Шаговые двигатели против серводвигателей: что делает 3D-принтер FDM лучшим?

Поделиться этой статьей

Если вы заглянете под капот любого 3D-принтера FDM, вы обнаружите, что все они используют тот или иной двигатель для управления процессом печати. Двигатели являются неотъемлемой частью процесса FDM, будь то перемещение печатающей головки, подъем и опускание z-образной ступени или перемещение нити через экструдер.

При этом двумя наиболее стандартными типами двигателей, используемых в FDM-принтерах, являются шаговые двигатели и/или серводвигатели. Хотя оба типа достигают одного и того же конечного результата, между ними существуют существенные различия, которые делают каждый из них более подходящим для разных типов продуктов.

В этой статье мы рассмотрим как шаговые, так и серводвигатели, чтобы понять их различия и их роль в принтерах FDM.

Шаговые двигатели — это разновидность двигателя, который вращается с шагом приращения на фиксированную степень. Эти двигатели состоят из одного вращающегося вала (т. е. ротора), расположенного внутри статора. Сам статор состоит из нескольких равномерно расположенных зубцов, каждый из которых окружен витой проволокой, известной как обмотки двигателя. Обмотки двигателя действуют как электромагниты: когда на них подается напряжение (т. е. на них подается напряжение), они намагничиваются и притягивают ротор к катушке, находящейся под напряжением.

Разрез шагового двигателя. Изображение из Monolithic Power.

Для работы шагового двигателя требуется использование специальной интегральной схемы (ИС) драйвера шагового двигателя, которая управляется микроконтроллером (MCU) или процессором. Драйвер шагового двигателя выборочно подает напряжение на обмотки двигателя, чтобы управлять движением ротора в желаемое положение.

Управление шаговым двигателем в волновом режиме. Изображение из Monolithic Power.

В контексте 3D-печати вы обычно найдете как минимум один шаговый двигатель для каждой оси. Для X и Y шаговые двигатели обычно прикрепляются к ременной системе, которая затем приводит в движение портал, в то время как ось Z может быть напрямую прикреплена к винту для подъема/опускания Z-ступени.

Для принтеров FDM шаговые двигатели имеют ряд преимуществ и недостатков.

Одним из основных преимуществ шаговых двигателей является то, что они очень доступны по цене, что делает их хорошим выбором для настольных FDM-принтеров, ориентированных на потребителя. Кроме того, шаговые двигатели обладают преимуществом чрезвычайно высокого крутящего момента на низких скоростях, что идеально подходит для 3D-печати. Преимуществом шаговых двигателей является также высокий удерживающий момент, а это означает, что они могут легко удерживать положение во время пауз печати.

Недостатком шагового двигателя является то, что точность позиционирования двигателя ограничена количеством обмоток в двигателе. Еще больше запутывает ситуацию то, что шаговые двигатели по своей сути не обеспечивают обратной связи, а это означает, что невозможно узнать точное положение двигателя (без использования энкодера). Это может ограничить точность размеров отпечатков.

Кроме того, шаговые двигатели страдают тем, что их крутящий момент уменьшается с увеличением скорости. В результате 3D-принтеры на основе шаговых двигателей теряют надежность и точность по мере увеличения скорости печати.

Серводвигатели, с другой стороны, представляют собой разновидность электродвигателя, состоящего из двигателя постоянного тока, шестерен, схемы управления и обратной связи по позиционированию, заключенных в один блок. Благодаря встроенной схеме управления и обратной связи по позиционированию сервоприводы обеспечивают чрезвычайно высокую точность позиционирования по сравнению с шаговыми двигателями.

Разрез серводвигателя. Изображение из Sparkfun.

Для управления серводвигателем требуется использование микроконтроллера, который отправляет на двигатель команды широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Сигнал управления ШИМ обычно состоит из серии импульсов, где длительность (ширина) каждого импульса определяет желаемое положение серводвигателя.

Типичный диапазон длительности импульса составляет от 1 мс до 2 мс с периодом около 20 мс. В большинстве случаев серводвигатели имеют диапазон движения только 180 градусов.

В 3D-принтерах FDM сервоприводы используются для управления перемещением печатающей головки по осям X и Y, а также для подъема и опускания Z-образной ступени.