出現(xiàn)過渡期,這就減少電流和力矩的波動,是電流波形更加接近正弦波,相比傳統(tǒng)恒定斬波模式,SpreadCycle PWM斬波模式控制下的電機運行得要平穩(wěn)、平滑很多.

這一點在電機從靜止或低速到中速過程中非常重要.

傳統(tǒng)步進電機驅動方案在電流過零點的時候都會出現(xiàn)一個電流過度，或者叫電流死區(qū)，此時電機線圈是沒有電流的。這是導致電機震動的一個主要因素。

Trinamic是嵌入式電機和運動控制領域的全球領導者。主要產(chǎn)品包括專用運動控制集成芯片，智能電機驅動器和嵌入式微系統(tǒng)。 Trinamic的工程師擁有數(shù)十年的經(jīng)驗，擅長解決現(xiàn)實問題，致力于為3D打印，桌面制造，醫(yī)療設備，實驗室自動化和監(jiān)控攝像頭等領域設計解決方案。gao@trinamic.cn trinamic開發(fā)出了一項技術spreadcycle保證步進電機在過零點時平滑過渡沒有死區(qū)電流，使用其TMC2100，TMC2130，TMC2208幾款步進電機驅動芯片幾乎沒有抖動。下面視頻是對其技術的分析http://v.youku.com/v_show/id_XMzMzNTM4MTgxMg==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1

如何使步進電機實現(xiàn)完全的靜音?

盡管高細分能解決大部分情況下的低頻震動;先進的電流控制PWM斬波模式比如TRINAMIC的SpreadCycle算法,這些在硬件上的作用很大程度上減少震動和顫動,這也滿足了大部分的應用,也適合高速運動.但是基于電流控制的斬波模式,還是會存在可聽得見的噪音和振動,主要是由于電機線圈的不同步,檢測電阻上幾毫伏的調節(jié)噪音和PWM時基誤差,這些噪音和振動在一些高端應用場合也是不被允許的,緩慢運行或中速運動的應用,以及任何不允許有噪音和場合.

TRINAMIC的StealthChop算法也是通過硬件來實現(xiàn)的,從根本上使步進電機靜音,但是Stealthchop功能如何影響了步進電機?為什么電機不會出現(xiàn)噪音和震動?Stealthchop采用一種與基于電流反饋電壓調制模式如SpeadCycle完全不同的方法.而是采用基于電壓斬波模式一種新技術,該技術保證了電機的靜音和平穩(wěn)平滑運動.

TMC5130-一款小體積,精巧的步進電機驅動控制芯片,帶有StealthChop模式.TRINAMIC改進了調制模式.為了最大限度降低電流波動對動態(tài)性能的影響,TMC5130采用基于電流反饋來控制電壓調制,這允許系統(tǒng)自適應電機的參數(shù)和運行電壓.來自直接電流控制回路算法引起的微小震蕩被消除.

圖10和圖11顯示 電壓控制模式的Stealthchop 和電流控制模式的SpreadCycle

StealthChop模式下過零點的效果是非常完美的:當電流的信號從正變?yōu)樨摶蛘哓撟優(yōu)檎?不會有過渡區(qū)域而是持續(xù)性的穿過零點.因為電流的調制是根據(jù)PWM占空比來控制的.在50%的PWM占空比,電流是0,StealthChop調整PWM的占空比來調節(jié)電機電流,PWM頻率是個常數(shù),與此相反 電流控制的斬波器通過調控頻率實現(xiàn)調節(jié)電機電流,在這里 電流的波動是比較大的,此外電流的波動會在電機的永磁體轉子里產(chǎn)生渦流,這會導致電機的功耗損失.

這些頻率變化著的PWM發(fā)出的聲音是在可聽范圍之內的,會發(fā)出嘶嘶的聲音,而且電子定子會由于磁致伸縮產(chǎn)生更大的噪音,進而會傳遞引起機械系統(tǒng)的震動.而StealthChop的固定斬波頻率就不會有這些問題.沒有斬波頻率的變化 除了電機運行時候微步相序分配器的變化.

除了電機軸承鋼球磨擦的聲音,這是無法避免的之外,StealthChop可以驅動電機工作在極度的精音下,可以實現(xiàn)控制電機聲音在10dB分貝以下,噪音大大低于傳統(tǒng)的電流控制方式.我們從物理中得知 3dB分貝的減少量會將噪音程度降低一半. 以下視頻為TRINAMIC產(chǎn)品TMC2100，TMC2130和A4988性能對比

http://v.youku.com/v_show/id_XMzMzMzQxOTEyOA==.html?spm=a2h0j.11185381.listitem_page1.5!10~A

對步進電機來說改變了什么?

如今步進電機還是一種十分經(jīng)濟的電機,已經(jīng)被應用了很多年,依舊采用和原來一樣的材料,一樣的生產(chǎn)工序和裝配工藝.

但是相比過去,如今步進電機被更簡單的控制單元驅動,更先進的算法和更高度集成的微電子是原來的電機發(fā)揮出更大的潛能.在接近電機的驅動電路中更多的信息被獲取和處理并實時在驅動電流里被處理以優(yōu)化電機控制,StealthChop便是一個完美的例子它的算法和PWM斬波緊密聯(lián)系,此外這些信息還可以反饋到更高的應用控制層,而傳統(tǒng)的步進驅動方案都是單向的(脈沖/方向),所有TRINAMIC的智能步進電機驅動方案都是雙向通訊,這些接口還可以監(jiān)測不同狀態(tài)、診斷信息.這可以增加系統(tǒng)的可靠性,提供系統(tǒng)的性能.

StealthChop靜音驅動技術非常適合3D打印、桌面型CNC、高端的CCTV、體外診斷設備、醫(yī)療檢測設備等對噪音要求敏感的場合.