NEMA 모터. 가장 자주 발생하는 문제

모든 FFF 3D 프린터의 기본 구성 요소 중 하나는 모터입니다. 그들은 프린트 헤드를 배치하는 데 필요한 움직임을 만들고 압출기에서 필라멘트를 당기는 일을 담당합니다.

사용된 모터는 스테퍼 모터이며 가장 일반적인 유형은 NEMA 17 및 NEMA 23입니다.

이미지 1:NEMA 모터의 종류. 출처:motioncontrolproducts.com

좋은 품질의 스테퍼 모터는 신뢰성이 매우 높기 때문에 모터 고장의 주요 원인은 일반적으로 전원 드라이버 또는 연결과 관련된 외부에 있습니다.

스테퍼 모터

스테퍼 모터는 연속적으로 회전하는 모터의 일종입니다. 회전은 주어진 각도의 불연속 점프에서 발생합니다. 표준 DC 모터와 서보 모터의 중간에 있는 모터입니다. DC 모터와 마찬가지로 여러 번의 360° 회전이 가능하며 서보 모터와 같은 정밀한 각도 위치 지정이 가능합니다.

3D 프린터에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 일반적으로 NEMA17 또는 NEMA23 형식의 바이폴라 하이브리드 스테퍼 모터입니다. 하이브리드 모터는 VR 모터의 작은 스테퍼 기능과 영구 자석 모터의 높은 관성 기능을 결합합니다. 반면 바이폴라 모터는 유니폴라 모터보다 더 높은 토크와 앵커리지를 제공하는 동시에 무게와 크기가 더 작지만 특정 전원 컨트롤러가 필요합니다.

스테퍼 모터를 선택할 때 다음과 같은 주요 특성을 알아야 합니다.

• 단계: 이것은 모터가 직접 회전할 수 있는 최소 각도입니다(마이크로스텝 컨트롤러를 사용하지 않고). 일반적으로 1.8º 또는 0.9º 단계의 모터를 찾을 수 있습니다. 일반적으로 단계가 작을수록 정밀도는 높아지지만 최대 회전 속도도 낮아집니다.
• 작동 전류: 이것은 제대로 작동하기 위해 모터에 공급해야 하는 최대 전류 값입니다. 모터에 더 많은 전류를 적용할수록 더 많은 토크를 얻을 수 있으므로 단계를 잃지 않고 더 큰 관성을 견딜 수 있지만 발열과 마모도 더 커집니다. 제조업체에서 지정한 것보다 높은 전류를 사용하면 모터의 열화 및 고장이 발생할 수 있습니다.
• 위상당 전압: 이것은 각 코일이 올바르게 작동하는 데 필요한 전압입니다.
• 위상 저항: 이것은 각 코일이 제공하는 전기 저항입니다.
• 상 인덕턴스: 활성화될 때 각 코일에서 생성되는 최대 인덕턴스 값입니다.
• 위치 정확도: 회전 운동 중에 발생할 수 있는 최대 편차. 일반적으로 값이 낮을수록 정확도가 높습니다.
• 최대 작동 온도: 모터가 견딜 수 있는 최대 작동 온도입니다. 오랜 시간 동안 이 온도를 초과하면 모터 고장이 발생합니다.
• 로터 관성: 이것은 자체 무게로 인해 비어 있을 때 로터가 제공하는 관성입니다. 모터가 지원하는 관성은 이것과 모터에 연결된 요소의 합입니다.
• 토크 또는 유지 토크: 이는 샤프트가 회전하지 않고 위상이 비활성화(전류 없음) 상태일 때 모터가 견딜 수 있는 최대 토크입니다.
• 앵커 토크: 이것은 샤프트가 회전하지 않고 모터가 정지되고 위상이 활성화(라이브)될 때 모터가 견딜 수 있는 최대 토크입니다. 이 값은 최대 전류가 공급되는 모터에 대해 고려됩니다.
• 시작 토크: 로터가 회전하기 시작하도록 로터의 관성을 극복하는 데 필요한 토크입니다.
• 회전 토크: 모터가 회전할 때 스텝 손실 없이 견딜 수 있는 최대 토크입니다. 이 값은 최대 전류가 공급되는 모터에 대해 고려됩니다.

예를 들어 XY축의 경우와 같이 이동 중에 고속을 사용하고 높은 관성을 견딜 수 있는 모터를 찾고 있다면 1.8º 단계와 높은 토크를 가진 모터를 선택해야 합니다.

Z축 모터는 높은 작업 속도가 필요하지 않으므로 0.9º 모터는 더 부드러운 움직임을 제공합니다. 이 경우 플랫폼 또는 갠트리의 무게를 지탱할 수 있도록 최대 고정 및 고정 토크가 있는 모터를 선택해야 합니다(프린터 설계에 따라 다름).

바이폴라 스테퍼 ​​모터 연결

스테퍼 모터를 올바르게 연결할 때 와이어의 위치가 모델마다 다르기 때문에 제조업체의 사양 시트를 사용하는 것이 유용합니다.

일반적으로 바이폴라 스테퍼 ​​모터에는 두 개의 독립적인 전원 공급 회로로 구성된 4개의 연결이 있습니다. 각 회로는 모터의 각 코일에 전원을 공급하는 양극과 음극으로 구성됩니다.

가장 먼저 알아야 할 것은 프린터 제어 보드에서 이 네 개의 연결 위치입니다. 제어 보드에는 두 가지 유형의 명명법이 있습니다. 첫 번째는 1A 1B 2A 2B이며 각 숫자는 회로를 나타내고 문자 A와 B는 극을 나타냅니다. 두 번째는 A A ^- B B ^- 여기서 각 문자는 회로를 나타내고 악센트는 음극을 나타냅니다.

보드의 연결이 결정되면 모터에 대해서도 동일한 작업을 수행해야 합니다.

이미지 2. NEMA17 모터 사양 시트의 연결 예. 출처:Bondtech

사양 시트가 있는 경우 커넥터의 와이어 순서를 참조해야 합니다. 이 경우 명명법 A A ^- B B ^- 가장 일반적입니다.

보드와 모터가 같은 명칭을 사용하는 경우 각 단자를 페어링하는 것처럼 간단하게 연결됩니다. 서로 다른 명명법을 사용하는 경우 다음과 같이 페어링해야 합니다.

• 1A - A
• 1B - A ^-
• 2A - B
• 2B - B ^-

사용 가능한 모터 데이터 시트가 없는 경우 각 스풀의 연결 쌍을 결정해야 합니다. 이는 커넥터 핀 쌍의 가능한 모든 조합에서 저항을 측정하여 수행됩니다. 저항이 무한하지 않으면 첫 번째 쌍이 발견된 것입니다. 모터 제조업체에서 사용하는 가장 일반적인 조합은 1-3 4-6 또는 1-4 3-6이므로 먼저 이 두 조합을 테스트해 보세요.

일단 찾으면 각 단계는 각 스풀에 연결됩니다. 두 상이 같은 극성의 코일에 연결되는 것이 중요하므로 역상으로 배치하면 모터에 전류를 보낼 때 움직이지 않고 소음이 발생합니다. 이 경우 코일 중 하나의 극성을 반대로 해야 합니다.

두 상을 분리하는 것이 매우 중요하므로 커넥터의 상태를 자주 확인해야 합니다. 잘못된 접촉이나 상 사이의 브리지로 인해 모터가 작동을 멈춥니다.

모터 전류 설정

스테퍼 모터는 특정 컨트롤러 또는 드라이버를 통해 전원이 공급됩니다. 시장에는 다양한 모델이 있습니다. 품질이 높을수록 일반적으로 더 오래 지속되고 더 조용하게 작동합니다.

사용 가능한 모델에는 모터로 전송되는 전류를 조정하는 두 가지 방법이 있습니다.

• 조정 나사로. In general, lower quality or cheaper drivers allow the output current to be adjusted by means of a potentiometer in the form of a screw. In this case it is necessary to use a multimeter and a precision ceramic screwdriver to make the adjustment.
  In this case the adjustment can be made in two ways:
  
  • By Current:With the printer switched on and the motors connected, the current in one of the phases will be measured and adjusted to the appropriate value. This method is not recommended, especially the first time a new driver is connected, as the motors are initially powered without knowing if the output current is higher than the current admitted by the motor.
  • By reference voltage:This is a slightly more complex method, but more recommendable. First we must determine the required reference voltage using the formula:

$Vref\; =I$ _max  · 8 · Rs

Where I_max is the maximum current at which the motor will be powered (usually at most 90 % of the maximum specified by the manufacturer) and Rs is the detection resistance of the driver.

To adjust it on the driver, simply power up the driver, measure the voltage between the Vref pin (usually the potentiometer itself) and a ground pin (usually the power supply pin) and set the appropriate value using the potentiometer.

• By firmware: Many current drivers do not have an adjustment potentiometer and allow the output current to be set directly by firmware. To do this, simply set the appropriate current value in the motor section of the firmware.

When selecting the output current of the drivers, it is not advisable to use the maximum value determined by the manufacturer. In order to prolong the service life of the motors, do not exceed 90 % of the manufacturer's maximum value, the optimum being the minimum current required to generate sufficient torque to withstand the inertias.
Higher current, in addition to higher torque, also means higher heating, higher motor noise and higher wear.

Maximum speed of a stepper motor

Stepper motors advance by pulses, so the maximum speed of the motor will depend on the maximum signal frequency that the control board is able to send. In addition, it must be taken into account that usually several motors are working simultaneously, so the frequency for each one will decrease.

For example, if the control board works at 100000 Hz and 4 motors (X,Y,Z and extruder) are working simultaneously, each motor will be controlled at 25000 Hz, or 25000 pulses per second. This means that a 1.9 ° motor without microstepping can rotate at a maximum of 125 rps. In a GT2 8-tooth belt drive system (the most common) this translates into a theoretical maximum linear speed of 3600 mm/s.

In the case of microstepping, the maximum speed would be reduced proportionally, so that if 16 microsteps are used, the maximum speed would be 225 mm/s, but if 256 microsteps are used, it would be reduced to only 14 mm/s.

It is very important to know the operating frequency of the control board, as the combination of a low output frequency with a high microstep setting can cause the maximum allowable speed to be lower than the printing speed, resulting in a significant loss of steps.

Appropriate setting of the steps per mm

When the motion signal is transmitted to the motor, it is sent as a rotation, however the movements included in the print files are linear. This is why the printer must be able to translate the angular movement into a linear one.

The movement is generally transmitted by means of toothed pulleys and belts, so that the step/mm conversion depends on the diameter of the pulleys.
To calculate this, the following formula is simply applied:

steps/mm = (360/P) · MS
                    2 · π · R_pulley

Where P is the motor pitch, MS the configured microsteps (1 in case of not using microstepping) and Rpulley the radius of the pulley used.

In the case of screw-transmitted movements, it is the pitch of the screw that defines the feed rate. For this purpose, the following formula is simply applied:

steps/mm =  (360/P) · MS
                    A

Where P is the motor pitch, MS the configured microsteps (1 in case of not using microstepping) and A the pitch of the screw thread.

There are also many calculators that make it easier to obtain these values, such as the one offered by Prusa Printers.

Once these values have been obtained, and although in theory they are correct, it is advisable to carry out a precise calibration to compensate for possible manufacturing or assembly defects.

For this purpose, a cube of known dimensions (e.g. 50 x 50 x 50 mm) shall be printed out and the actual dimensions measured. Once this is done, the following formula shall be applied:

steps/mm =  D_theorical  · P_actual
                    D_real

where D_theorical is the theoretical size that the part should have, P_actual is the current P/mm setting and D_real is the measurement value obtained from the printed part.
By introducing the new P/mm value, you should obtain parts with appropriate dimensions.

Considerations to take into account

• Step loss: A step loss is usually caused by excessive torque in the engine. Large accelerations or high direction change speeds will cause inertias that the motor torque cannot compensate for, resulting in a step loss. Similarly, the combination of low signal frequencies and high microstep settings will drastically reduce the maximum motor speed. If the print speed exceeds this, a step loss will also occur. In any case, step loss in an open-loop printer will result in loss of position.
• Temperature: A high current setting will cause the motor to heat up. If the motor is inside a closed or heated structure that does not allow the heat to dissipate correctly, the working temperature may be exceeded, causing the demagnetisation of the magnets and a malfunction or breakdown of the motor. In closed printers, it is advisable to place the motors outside the chamber or, if this is not possible, to reduce the current to the minimum necessary.
• Hysteresis: This is a phenomenon intrinsic to motors. It can cause a small position error at the end of a movement. Using quality motors will reduce this error.
• Resonance: All motors have a natural frequency. If the pulse frequency sent to the motor is similar to the natural frequency, a resonance effect will occur. This will cause increased vibration, noise and wear.
• Step settings: Improper step/mm settings will result in positioning error, which will be reflected in dimensional errors in the parts.
• Connection: Mixing or bridging phases will cause the motor to not turn or to turn erratically. Placing one phase with the polarity reversed with respect to the other will cause the motor not to turn. Reversing the polarity of both phases, when connected correctly, will cause the motor to rotate in the opposite direction.

This guide discusses concepts in a general way and does not focus on a particular make or model, although they may be mentioned at some point. There may be important differences in calibration or adjustment procedures between different makes and models, so it is recommended that the manufacturer's manual be consulted before reading this guide.