Motores paso a paso en impresión 3D (II): Criterios de selección de motores y drivers

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Bienvenidos a la segunda entrega de nuestra serie sobre motores en impresión 3D.

En la entrada de hoy daremos unos criterios de selección de motores y drivers para impresoras 3D de tecnología FFF.

En la entrada anterior de esta serie hablamos de unas nociones básicas de teoría sobre los motores y drivers más utilizados en este tipo de máquinas. Algunos conceptos de los que hablamos en la 1ª entrega se darán por conocidos en esta, por lo cual no dudes en acudir a ella para cualquier aclaración.

Introducción

A la hora de elegir unos motores y unos drivers adecuados, es importante tener en cuenta dos cosas:

  1. Escoger motores con un par motor suficiente para la aplicación que vayan a tener (suficientemente “fuertes”).

    Esta es la primera decisión a tomar, ya que nuestro objetivo primordial es mover uno de los ejes de la máquina con la suficiente fuerza y velocidad.

  2. Que los drivers puedan aportar suficiente corriente para que el motor ejerza el par motor necesario.

    Además, el driver debe ser compatible electrónicamente con el resto de la circuitería de control.

Por tanto, las decisiones de qué motor y qué driver utilizar para una aplicación se afectan entre sí, y habrá que estudiar diversas opciones hasta encontrar un resultado óptimo.

 

Un vistazo más de cerca a nuestros motores

En la mayoría de impresoras 3D de tecnología FFF, los motores utilizados son del tipo paso a paso bipolares.

En la Figura 1 podemos observar dos de estos motores, en concreto dos NEMA 17 (un estándar de forma y tamaño).

Motores

Figura 1: Motores NEMA 17 

El fabricante de los motores nos va a especificar una serie de datos y gráficos sobre su producto en las hojas técnicas, como por ejemplo siguiente tabla:

Tabla Motores

Figura 2: Tabla de datos de un motor paso a paso bipolar NEMA 17

Debemos fijarnos especialmente en dos datos:

  1. El par motor (o torque) de retención

    Aparecerá como “Holding Torque” o “Static moment”. Se mide en N·m o N·cm (Newtons·centímetro) y es uno de los parámetros que indica la “fuerza” del motor. Es el que más habitualmente ofrecen los fabricantes.

    En la Figura 2 podemos observar que para el motor del ejemplo su valor es de 65 N·cm.

    ¿Qué significa este valor?

    Es un indicativo de la fuerza con la que el motor puede mantenerse en un paso. Determinará el aguante del motor a que la inercia del eje que estamos moviendo le haga saltarse un paso al frenar dicho eje (que es el punto más común en el que puede saltarse un paso).

  2. La corriente o intensidad nominal

    Aparecerá como “Rated Current”, “Phase Current” o “Max Current”.

    Se mide en amperios (A) y nos da el valor máximo de corriente que podemos hacer circular de manera continua por el motor sin quemarlo (recuerda que más corriente → más fuerza).

    En la Figura 2 podemos observar que para el motor del ejemplo su valor es de 1,8 A.

    Por tanto si queremos utilizar este motor aprovechando toda su fuerza tenemos que controlarlo con un driver que sea capaz de entregar toda esa corriente.

 

Criterios de selección de motores

Primer criterio de selección

El motor debe tener suficiente par motor o torque de retención para mover correctamente el eje de la máquina en cuestión.

¿Cómo calcular el mínimo par motor que necesitamos?

El cálculo teórico de este valor es muy complejo. Influyen gran cantidad de factores, como los siguientes:

  • Masa del eje a mover

  • Velocidad de giro del motor paso a paso

  • Inductancia de las bobinas

  • No exactitud de los valores que da el fabricante

  • Transmisión utilizada

  • Rozamiento

  • Aceleración deseada

  • Otros factores

Debido a ello, por desgracia no vamos a poder dar una solución rápida o una fórmula simple para calcularlo. En su lugar, utilizaremos valores ya probados en impresoras 3D existentes y funcionales.

Daremos unos valores mínimos, considerando que cualquier motor de superiores prestaciones funcionará también correctamente:

  1. Para ejes de carga ligera, el valor mínimo del par motor de retención deberá estar entre 28 y 40 N·cm.

    Ejemplos:

    • Ejes que mueven carros de extrusor sin el motor montado, como los sistemas Bowden. Por ejemplo, los ejes X e Y de la impresora open-source Tantillus, que puede verse en la Figura 3.

    • Ejes que mueven bases de impresión muy ligeras.

Tantillus

 Figura 3: Impresora Tantillus con motores de 28 N·cm (fuente)

  1. Para ejes de carga media, el valor mínimo del par motor de retención deberá ser superior a 40 N·cm. Ejemplo: Los ejes X, Y, Z y extrusor de la impresora DIMA LT.

    Ejemplos:

    • Ejes que mueven carros de extrusor con motor montado, como el eje X de la DIMA LT, que puede observarse en la Figura 4.

    • Ejes que mueven bases de impresión ligeras, como el eje Y de la DIMA LT.

    • Ejes verticales de doble motor, como el eje Z de la DIMA LT.

    • Extrusores con engranajes de reducción, como los de la DIMA LT y la DIMA 1000.

Eje X LT

Figura 4: Motor de 40 N·cm del eje X de la DIMA LT

  1. Para ejes de carga pesada el valor mínimo del par motor de retención deberá ser superior a 50-60 N·cm.

    Ejemplos:

    • Ejes que mueven carros de doble extrusor con ambos motores montados.

    • Ejes que mueven carros con un extra de peso por algún motivo, como el uso de rodamientos enclaustrados metálicos. Este es el caso del eje X de la DIMA 1000, cuyo motor de 52 N·cm puede observarse en la Figura 5.

    • Extrusores directos (sin reducción).

    • Ejes verticales de un solo motor, como es el caso de muchas máquinas que elevan la base en el eje Z con un único husillo.

Eje X 1000

Figura 5: Motor del eje X en la impresora DIMA 1000

Hay casos en los que es necesario un motor aún más fuerte (superando los 100 N·cm), como el que mueve la base (eje Y) de la DIMA 1000. En este caso es necesario por el gran tamaño de su área de impresión.

Consejo en caso de que sólo dispongamos de motores más ligeros a los recomendados: Disminuir el valor de aceleración máxima y limitar la velocidad máxima a un valor más pequeño, en el firmware de la máquina.

Segundo criterio de selección

Como ya hemos comentado, las selecciones que hagamos de motores y de drivers se van a afectar entre sí. Uno de los criterios de selección de drivers es la corriente máxima que pueden entregar, así que lo tendremos en cuenta y elegiremos un motor cuya corriente nominal no sea muy alta, a ser posible dentro (o cerca) de los valores que pueden otorgar los drivers de los que podemos disponer.

Valores estándar de corrientes nominales son los siguientes:

  • 0,6-0,7A

  • 1,2-1,3A

  • 1,7-1,8A

  • 2,5A

En caso de duda, entre dos motores del mismo par no siempre es mejor escoger el de menor corriente nominal. Cuanta mayor corriente nominal, más conserva su par el motor a altas velocidades, por lo que escogeremos el de mayor corriente que admitan los drivers de los que disponemos.

Normalmente la mejor opción son los de 1,7-1,8A de corriente nominal. Es un valor aceptable para la mayoría de los drivers disponibles.

Un vistazo más de cerca a los drivers

Existen en el mercado multitud de drivers para motores paso a paso. Entre ellos hay una serie de diferencias, las cuales pueden dividirse en diferencias de control y de prestaciones.

Respecto al control:

  • Drivers plug & play

    Se controlan por USB. Son capaces de comunicarse con un software ejecutándose en un PC, que les envía las órdenes que el driver convertirá en movimiento de los motores que esté controlando. Pueden comunicarse en tiempo real o ser programados.

    Pueden funcionar de forma independiente, sin necesidad de más electrónica excepto la alimentación.

Drivers - USB

Figura 6: Drivers plug & play de distintos fabricantes

  • Drivers de bajo nivel

    Son aquellos drivers que se controlan con señales electrónicas básicas, como voltajes y corrientes. Necesitan una electrónica de control aparte, ya que forman parte de un sistema y no se utilizan de manera independiente.

Drivers

Figura 7: Drivers de bajo nivel para motores paso a paso

Respecto a sus prestaciones, los drivers pueden tener diferentes especificaciones, de las cuales podemos destacar las siguientes:

  • Rango de voltajes de operación (con los que alimentarán al motor)

  • Corriente que son capaces de suministrar de manera continua a cada bobina del motor

  • Modos de micropasos disponibles (1/8, 1/16, 1/32, full-step…)

  • Presencia de mecanismos de seguridad, como control contra sobretemperaturas, sobrecorrientes y cortocircuitos

  • Presencia de limitadores de corriente para poder utilizar motores con baja corriente nominal o bien a un mayor voltaje que el nominal

Numerosas placas electrónicas para impresoras 3D FFF han establecido un estándar de facto en la forma de estos drivers, consistente en un zócalo de 2 tiras de 8 pines. En la Figura 8 pueden observarse alguna de estas placas con el susodicho zócalo.

Ramps+Rumba

Figura 8: Dos placas electrónicas para impresión 3D que utilizan los zócalos de 2×8 pines para los drivers

Con esta forma, numerosos fabricantes fabrican drivers basados en dos circuitos integrados distintos, los cuales hemos comparado en la siguiente tabla.

Tabla_drivers

Figura 9: Tabla comparativa de características de dos circuitos integrados controladores de motores paso a paso

Como puede observarse, el chip DRV8825 ofrece prestaciones superiores. Por tanto, a menos que el precio sea un factor limitante, es la mejor opción entre estos dos si se desea un driver con el factor de forma de 2×8 pines.

Drivers_a49_drv

Figura 10: A la izquierda, un driver basado en el DRV8825, y la derecha uno basado en el A4988.

Esto es todo por esta entrega. En la siguiente veremos cómo ajustar correctamente el limitador de corriente de los drivers más utilizados.

Como siempre, esperamos que os haya gustado y no dudéis en poner en los comentarios cualquier duda o aportación. ¡Hasta la próxima!

5 Comments

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