今天，开发运动控制功能的设计工程师不仅要处理技术相关的问题，还要处理一长串影响他们实施决策的商业挑战和项目相关问题。
为了更好地理解这些现实世界中的挑战，TRINAMIC Motion Control (TMC)要求其现场应用工程师确定客户在运动控制应用中遇到的五大问题。5大设计“痛点”中的4个对于有运动控制经验的人来说并不奇怪:
- 上市时间
- 增加小型化，
- 降低成本,
- 运动控制质量。
第五个痛点不太明显。许多现场工程师报告说，对于以软件为导向的新一代工程师来说，易于理解和使用的控制界面的需求越来越大。本文将通过3D打印机制造商BCN3D Technologies的实际经验，讨论这些痛点、它们所带来的挑战，以及如何解决这些问题的一些解决方案。
BCN3D始于FundacióCIM，这是一个技术中心，该中心是PolitècnicadeCatalunya（巴塞罗那科技）的技术中心，专门从事数字制造研发和技术转让。该公司设计，制造和销售融合灯丝制造（FFF）桌面打印机，用于专业和消费者（“Prosumer”）。其开源方法包括为客户提供CAD文件，包括供应商，制造图和源文件的材料清单。
该公司的工程师最近重新设计了旗舰产品Sigma 3D专业级双挤出机桌面打印机。两台挤出机可以在一个部件上打印两种不同的材料或颜色，或者用第二种水溶性支撑结构材料打印单个部件材料。
在大多数双挤出机打印机中，两个挤出机在同一移动轴上共用同一个机架，所以它们总是相邻的。当用双挤出机打印时，主要的挑战是确保不活动的挤出机不会滴下熔融塑料到用其他挤出机建造的部件上。由于两个挤出机都是紧挨着对方，这不能完全防止。
西格玛的双挤出机设计采用不同的方法。它总共有六个电机轴和两个独立的托架，因此无效挤出机可以很容易地远离打印区域（图1）。如果任何熔融塑料从未使用的挤出机滴落，则不会落在打印的部件上。这种方法充分防止了跨材料污染，提高了印刷物体的表面质量。
当BCN3D设计下一代3D打印机时，他们必须仔细平衡，以改善速度，精度和噪声排放的需求，防止单位成本，可制造性和开发时间。图片信用：BCN3D
疼痛点＃1 - 运动控制质量
随着电机控制和运动控制应用的性能要求的提高，这些设计的整体质量也需要提高。运动控制质量的概念包含了影响最终产品质量的多个维度。在3D打印机中，这些主要是噪音、精度、效率、动态行为和精度。
当设计第二代BCN3D的桌面打印机时，Sigma R17，公司的主要目标是提高其速度和精度，以及减少噪音和振动。在3D打印机中，操作的安静和打印机运动的流畅是主要卖点。由于桌面系统将在家庭和办公室使用，经常坐在用户的旁边，它需要尽可能安静地操作，易于使用，并产生尽可能高质量的打印。
新的冷却策略为R17，包括一个新的风扇系统和新的步进电机驱动器，不仅减少噪音，但增加精度和表面质量的印刷零件与它。鉴于这些设计目标,主要挑战是1)开发一种新的步进电机驱动程序完全兼容,机械,电气,和形式因素-σ的上一代已经在市场上,和2)设计的新司机在董事会(PCB)最佳散热。
在上一代打印机中，步进驱动IC是德州仪器的DRV8825，由于其广泛的电流和电压额定值，常用于3D打印机。然而，它是非常噪声和不是很智能，因为它缺乏特征，如步进插补或电机失速检测。
对于新的R17打印机设计，BCN3D选择了没有集成运动控制器的TMC2130步进驱动IC，因为它的1/16微步，1/256插值，而之前的驱动IC的微步率是1/32。使用步进插补的步进增加，使电机的运动比其他驱动芯片更平稳，而不影响步进生成速率。它还能极大地降低声音。此外，由于驱动器IC对电机绕组电流的先进控制，声音级别降低。
痛点2 -增加小型化
在电子设计中，空间限制始终是一个挑战。因为已经在先前已经完成了机器的机械设计，所以测量特别约束。此外，在这种情况下，BCN3D希望其驱动模块可以降低成本的最小PCB，而且还需要足够的空间能够消散产生的热量。由于TMC2130集成了MicroTepping序列机和电源驱动器电路的单个紧凑型QFN36封装，因此可以设计足够小的PCB，以便容易地与其配套电机共同定位（图2）。
在R17打印机中使用的一个可互换的步进电机驱动板。来源:TRINAMIC
直到R17产品代，BCN3D已经设计了两层pcb的所有打印机的驱动模块，以及之前的Sigma模型的主板。为了设计新的驱动模块的板，以适应与上一代Sigma相同的形状因素，同时保持最佳的散热，主电源和地面需要另外两层。添加这些元素极大地改善了散热，并且没有产生任何新的设计挑战。
BCN3D在其打印机设计中只使用步进电机，这些电机集成在机器的结构中。打印机的每个轴都由电机和同位步进驱动模块驱动。电机/控制器对通过平坦的柔性电缆连接到主控板(图3)。
显示步进驱动pcb的BCN3D R17框图。来源:BCN3D
这种集成选择物理分离步进驱动模块从主板，这有两个主要的好处。如果驱动器损坏，驱动器模块可以简单地更换，而不是更换主板。电磁干扰性能也得到了改善。步进电机绕组电缆是尽可能短的，因此从大电流电机电缆的排放减少。
痛点＃3 - 上市时间
新步进电机驱动模块的开发时间为6个月左右。由于这个项目是用一个新的驱动模块替换一个正在工作的驱动模块，所以没有必要改变设计和工程流程。尽管有一些上市时间的压力，这不是一个新的产品设计。
痛点4 -控制成本
虽然新的风扇系统几乎没有对成本影响，但新的更好的步进驱动器和更复杂的设计（四层PCB）的实施增加了R17步进驱动器PCB的单位成本约为20％。但是，较高的产量迅速吸收。今天，PCB的单位成本类似于以前的版本的步进驱动器PCB。
此外，重新设计步进驱动程序允许BCN3D发布一个升级工具包。由于步进驱动ic的变化，以实现更快的打印机速度和精度，以及减少噪音和振动，数以百计的用户以前的西格玛模型购买了新的步进驱动，创造了新的收入流。因此，这小小的成本增量是完全值得的。
BCN3D进军消费者市场的目标是实现质量和价格的平衡:价格很重要，但优先考虑的是质量和功能。3D打印机的价格将继续下降，不是由于技术的进步，而是由于技术的持续大众化。总的来说，尽管FFF 3D打印机不是超级高科技机器，但随着越来越多的打印机制造商为他们的机器设计要求类似的部件，这些部件数量增加，降低了部件价格，它们将变得更便宜。
疼痛点＃5 - 界面的重要性越来越重要
在与BCN3D的开源哲学保持中，新的步进驱动器模块设计用于安装在任何Sigma打印机中，因此前一代打印机的用户可以从R17的改进中受益，而无需修改固件。因此，尽管TMC驱动器IC具有数字接口功能，但对于此重新设计BCN3D未使用它们，因此不需要额外的固件开发时间及其测试。
结论
一个良好的运动控制设计平台价格实惠，同时也是强大的，并且能够扩展。能够在现有产品中实施运动控制解决方案，并知道其能力可以在未来的产品代中扩展，使用相同的设计知识的较新产品非常有吸引力/可取。
在未来，电机控制设计将变得更轻松，更聪明。将主微控制器从电机计算中卸载是必须的。这允许在保持MCU小的同时在多个轴上使用S形斜坡。S形速度曲线还减少了振动/混蛋并优化速度。最后，无传感器归巢和无传感器，自动电流适应等技术将提高电机效率并降低系统成本。
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