Доработка питания 3D-принтера

Опубликовано вс, 08/27/2017 - 13:50 пользователем trol

3D-принтеры бывают разные, но электроника подавляющего большинства любительских аппаратов делается на основе связки плат Arduino + RAMPS, либо одной платы MKS Gen. В качестве блока питания обычно служит БП для светодиодных лент. Он служит источником для питания электроники, шаговых двигателей, нагревателя(лей) экструдеров и термостола. И тут возникает ряд проблем:

Импульсные БП для светодиодных лент выдают напряжение с кучей импульсных помех.
Мощность подогревателя стола - около 300 Вт, при его включении/выключении тоже создаются помехи
Мощность нагревателя экструдера на порядок ниже, но он управляется ШИМ-контроллером, и также создаёт помехи по питанию.

Эти помехи не лучшим образом влияют на работу электроники, приводя к порою загадочным и непонятным проблемам.

Собрав принтер BiZone Prusa i3 Steel (он имеет стальную раму, к которой крепится БП - 24 В, 350 Вт) я заметил, что на экране появляется “мусор”, а при печати принтер может зависнуть. Тогда я напаял пару дополнительных электролитических конденсаторов на плату дисплея и SD-карты. Но это не помогло. Зато, помогло отвинчивание БП от корпуса принтера и удаление на пару сантиметров. Помехи исчезли, и я забыл на некоторое время о проблеме.

Затем, вышел из строя дисплей (на плате которого оставались напаяные электролиты), после замены платы внезапно появилась новая проблема - прошивка не могла стабилизировать температуру экструдера - она начала скакать где-то на 5-7 градусов. Замена терморезистора и калибровка ПИД-параметров прошивки не помогли. Причина, как выяснилось, была в помехах - после замены платы дисплея ушли дополнительные электролиты по питанию 5В, в результате выросли помехи и погрешность измерения температуры. Проблема решилась после добавления электролита 1000мкФ х 9В на шину питания (электролит воткнул через разъём прямо в плату MKS Gen).

Спустя некоторое время проблема установки температуры начала возвращаться - добавленный “электролит” начал вздуваться. Что свидетельствует о налчии больших импульсных всплесков напряжения на линии 5В. Заменил него на новый - снова всё ок. Но сама проблема требовала более кардинального решения.

В итоге решено было переделать схему питания принтера:

Питание на плату MKS Gen подавать через LC-фильтр
Питание на экструдер и нагреватель стола подавать отдельной линией
Добавить ампервольтметр и светодиоды индикации нагрева экструдеров и термостола

Фильтр питания использовал свой “стандартный” - по два дросселя и три электролита на каждый провод (т.к. по "земле" такие ИБП тоже выдают сильные помехи). Вот проект на EasyEDA. Периодически использую его в разных БП, поэтому, заказал партию плат

Все электролиты ставил 470uF x 50В. На схеме ещё не показаны фильтрующие конденсаторы на 100nF в корпусе 1206 (с обратной стороны платы).

Питание на нагреватели подаётся с платы MKS Gen, через установленные на ней ключи на полевых транзисторах. Разъём питания на MKS Gen имеется только один, питание "цифровой" и "силовой" части не раздельное. Для его отделения придётся ставить свои ключи и питать их непосредственно от БП. Подключать проще всего через оптопары. В итоге нарисовалась следующая схема:

На схеме видно три одинаковых канала. Первый - для подогрева стола, второй - для экструдера, третий - на всякий случай, если в будущем появится второй экстудер, либо, если одного китайского полевика на нагрев стола окажется мало. Через разъёмы J1-J3 они подключаются к клеммам MKS Gen. Для индикации состояния на плате установлены светодиоды, плюс, сделан разъём J4 для подключения внешних светодиодов.

Ключи собраны на печатной плате (делалась ЛУТ-ом, силовые дорожки дополнительно пропаивались медным проводом)

Общая схема питания выглядит так

Модифицированная схема питания 3d-принтера

В заключении об ампервольтметре. Использовался китайский измеритель со светодиодными индикаторами и внешним шунтоом на 50А

Схема его подключения:

Судя по заверяниям разработчиков, данный ампервольтметр можно питать напрямую от 24В, но я добавил резистор 1 кОм 1 Вт в разрез питания, чтобы сильно не нагружать встроенный стабилизатор измерителя - добавленный резистор при работе ощутимо (но не сильно) греется. Напряжение подавал уже отфильтрованное.

Теперь при работе можно видеть, сколько потребляют нагреватели и двигатели. И что основной потребитель - подогреватель стола.

Всё это дело решено было смонтировать в фанерный корпус. Спереди вырезано отверстие для воздуха и закрыто решёткой под 80мм-вентилятор. Сверху выведены клеммы для подключения нагрузок и сетевой разъём.