Imprimante 3D : étalonner les pas/mm et régler la Vref des drivers

D’où viennent les pas par millimètre

Un moteur pas à pas tourne d’un angle fixe à chaque pas entier : 1,8° sur presque tous les moteurs d’imprimante, soit 200 pas entiers par tour (les moteurs de 0,9° en ont 400). Le driver découpe chaque pas entier en micropas, en général 16 : le firmware envoie donc 3 200 pas pour un tour d’arbre. Divisez ce nombre par la distance parcourue par l’axe en un tour et vous obtenez les pas par millimètre.

pas/mm = pas entiers par tour × micropas × rapport ÷ course par tour
courroie : course par tour = pas de la courroie × dents de la poulie
vis :      course par tour = pas du filet × nombre de filets (l’avance)

Rien dans cette chaîne ne se mesure à la règle : le pas, le nombre de dents et le nombre de filets font partie du nom des pièces. C’est pourquoi les axes à courroie et à vis se calculent au lieu de s’étalonner ; seul l’extrudeur, qui saisit un filament souple avec des roues dentées, se mesure.

Courroies, vis trapézoïdales et extrudeurs démultipliés

Valeurs des courroies et des vis tirées de notre calculateur de pas par mm (16 dents, T8, BMG) ; la valeur du BMG est celle de Bondtech.

Comptez les dents de la poulie (le nombre est souvent gravé dessus) et regardez le bout de la vis : une T8 montre quatre filets distincts, son pas de 2 mm devient donc une avance de 8 mm. Sur un extrudeur démultiplié, c’est le rapport annoncé qui trompe : le BMG est vendu comme un 3:1, mais ses engrenages sont en 50:17, soit 2,94:1. D’où les 415 pas/mm de Bondtech, environ 2 % de moins qu’un vrai 3:1.

Valeurs de départ tirées de la page du BMG chez Bondtech, de la page de l’Orbiter v2.5 chez Rat Rig, de la fiche firmware de l’Orbiter v2.0 chez LDO et de la page du Sherpa Mini chez FYSETC. Les clones copient en général le rapport, pas toujours le diamètre de la roue : étalonnez quand même.

Saisissez courroie, poulie, vis ou rapport de démultiplication : le calculateur donne les pas/mm, la rotation_distance, la fréquence de pas à votre vitesse maximale et les lignes pour Marlin et Klipper.Ouvrir le calculateur de pas par mm

Marlin et Klipper : où vont les chiffres

Marlin stocke des pas par unité. M92 X80 Y80 Z400 E415 les règle, M92 seul affiche les valeurs actuelles (M503 sur les anciennes versions) et M500 les enregistre en EEPROM, si le firmware est compilé avec EEPROM_SETTINGS, comme presque tous ceux des imprimantes. Les valeurs compilées sont DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT dans Configuration.h ; M502 les rétablit.

Klipper n’utilise pas de pas par mm. Chaque section [stepper_…] prend rotation_distance (la course par tour), microsteps et, s’ils diffèrent des valeurs par défaut, full_steps_per_rotation (200 ; 400 pour un moteur de 0,9°) et gear_ratio. Pour convertir une ancienne valeur Marlin : rotation_distance = pas entiers × micropas ÷ pas/mm, soit 200 × 16 ÷ 80 = 40. Avec gear_ratio: 50:17, la rotation_distance est la course du dernier engrenage : voilà pourquoi celle du BMG vaut environ 22,68 et non 7,71.

Étalonner l’extrudeur

Les roues de l’extrudeur mordent dans le filament : l’avance réelle dépend donc du filament et du serrage. Partez de la valeur du fabricant, puis mesurez :

1. Chauffez la buse à la température d’impression et chargez le filament.
2. Faites un repère sur le filament 120 mm au-dessus de son entrée dans l’extrudeur, et mesurez la distance exacte au pied à coulisse.
3. Extrudez lentement. Marlin : M83, puis G1 E100 F100. La procédure de Klipper : G91, puis G1 E50 F60 (pour 50 mm, un repère à environ 70 mm suffit). N’utilisez pas le bouton d’extrusion d’un écran ou d’une appli : il va trop vite et la pression fausse le résultat.
4. Mesurez de nouveau de l’entrée de l’extrudeur au repère. Extrudé = repère avant − repère après.
5. Marlin : nouveaux pas/mm = anciens × demandés ÷ extrudés. Klipper : nouvelle rotation_distance = ancienne × extrudés ÷ demandés, arrondie à trois décimales.
6. Enregistrez, et recommencez si le premier résultat s’écartait de plus de 2 mm environ.

Exemple avec un extrudeur de type BMG à 415 pas/mm : le repère à 120 mm se retrouve à 22,4 mm, il est donc entré 97,6 mm au lieu de 100. Marlin : 415 × 100 ÷ 97,6 = 425,2 pas/mm, enregistrés avec M92 E425.205 et M500. Klipper, avec gear_ratio: 50:17 : 22,679 × 97,6 ÷ 100 = 22,135. L’écart dépasse 2 mm : refaites l’essai avec la nouvelle valeur.

Saisissez la valeur actuelle et les deux distances du repère : le calculateur donne les nouveaux pas/mm et la rotation_distance.Étalonner l’extrudeur

Le courant du moteur : nominal, efficace et crête

Le courant inscrit sur un moteur pas à pas, 2,0 A pour beaucoup de NEMA 17 de 48 mm, est le courant par phase pour lequel il est conçu avec les deux phases alimentées, comme en pas entier. En micropas, le courant des deux bobines suit deux sinusoïdes, et les drivers se règlent de deux façons :

• A4988 et DRV8825 fixent une limite de courant : la crête de la sinusoïde. Chaque bobine reçoit alors environ 71 % de cette valeur en efficace (RMS).
• TMC2208, TMC2209 et TMC5160 se règlent en courant efficace (RMS) : le run_current de Klipper et le X_CURRENT de Marlin sont tous deux en RMS (le commentaire de Marlin dit de multiplier par 1,414 pour obtenir la crête).

Quel courant choisir ? Watterott, qui fabrique les SilentStepStick d’origine, conseille de partir de la moitié du courant nominal et de monter par paliers de 0,1 A si le moteur saute des pas ; la documentation Voron retient 70 % du nominal en RMS, ou la limite du driver si elle est plus basse. Klipper exprime la même idée sans chiffres : autant de courant que le moteur en supporte sans devenir trop chaud pour qu’on puisse le toucher. Pour un moteur de 2,0 A, cela donne 1,0 à 1,4 A RMS.

Ce courant circule même moteur à l’arrêt. Dans une bobine de 1,6 Ω, 1,2 A RMS donnent 2,3 W par phase, environ 4,6 W pour les deux : un moteur qui tient sa position pendant toute l’impression est conçu pour chauffer.

Tous en 1,8°, d’après la page produit de StepperOnline, le plan de LDO et la page produit de Moons’. Ce sont des exemples, pas des recommandations d’achat. Sur toute autre référence, vérifiez le courant nominal par phase, l’inductance (plus elle est basse, plus le moteur garde de couple à haute vitesse sous 24 V), l’arbre et les paires de fils des bobines sur le connecteur.

La Vref des A4988, DRV8825 et TMC2209

Sur un driver réglé au potentiomètre, le courant ne dépend que de deux choses : la tension de référence Vref et la valeur des résistances de shunt à côté de la puce, marquées R068 (0,068 Ω), R100 ou R110.

A4988     I limite (crête) = Vref ÷ (8 × Rs)
DRV8825   I limite (crête) = Vref ÷ (5 × Rs)
TMC2208/9 I RMS = (Vref ÷ 2,5 V) × 0,325 V ÷ (Rs + 0,02 Ω) ÷ √2
          (Rs 0,110 Ω : I RMS = Vref ÷ 1,41 ; au-delà de 2,5 V, la Vref n’ajoute rien)

Pour notre moteur de 2,0 A, on vise environ 1,2 A RMS dans les bobines, 60 % du nominal : un peu sous les 1,4 A à partir desquels la datasheet du TMC2209 demande un soin particulier pour la dissipation. Sur chaque driver, cela donne :

Valeurs de notre calculateur de Vref ; chaque lien l’ouvre avec ces réglages. Notez les pourcentages : 85 % sur un A4988 donnent le même courant dans les bobines que 60 % sur un TMC2209.

Monter à 70 % sur le TMC2209, soit 1,4 A RMS, demande 1,98 V, et seulement avec un module prévu pour ce courant : FYSETC indique que ses SilentStepStick ne s’utilisent que jusqu’à 1,2 A RMS, et la documentation Voron recommande au plus 1,4 A pour un TMC2209 au format stepstick, bien refroidi. Avec des résistances de 0,110 Ω, un TMC2209 ne dépasse pas 1,77 A RMS, même potentiomètre en butée.

D’après les pages des fabricants : Pololu, BIGTREETECH (bttwiki), FYSETC. Les clones varient : lisez le marquage des résistances sur votre carte. Un TMC2208 (1,4 A RMS) est plutôt à réserver à Z et à l’extrudeur.

Choisissez le driver, lisez les résistances de shunt et saisissez le courant du moteur : le calculateur donne la Vref, le courant crête et efficace, et le refroidissement nécessaire.Ouvrir le calculateur de Vref

Mesurer et régler la Vref sans risque

1. Coupez l’alimentation et débranchez le moteur du driver à régler. FYSETC le demande explicitement ; Pololu précise qu’il n’est pas nécessaire de le brancher pour régler la limite.
2. Mettez la carte sous tension avec son alimentation principale, pas seulement par l’USB. Avec l’USB seul, la mesure peut être fausse, et sur un DRV8825 ou un TMC vous risquez de ne rien lire : un DRV8825 ne fournit sa référence qu’avec l’alimentation des moteurs présente et SLEEP et RESET à l’état haut.
3. Pointe noire du multimètre sur une broche GND, pointe rouge sur le centre du potentiomètre ou sur le point de test Vref de la carte.
4. Tournez par petites touches avec un tournevis en céramique ou en plastique : une lame métallique peut court-circuiter le potentiomètre avec une broche voisine. Le sens qui augmente la Vref change d’une carte à l’autre : surveillez le multimètre.
5. Coupez, attendez que la carte se décharge, branchez le moteur, et seulement ensuite remettez sous tension.
6. Faites tourner l’axe quelques minutes et touchez le moteur et le driver : tiède, c’est normal ; trop chaud pour y laisser le doigt, c’est trop de courant.

UART et SPI : le courant dans le firmware

Un TMC2209 sur une carte câblée en UART, comme les drivers intégrés d’une BIGTREETECH SKR Mini E3 V3.0 ou les supports d’une BTT Octopus avec les cavaliers UART en place, reçoit sa consigne de courant du firmware. Marlin bascule le driver sur sa référence interne, le potentiomètre ne sert donc plus à rien ; Klipper règle le courant depuis la configuration. Un module TMC5160 n’a même pas de potentiomètre : il se règle en SPI.

Dans Klipper : run_current: 1.2 dans la section [tmc2209 stepper_x] (ampères RMS), avec sense_resistor laissé à sa valeur par défaut 0.110 ou réglé sur celle de votre module (0.075 pour le TMC5160T Pro). Klipper déconseille hold_current. Dans Marlin : X_CURRENT 1200 dans Configuration_adv.h (mA RMS) avec X_RSENSE 0.11, ou, machine allumée, M906 X1200 puis M500.

Pas sautés, chauffe, micropas et modes

D’après la documentation de Klipper sur les TMC : le driver se coupe de lui-même quand il est trop chaud, et un moteur trop chaud perd du couple et de la précision.

• Micropas : ils apportent de la douceur, pas de la précision. 16 est le choix courant ; les TMC l’interpolent en interne à 256 (interpolate: True est la valeur par défaut de Klipper), ce qui, selon Klipper, introduit une erreur d’environ 0,006 mm sur un axe à rotation_distance 40. Pour la meilleure précision, Klipper suggère spreadCycle, interpolate: False et 64 ou 128 micropas.
• StealthChop ou SpreadCycle : StealthChop est presque silencieux ; SpreadCycle donne plus de couple et de précision et tient mieux la vitesse. Un TMC2209 en mode autonome démarre en StealthChop ; par défaut, Klipper utilise SpreadCycle et Marlin active StealthChop sur tous les axes. Choisissez-en un par axe : Klipper prévient que changer de mode en mouvement donne de mauvais résultats.
• Refroidissement : au-delà d’environ 1 A RMS, les drivers veulent un dissipateur bien collé et un ventilateur qui souffle dessus. Le moteur, lui, chauffe par nature : il reçoit du courant même à l’arrêt.

Exemple complet : toute l’imprimante

Une imprimante cartésienne avec des moteurs de 1,8°, de 2,0 A sur X et Y, des drivers TMC2209 à 16 micropas, des courroies GT2 sur poulies de 20 dents, une vis T8 sur Z et un extrudeur de type BMG. D’après les sections précédentes : X et Y à 80 pas/mm, Z à 400, E étalonné à 425,2 ; 1,2 A RMS sur X et Y, soit 1,7 V sur le potentiomètre en mode autonome. Pour les moteurs de Z et de l’extrudeur, le courant se déduit de leur propre courant nominal.

Klipper (ajoutez uart_pin et les autres broches de la configuration d’exemple de votre carte) :

[stepper_x]
microsteps: 16
rotation_distance: 40

[tmc2209 stepper_x]
run_current: 1.2
sense_resistor: 0.110

[stepper_z]
microsteps: 16
rotation_distance: 8

[extruder]
microsteps: 16
rotation_distance: 22.135
gear_ratio: 50:17

Marlin, à définir dans Configuration.h et Configuration_adv.h avant compilation, ou à envoyer une fois puis enregistrer avec M500 :

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT { 80, 80, 400, 425.205 }
#define X_CURRENT 1200
#define X_RSENSE  0.11

M92 X80 Y80 Z400 E425.205
M906 X1200 Y1200
M500

Erreurs courantes

• Étalonner X et Y avec un cube imprimé. Calculez-les ; n’étalonnez que l’extrudeur.
• Se fier au rapport annoncé de l’extrudeur. Le « 3:1 » d’un BMG est en réalité un 50:17 : saisissez le vrai rapport, ou partez des pas/mm du fabricant.
• Prendre un réglage TMC pour une crête. 2,0 A RMS sur un TMC, c’est la totalité du courant nominal d’un moteur de 2,0 A, sans marge, et plus qu’un module à 0,110 Ω ne peut régler (1,77 A).
• Régler la Vref sur la seule alimentation USB. La mesure peut être fausse, et sur un DRV8825 ou un TMC vous risquez de ne rien lire : branchez l’alimentation principale.
• Supposer la valeur des shunts. Les clones d’un même driver arrivent avec des R050, R068, R100 ou R110 : lisez le marquage sur votre module.
• Tourner le potentiomètre d’un driver en UART. Cela ne change rien ; modifiez run_current ou X_CURRENT.
• Des micropas qui ne concordent pas. Cavaliers à 1/32 et firmware à 1/16 divisent chaque déplacement par deux.

Sécurité

• Coupez avant de toucher au câblage. Brancher un moteur, un module driver ou un cavalier sous tension peut détruire le driver.
• Alimentations secteur. La plupart des imprimantes ont une alimentation 230 V à bornes à vis : gardez son capot en place et la terre raccordée, et ne travaillez côté basse tension qu’une fois la prise débranchée.
• Chaleur. Un moteur très chaud peut ramollir les pièces en plastique fixées dessus, comme le signale la documentation de Klipper, et brûler les doigts. Les drivers sans refroidissement se coupent ou lâchent : le ventilateur de la carte fait partie de la conception.
• Pièces en mouvement. Testez les nouveaux réglages de courant les mains loin des courroies et des poulies, avec l’arrêt d’urgence ou l’interrupteur à portée de main.