跟思兼学Klipper(30)：使用辅助宏调整3D打印机无感归位阈值
本帖最后由 pATAq 于 2024-6-9 16:12 编辑又名《调整堵转检测阈值降低创想三维 K1C 打印机无感归位啪啪声》
# 前言
原创文章，转载引用务必著名链接，水平有限，如有疏漏，欢迎指正交流。
文章如有更新请访问 (https://mc.dfrobot.com.cn/thread-319309-1-1.html?fromuid=725344)及 (https://www.cnblogs.com/sjqlwy/p/sensorless_homing.html)，前者内容较全，后者排版及阅读体验更佳。
手中的创想三维 K1C 3D 打印机目前使用很满意。如果想要使用原生 Klipper 的话需要解决 prtouch_v2 压力热床调平器使用闭源 MIPS 二进制库的问题，目前有多种解决方案，此处按下不表。
K1C 的 XY 轴使用 TMC2209 堵转检测特性（StallGuard4）实现无限位归位（也称无限位归零、无感归零、无感归位）功能，从而实现不借助额外限位开关的情况下实现归位。日常归位 Y 轴的时候啪的一声令人胆颤，我都怕 X 横梁给撞歪，或者机架给撞散架（虽然不会），所以准备重新校准堵转检测阈值（以下简称阈值）。由于重复步骤比较多，所以写了个辅助宏。
我们约定：控制台指的是网页上和 Klippy 交互的输入命令接收反馈的地方，ssh 终端指的是使用 SSH 登录后输入 Linux 命令的地方。
软硬件测试环境：
* Creality K1C 3D 打印机
* CrealityOS （已 root，已安装 Moonraker 和 Fluidd）
免责声明：本教程仅作个人记录和分享，未按正确指令操作导致出现问题，和本人无关。【WIP WARNING】目前部分内容还在完善，基本思路没问题。
# 一、基础知识
德国 Trinamic 公司（已被 Maxim 收购，后者又被 ADI 收购）的部分步进电机驱动支持 StallGuard 技术，它通过监测电机转动时的电流变化情况，判断电机是否处于堵转状态，当电机发生堵转时，电流会瞬间变大，TMC 驱动通过内部的电流传感器实时监测电机的电流变化情况，当电流变大到一定程度时，就会判断电机处于堵转状态，并停止驱动电机，从而避免电机过载和损坏。
使用此特性可以实现 3D 打印机的无感归位功能，也就是撞击框架导致电机堵转并被驱动检测到后停止，优点是减少接线、增大可移动范围；缺点是需要调整合适的堵转检测阈值，并且此阈值受归位速度、电机运行电流和温度影响，其中前两者可控，温度需要观察。
目前常见的 TMC 步进电机驱动对堵转检测技术支持情况：
| | StallGuard2 | StallGuard4 |
| ------------------ | ----------- | ----------- |
| TMC2208（TMC2225） | - | - |
| TMC2209（TMC2226） | - | 支持 |
| TMC2240 | 支持 | 支持 |
| TMC2130 | 支持 | - |
| TMC2660 | 支持 | - |
| TMC5160 | 支持 | - |
* StallGuard4 堵转阈值范围为 0-255（越**<u>高</u>**越灵敏），主要配合低速静音 StealthChop 模式使用
* StallGuard2 堵转阈值范围为 -64~63（越**<u>低</u>**越灵敏），主要配合高速防抖 SpreadCycle 模式使用
* StallGuard2 和 StallGuard4 的区别：
> StallGuard4 is optimized for operation with StealthChop, its predecessor StallGuard2 works with
> SpreadCycle. The function is similar: Both deliver a load value, going from a high value at low load, to
> a low value at high load. While StallGuard2 becomes tuned to show a “0”-reading for stall detection,
> StallGuard4 uses a comparison-value to trigger stall detection, rather than shifting SG_RESULT itself.
# 二、参考资料
* (https://www.klipper3d.org/TMC_Drivers.html#_2)，可以查看中文版
* (https://docs.vorondesign.com/community/howto/clee/sensorless_xy_homing.html)，可以作为上述的补充
* (https://github.com/kyleisah/klipper_sensorless_homing)，homing_override 的通用模板宏，K1 系列不需要
# 三、校准堵转检测阈值方法（精简版）
```shell
git clone sgt_cal
cd sgt_cal
```
## 3.1 预处理脚本
```shell
sh pre_sgt_cal.sh
```
此脚本会进行以下操作：
1. 注释掉 printer.cfg 中对 sensorless.cfg 的引用，避免干扰归位过程
2. 注释掉 XY 电机的 hold_current，参考 Klipper 官方推荐
3. 导入自定义配置文件 `override.cfg`：
- 启用电机驱动低速静音模式
- 降低打印机最大速度、加速度以适配低速静音模式
- 设置无动作超时时间 idle_timeout 为 600s (10分钟)
- 设置初始堵转检测阈值为 255
- 修改默认归位速度
4. 重启 Klipper 使修改生效
## 3.2 校准堵转检测阈值步骤
1. 确认热床远离喷嘴，防止归位时刮到热床，可以在控制台使用如下命令强制下降喷嘴:
```yaml
FORCE_MOVE STEPPER=stepper_z DISTANCE=20 VELOCITY=100
```
2. 将热端手动移动到热床中心附近上方，如果无法移动，使用控制台输入 `M84` 关闭电机后再移动
3. 控制台输入如下命令，不断调整阈值（默认从255开始），找到可以完成归位动作，且轻触即停的最灵敏值。
```yaml
# 如下命令代表测试 x 电机，触发堵转检测后回退距离为 0mm，堵转检测阈值为 255。
TEST_SGT stepper=x backoff=0 sgt=255
```
* 当阈值过于灵敏时，挤出头将会移动很短距离就停下，无法归位，此时需要调整阈值
* 初始可以“大踏步”，阈值每次降低50，找到用手挡不住的阈值，网页按急停按钮或者控制台输入M112。
* 再重复使用二分法，结合5/2/1的步进微调，直到找到可以归位同时可以用手轻轻挡下的最高灵敏值。
* 如果测试时热端到达 Y 轴最大处，可以设置 backoff 值让其回退（不指定时默认回退 30mm）
* 再使用上述命令完整归位来进行确认。
* 加载网床补偿时，G90 会要求你先归位，所以要先清除网床才能相对移动。
* 例如：SGT=150 时动一下就停，SGT=100 时用手挡不下来，我们就选择125作为新值。如果125可以停下，则以此为基础每次加1或者2，如127再行测试，直到找到“可以完成归位，同时轻触即可停下的阈值”，假设为102，记为 `SGT_MAX`
7. 找到归位撞击声变大的灵敏值
```yaml
TEST_SGT stepper=x sgt=102
```
* 在上述最高值的基础上，每次减5，当归位撞击声变大无法接受时，使用最后一个可以接受的值，逐步减1，直到找到合适的值。
* 由于此时每次都会完整归位，所以归位完成后需要回退来进行下次测试，此处不设置 backoff 值，则默认回退 30mm
* 例如 SGT=97 时撞击过重，则从102每次减1找到能接受的阈值，如 99，记为 `SGT_MIN`
* 再次以 SGT=99 归位进行确认
8. 使用辅助宏计算合适的堵转检测阈值
* 网页上有一个新宏，名为 `CALC_SGT`，分别填入 SGT_MAX 和 SGT_MIN，会自动计算处合适的阈值
* 公式为 最小值+(最大值-最小值)/3，此处我设置了四舍五入
9. ~~重复上述过程获得 Y 的堵转检测阈值，注意归位时在右前方，<u>此时坐标为(229, 0)，所以y不能回-30吧</u>，可以根据 positive_dir 判断。~~
## 3.3 后处理脚本
```shell
sh post_sgt_cal.sh -x 102 -y 83
```
此脚本执行如下动作：
1. 恢复 printer.cfg 引用 sensorless.cfg
2. 修改 override.cfg 中的 sgt 值，-x 和 -y 后分别为上述计算出的理想阈值
3. 修改 endstop_position 值。这是由于重新校准后，XY 轴特别是 Y 轴会相比之前提前触发，后方擦嘴和左侧划线位置会受到影响，所以需要调整，此处微调1mm。
# 四、校准堵转阈值方法（完整版）
## 4.1 设置合适的归位速度
无感归位需要合适的归位速度，K1系列的默认值为30mm/s，Klipper官方文档建议设置为步进电机 rotation_distance 的一半，此处为 20齿*2mm/2=20mm/s，但是我实际测试至少提升到 40 为宜。如果此值过小，会导致测试的堵转阈值范围过小（最大最小值差值小于5）。
```yaml
# printer.cfg
homing_speed: 40
homing_speed: 40
```
## 4.2 修改 printer.cfg 进行测试
1. 注释掉 sensorless.cfg，避免影响归位动作
2. 注释 hold_current
3. （默认已设置，无需改动）设置 `homing_retract_dist: 0`
4. （默认已设置，无需改动）设置对应电机`endstop_pin: tmc2209_stepper_x:virtual_endstop`
5. （无需设置，如果非2209/2240，则改为-63）设置`driver_SGTHRS: 255`
6. （默认已设置，无需改动）设置正确的`diag_pin`
### override.cfg 内容
```yaml
#
timeout: 600
max_accel: 15000
max_accel_to_decel: 7500
max_z_velocity: 7.5
max_z_accel: 150
square_corner_max_velocity: 100.0
position_endstop: 228
homing_speed: 40
stealthchop_threshold: 999999
# hold_current:1.0
driver_SGTHRS: 83
position_endstop: 1
homing_speed: 40
stealthchop_threshold: 999999
# hold_current:1.0
driver_SGTHRS: 101
enable_force_move: True
```
## 4.3 找到成功归位的最高敏感值
对于2209来说，255最灵敏，0最不灵敏。我们在控制台输入如下自定义宏命令
```yaml
TEST_SGT stepper=x sgt=125 back=0
```
直到找到可以正确归位，并且手指轻挡即可停下的最高阈值。
再次使用此阈值归位，确认可以正确归位。
### 辅助调试宏内容
```yaml
description: 堵转阈值辅助测试宏 by 思兼，默认用于TMC2209。
gcode:
{% set stepper = params.STEPPER|default('x')|string %}
{% set backoff_distance = params.BACKOFF|default(30)|int %}
# 如果 TMC2209/2226/2240 则默认255，否则默认-64, StallGuard2和4的区别见官方手册，精度更高
{% set sgt = params.TMCSGT|default(255)|int %}
SET_TMC_FIELD STEPPER=stepper_{stepper} FIELD=SGTHRS VALUE={sgt}
G4 P2000
G28 {stepper}0
M400
BED_MESH_CLEAR
G91
G0 {stepper}-{backoff_distance} F3000
G90
description: 输入最大和最小堵转阈值，自动计算合适的阈值。如果计算 StallGuard2,需要修改一下
gcode:
{% set sgt_max = params.SGTMAX|default(0)|int %}
{% set sgt_min = params.SGTMIN|default(0)|int %}
{% if sgt_max - sgt_min > 5%}
{% set ideal_sgt = (sgt_min + (sgt_max - sgt_min) / 3)|round|int %}
RESPOND PREFIX="推荐SGT值：" MSG="{ ideal_sgt }"
{% else %}
RESPOND TYPE=error MSG="堵转检测灵敏度不理想，差值小于5，请修改归位速度和/或归位电流后重试"
{% endif %}
```
## 4.4 找到成功归位的最低敏感值
之后我们使用如下参数找到能接受的最低阈值，从最高值逐渐减5，此时撞击声较大，选择之前的一个值。从上一个值逐渐减1。
```yaml
TEST_SGT stepper=y sgt=125
```
## 4.5 计算合适的堵转检测阈值
公式为 最小值+(最大值-最小值)/3，必要时四舍五入
## 4.6 应用堵转检测阈值
# 五、常见问题
## 5.1 何时需要重新调整阈值
由于堵转检测阈值受环境温度、电机型号、电机电流、归位速度等影响，当参数发生较大改变时需要重新调整。同时如果使用 TMC_AutoTune 组件自动设置驱动参数，也需要重新调整。
## 5.2 测得的阈值不满意怎么办
如果 SGT_MAX 和 SGT_MIN 差值小于 5，则获得的阈值可能会导致归位不稳定，可以通过以下方法改善:
1. 增加归位速度，如 50~100mm/s
2. 调整归位时电机电流，我们可以设置独立的电机运行电流 run_current 和归位时电流，从而增加灵活度，具体可以参考上面的(https://github.com/kyleisah/klipper_sensorless_homing)
# Bounus
## 常见 3D 打印机驱动对比
| | 工作电压 | 工作电流 | StealthChop | StallGuard | CoolStep | 通讯协议 |
| ---------------------------------------------------------- | -------------- | ---------------------- | ----------- | ---------- | -------- | -------- |
| TMC2209 | 4.75 to 29V DC | IMAX=2.8A，IRMS = 2.0A | 2 | 4 | Y | UART |
| TMC2130 | 4.75 to 46V DC | IMAX=2.5A，IRMS = 2.0A | 1 | 2 | Y | SPI |
| (https://www.analog.com/cn/products/tmc2240.html) | 4.5V to 36V DC | IMAX=5.0A，IRMS = 2.1A | 2 | 2+4 | Y | SPI/UART |
| TMC2660 | up to 30V DC | IMAX=4.0A | N | 2 | Y | SPI |
| TMC5160 | 8 to 60V DC | 1 to several 10A | 2 | 2 | Y | SPI/UART |
以及：
* (https://marlinfw.org/docs/hardware/tmc_drivers.html)
* (https://www.klipper3d.org/TMC_Drivers.html)
* (https://klipper.discourse.group/t/hold-current-and-run-current-tmc2209/1171) 你好，我是打印机设备厂家，请联系我VX:odoobpm
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