TMC2130 Upgrade für Tevo Tornado

Letztes Update: 03.01.2019

Disclaimer

Die in diesem Dokument enthaltenen Empfehlungen wurden nach bestem Wissen und Gewissen, sowie anhand eigener Erfahrungen zusammengestellt und entsprechen dem Stand der Technik zum Zeitpunkt der Veröffentlichung. Ich kann daher keine Garantie für ihre Richtigkeit geben oder für ggf. entstandene Schäden haftbar gemacht werden. Wenn du dich entscheidest, deinen Drucker umzubauen, geschieht dies auf dein eigenes Risiko!

Materialliste

Da das von Tevo im Tornado verwendete Mainboard fest verlötete Treiber verwendet, ist für einen Umbau auf TMC2130 oder andere Treiber ein neues Mainboard erforderlich. Die gängigste Wahl sind hier entweder Mainboards von Makerbase (MKS Gen) oder die klassische Kombination aus Arduino Mega und Ramps 1.4. Die Boards von Makerbase gibt es derzeit in zwei Varianten: MKS Gen 1.4 und MKS Gen L 1.0. In dieser Anleitung gehen wir davon aus, dass das Gen L 1.0 verwendet wird, da es einen etwas kleineren, dem originalen Board relativ ähnlichen Formfaktor hat. Die meisten Punkte, egal ob Hardware- oder Software-seitig sind aber allgemeingültig.

Das zweitwichtigste Bauteil sind die Stepper-Treiber selbst. Hier gibt es eine Vielzahl an Modellen und Varianten. Wir wollen uns aber auf die Trinamic TMC2130 Treiber konzentrieren, da diese derzeit den größten Leistungsumfang bieten (z.B. leiser Betrieb im StealthChop und StallGuard für sensorloses Homing der X- und Y-Achse). Die TMC2130 Treiber werden als fertig konfigurierte Boards angeboten, die auf dem Mainboard aufgesteckt werden müssen. Ich empfehle die Module bei Watterott zu beziehen, um garantiert echte Treiber zu bekommen. Zudem bezieht sich sowohl diese Anleitung als auch die Standardeinstellungen der Firmware auf die Watterott Module. Chinesische Treiber (erkennbar am weißen Board und meist blauen Kühlkörpern) benötigen z.T. andere Werte in der Firmware oder zusätzliche Lötbrücken um den vollen Funktionsumfang zu unterstützen.

Daneben wird einiges an Kleinteilen und Werkzeugen benötigt.

Hardware

• Mainboard MKS Gen L 1.0 (Aliexpress, ca. 13€)
• 4x Silent StepStick TMC2130 + Kühlkörper (Watterott, ca. 40€)
• DuPont Verbinder Sortiment (Amazon, ca. 12€)
• JST Verbinder Sortiment (Amazon, ca. 12€)
• Flachbandkabel (Amazon, ca. 9€)
• USB Typ B Einbau-Verlängerung (Amazon, ca 5€)
• Adapterplatte für MKS Gen L (selbst zu drucken)

Werkzeuge

• Lötkolben/Lötstation (Meine persönliche Empfehlung: Hakko FX-888D)
• Abisolierzange
• Crimpzange oder kleine Spitzzange

Alternativ bzw. optional

• DuPont Jumperkabel weiblich/weiblich (anstelle Flachbandkabel und Verbinder)
• Schrumpfschlauch
• Kabelbinder
• Kabelspirale
• Geflechtschlauch

Vorüberlegungen zum Umbau

Das MKS Gen L Mainboard hat einen sehr ähnlichen, aber nicht exakt den gleichen Formfaktor, wie das Tevo Mainboard. Entscheidende Unterschiede gibt es bei der Position der Löcher für die Befestigung und bei der Position der USB-Buchse. Daher kann das Board nicht direkt an die Stelle des alten montiert werden. Nach einigen Überlegungen habe ich mich entschieden es um 90° gedreht einzubauen und die USB-Buchse zu versetzen. So wird die Gefahr von Kurzschlüssen durch die alten Verschraubungen ausgeschlossen und zusätzlich liegen die neuen Treiber genau im Luftstrom der Gehäuselüfter, was ihrer Kühlung sehr zuträglich ist.

Um das zu erreichen, habe ich eine Adapterplatte erstellt, die auf die alten Befestigungen gesetzt wird. Das neue Board kann mit M3 Schrauben direkt mit der Adapterplatte verschraubt werden, die Löcher sind entsprechend etwas kleiner, sodass die Schrauben sich beim ersten Eindrehen ein Gewinde schneiden.

Der USB Port kann an seiner ursprünglichen Position nicht wieder verbaut werden, da die Einbaubuchse hier nicht genügend Platz hat. Stattdessen habe ich die Buchse auf die Rückseite verlegt, was ich eh viel praktischer finde. Hier kann einfach das Kabel durch das große Loch nach außen geführt werden oder es wird eine neue Öffnung für die Buchse geschnitten.

Treiber vorbereiten

Watterott bietet die Silent StepStick TMC2130 Treiber in zwei Varianten an: Ohne Stiftleisten oder bereits komplett verlötet. Wer die letztere Variante gekauft hat, kann diesen Schritt überspringen. Bei den unverlöteten Treibern befinden sich zwei Stiftleisten mit je 8 Pins im Beutel mit den Treibern. Die eine Leiste wird komplett auf der Motorseite (Links vom Watterott Logo, bzw. oben, wenn “Silent StepStick lesbar ist) eingelötet. Bitte dabei darauf achten das der Treiberchip selbst nach unten weisen muss, ebenso wie die 8 Pins. Die andere Leiste wird mittels Seitenschneider geteilt in einmal 4 Pins, einmal zwei Pins und zweimal je ein Pin. Zwei Pins werden rechts unten an Dir und Step verlötet, ein einzelner auf der unteren linken Seite an En. Diese drei weisen ebenfalls nach unten. Die übrigen 5 Pins werden nun nach oben weisend verlötet, die vier zusammenhängenden an SDO, SDI, CS und SCK und der letzte, einzelne auf den obersten der dreieckig angeordneten Anschlüsse. (Siehe Zeichnung im nächsten Abschnitt)

Damit sind die Treiber bereits fertig für den Einbau und können auf dem Mainboard aufgesteckt werden. Welcher Treiber in welche Achse gesteckt wird spielt erstmal keine Rolle. Die Anschlüsse für die Achsen sind auf dem Board beschriftet: Mit den Treibern nach oben sind es von links nach rechts: X, Y, Z, E0 und E1. Die Motorseite der Treiber zeigt beim Einstecken nach oben, Richtung Anschlüsse, kommt also in die schwarze Leiste. Die nach oben stehenden Pins befinden sich auf der gegenüberliegenden Seite und diese Treiberseite wird entsprechend in die grüne Leiste eingesteckt. Unter den Anschlüssen befinden sich jeweils drei Jumper, die zur Konfiguration der Microsteps dienen. Die Jumper belassen wir alle dort, wo sie sind.

Als nächstes gilt es, alle benötigten Kabel zu konfektionieren, damit die Treiber und das Mainboard miteinander kommunizieren und somit ihr volles Potential entfalten können.

Verkabelung

Treiber und Mainboard kommunizieren über den SPI Bus miteinander, so können Statusinformationen der Treiber an die Firmware gesendet und Anpassungen an den Treibern vorgenommen werden, z.B. das Einstellen der Referenzspannung. Außerdem wird der Diagnose-Pin der Treiber an die Stecker der Endstops für X und Y auf dem Mainboard angeschlossen, damit das Sensorless Homing funktioniert.

Für eine möglichst saubere und übersichtliche Verkabelung habe ich verschiedene Kabelfarben in den benötigten Längen abgeschnitten und an den Enden mit DuPont Steckern versehen (bzw. JST für die Endstops) benötigt werden je Treiber 5 Leitungen:

SDI, SDO, SCK, CS und Diag. Die drei Leitungen SDO (Data out), SDI (Data in) und SCK (Clock) bilden den SPI Bus und haben nur jeweils einen Pin auf dem mainboard an den sie angeschlossen werden, die einzelnen Treiber werden parallel dort angehangen. Es gibt also nur eine Datenleitung auf der kommuniziert wird. Damit der jeweils richtige Treiber angesprochen werden kann, gibt es die CS (Chip Select) Leitung. Diese sind individuell für jede Achse. Die Diag Pins müssen im Prinzip nur an der X und Y Achse an die Endstops angeschlossen werden, da nur diese Achsen Sensorless Homing nutzen werden. Der Endstop der Z Achse wird in meinem Fall von einem BLTouch bedient. Das folgende Schema zeigt die Verkabelung der Treiber.

Achte beim Verkabeln darauf, dass alle Pins richtig miteinander verbunden sind und es keine Kurzschlüsse gibt. Wenn du hier etwas falsch machst, kann das im schlimmsten Fall das Mainboard oder die Treiber zerstören.

Bevor wir den Umbau der Hardware beenden können, müssen noch die Anschlüsse für Hotend, Thermistoren, Lüfter, Strom und das Display wieder verbunden werden. Die Anschlüsse sind jeweils deutlich markiert. Am besten machst du dir Fotos vom alten Board und kontrollierst die Kabel beim Anschluss am neuen. Auch ein kleines Label an jedem Kabel kann nicht schaden. Drei kleine Stolpersteine gilt es jetzt noch zu beachten:

1. Der Bauteillüfter wird nicht wie beim originalen Mainboard mit einem Schraubverbinder angeschlossen, sondern hat einen JST Header auf dem Board. Du solltest das Kabel also mit einem passenden Stecker versehen (DuPont funktioniert auch, verrutscht aber leicht und dann bleibt der Lüfter aus)
2. Die Belegung der EXP1 und EXP2 Header für den Anschluss des LCDs auf dem Gen L sind um 180° verdreht im Gegensatz zum Tornado Mainboard. Damit das Display funktioniert, ziehe einfach die Plastikrahmen mit einer Zange vorsichtig vom Board, drehe sie um 180° und stecke sie wieder auf, dann gehen die Stecker in der richtigen Orientierung hinein.
3. Achte bei den Anschlüssen für Strom, Heatbed, Hotend und Lüfter auf die aufgedruckte Polarität, der 12/24 Anschluss für das Netzteil hat den – Pol links und + rechts. Bei den übrigen Anschlüssen ist es genau andersrum. Immer schwarz auf – und rot auf + legen!

Die alten Kabel der Endstops kannst du komplett aus deinem Kabelbaum entfernen, da die Endstops für die X und  Achse künftig direkt durch unsere neuen Treiber bedient werden. Auf der Z Achse gibt es kein Sensorless Homing. Da wir in dieser Anleitung davon ausgehen, dass bspw. ein BLTouch Sensor verwendet wird, um den Nullpunkt auf Z zu setzen, wird dieser wieder wie gewohnt an Z- angeschlossen. Hast du keinen solchen Sensor, bleibt der originale Endstopschalter an dieser Achse bestehen und wird auch wieder in die Z- Buchse eingesteckt.

Firmware

Damit unser Drucker mit der neuen Hardware funktioniert, sind einige Anpassungen in der Firmware nötig. Ich empfehle dazu eine relativ aktuelle Version der Marlin Firmware zu verwenden (auf der auch die originale Firmware des Tornados beruht). Ältere Versionen haben noch keine Unterstützung für die TMC2130 Treiber, da diese erst kürzlich implementiert wurde. Eine fertige Firmware auf Basis von Marlin 1.1.8 1.1.9 findest du im Firmware-Downloadbereich Folgende Features sind enthalten:

• Volle Unterstützung für TMC2130 mit SPI Bus
• HybridMode (StealthChop bis 100mm/s, SpreadCycle >100mm/s, bzw. 30mm/s für E)
• Driver Health Monitoring (Schutz vor Überhitzung der Treiber)
• Microstepping Interpolation auf 256 Microsteps
• Sensorless Homing auf X und Y
• TMC Debugging per Gcode M122
• BLTouch Sensor mit Unified Bed Leveling (UBL)
• Custom Bootscreen
• Statusabhängige RGBW-Beleuchtung (erfordert weitere Verkabelung)

Für Tornados ohne BLTouch gibt es dort auch eine angepasste Version der Firmware, die die gleichen Features enthält, außer BLTouch und UBL.

Damit du verstehst, wie Marlin zu konfigurieren ist und du deine eigenen Anpassungen machen kannst, bzw. künftige Updates selbst erstellen kannst, zeige ich hier die wichtigsten Änderungen. Als Basis dient entweder eine bereits für den Tornado angepasste Firmware oder die aktuelle Standardversion von http://marlinfw.org/meta/download/.

Zum Öffnen und bearbeiten, lade dir die aktuelle Arduino IDE herunter. Beim Download der Firmware von der Marlin Website erhältst du eine ZIP Datei, die du zunächst entpacken musst. Darin findest du den Ordner Marlin, indem wiederum die Datei Marlin.ino liegt. Öffne diese Datei mit der Arduino Software. Du wirst sehen, es öffnen sich viele Tabs, in denen alle Files enthalten sind, die die Marlin Firmware bilden. Wir werden in drei dieser Dateien arbeiten:

• Configuration.h
• Configuration_adv.h
• pins_RAMPS.h

Beginnst du mit der Standardversion sind einige zusätzliche Änderungen nötig, damit die Firmware mit dem Tornado arbeiten kann. Darauf werde ich jedoch nicht weiter im Detail eingehen. Meine Empfehlung, um eine funktionierende Version zu erhalten ist mit einer Software wie WinMerge eine funktionierende Tornado Firmware mit dem jungfräulichen Marlin zu vergleichen. Es genügt dabei, sich auf die drei oben genannten Dateien zu beschränken. WinMerge zeigt Unterschiede in den jeweiligen Dateien an und kann diese automatisch von einer Seite zur anderen übernehmen. So erhältst du z.B. die Konfiguration für die richtige Bed-Größe und vieles mehr.

Auf dieser Basis passen wir nun alle nötigen Punkte an, damit die Firmware auf dem MKS Gen L Mainboard mit TMC2130 Treibern läuft. Ich gehe dabei Dateiweise vor und zeige jeweils nur die relevanten Abschnitte. Bitte also selbst die entsprechenden Passagen suchen und anpassen. An den meisten Stellen ist dabei nur eine auskommentierte Zeile zu aktivieren, indem das vorangestellte “//” gelöscht wird. (Die gezeigten Anpassungen basieren auf Marlin Version 1.1.8, für neuere Versionen kann es vereinzelte Unterschiede geben. Die wesentlichen Parameter sind aber gleich)

Configuration.h

[...]

// The following define selects which electronics board you have.
// Please choose the name from boards.h that matches your setup
#ifndef MOTHERBOARD
 #define MOTHERBOARD BOARD_MKS_GEN_L
#endif

[...]

//===========================================================================
//============================== Endstop Settings ===========================
//===========================================================================

// @section homing

// Specify here all the endstop connectors that are connected to any endstop or probe.
// Almost all printers will be using one per axis. Probes will use one or more of the
// extra connectors. Leave undefined any used for non-endstop and non-probe purposes.
#define USE_XMIN_PLUG
#define USE_YMIN_PLUG
#define USE_ZMIN_PLUG
//#define USE_XMAX_PLUG
//#define USE_YMAX_PLUG
//#define USE_ZMAX_PLUG

[...]

// Mechanical endstop with COM to ground and NC to Signal uses "false" here (most common setup).
#define X_MIN_ENDSTOP_INVERTING false // set to true to invert the logic of the endstop.
#define Y_MIN_ENDSTOP_INVERTING false // set to true to invert the logic of the endstop.
#define Z_MIN_ENDSTOP_INVERTING false // set to true to invert the logic of the endstop.
#define X_MAX_ENDSTOP_INVERTING false // set to true to invert the logic of the endstop.
#define Y_MAX_ENDSTOP_INVERTING false // set to true to invert the logic of the endstop.
#define Z_MAX_ENDSTOP_INVERTING false // set to true to invert the logic of the endstop.
#define Z_MIN_PROBE_ENDSTOP_INVERTING false // set to true to invert the logic of the probe.

[...]

// Invert the stepper direction. Change (or reverse the motor connector) if an axis goes the wrong way.
#define INVERT_X_DIR true
#define INVERT_Y_DIR true
#define INVERT_Z_DIR false

// Enable this option for Toshiba stepper drivers
//#define CONFIG_STEPPERS_TOSHIBA

// @section extruder

// For direct drive extruder v9 set to true, for geared extruder set to false.
#define INVERT_E0_DIR false
#define INVERT_E1_DIR false
#define INVERT_E2_DIR false
#define INVERT_E3_DIR false
#define INVERT_E4_DIR false

Configuration_adv.h

// @section TMC2130, TMC2208

/**
* Enable this for SilentStepStick Trinamic TMC2130 SPI-configurable stepper drivers.
*
* You'll also need the TMC2130Stepper Arduino library
* (https://github.com/teemuatlut/TMC2130Stepper).
*
* To use TMC2130 stepper drivers in SPI mode connect your SPI2130 pins to
* the hardware SPI interface on your board and define the required CS pins
* in your `pins_MYBOARD.h` file. (e.g., RAMPS 1.4 uses AUX3 pins `X_CS_PIN 53`, `Y_CS_PIN 49`, etc.).
*/
#define HAVE_TMC2130

[...]

#if ENABLED(HAVE_TMC2130) || ENABLED(HAVE_TMC2208)

 // CHOOSE YOUR MOTORS HERE, THIS IS MANDATORY
 #define X_IS_TMC2130
 //#define X2_IS_TMC2130
 #define Y_IS_TMC2130
 //#define Y2_IS_TMC2130
 #define Z_IS_TMC2130
 //#define Z2_IS_TMC2130
 #define E0_IS_TMC2130
 //#define E1_IS_TMC2130
 //#define E2_IS_TMC2130
 //#define E3_IS_TMC2130
 //#define E4_IS_TMC2130

[...]

 /**
  * Use Trinamic's ultra quiet stepping mode.
  * When disabled, Marlin will use spreadCycle stepping mode.
  */
 #define STEALTHCHOP

 /**
  * Monitor Trinamic TMC2130 and TMC2208 drivers for error conditions,
  * like overtemperature and short to ground. TMC2208 requires hardware serial.
  * In the case of overtemperature Marlin can decrease the driver current until error condition clears.
  * Other detected conditions can be used to stop the current print.
  * Relevant g-codes:
  * M906 - Set or get motor current in milliamps using axis codes X, Y, Z, E. Report values if no axis codes given.
  * M911 - Report stepper driver overtemperature pre-warn condition.
  * M912 - Clear stepper driver overtemperature pre-warn condition flag.
  * M122 S0/1 - Report driver parameters (Requires TMC_DEBUG)
  */
 #define MONITOR_DRIVER_STATUS

 #if ENABLED(MONITOR_DRIVER_STATUS)
   #define CURRENT_STEP_DOWN     50 // [mA]
   #define REPORT_CURRENT_CHANGE
   #define STOP_ON_ERROR
 #endif

 /**
  * The driver will switch to spreadCycle when stepper speed is over HYBRID_THRESHOLD.
  * This mode allows for faster movements at the expense of higher noise levels.
  * STEALTHCHOP needs to be enabled.
  * M913 X/Y/Z/E to live tune the setting
  */
 #define HYBRID_THRESHOLD

 #define X_HYBRID_THRESHOLD     100 // [mm/s]
 #define X2_HYBRID_THRESHOLD    100
 #define Y_HYBRID_THRESHOLD     100
 #define Y2_HYBRID_THRESHOLD    100
 #define Z_HYBRID_THRESHOLD       4
 #define Z2_HYBRID_THRESHOLD      4
 #define E0_HYBRID_THRESHOLD     30
 #define E1_HYBRID_THRESHOLD     30
 #define E2_HYBRID_THRESHOLD     30
 #define E3_HYBRID_THRESHOLD     30
 #define E4_HYBRID_THRESHOLD     30

 /**
  * Use stallGuard2 to sense an obstacle and trigger an endstop.
  * You need to place a wire from the driver's DIAG1 pin to the X/Y endstop pin.
  * X and Y homing will always be done in spreadCycle mode.
  *
  * X/Y_HOMING_SENSITIVITY is used for tuning the trigger sensitivity.
  * Higher values make the system LESS sensitive.
  * Lower value make the system MORE sensitive.
  * Too low values can lead to false positives, while too high values will collide the axis without triggering.
  * It is advised to set X/Y_HOME_BUMP_MM to 0.
  * M914 X/Y to live tune the setting
  */
 #define SENSORLESS_HOMING // TMC2130 only

 #if ENABLED(SENSORLESS_HOMING)
   #define X_HOMING_SENSITIVITY  6
   #define Y_HOMING_SENSITIVITY  8
 #endif

 /**
  * Enable M122 debugging command for TMC stepper drivers.
  * M122 S0/1 will enable continous reporting.
  */
 #define TMC_DEBUG

[...]

#endif // TMC2130 || TMC2208

pins_RAMPS.h

[...]

//
// Steppers
//
#define X_STEP_PIN         54
#define X_DIR_PIN          55
#define X_ENABLE_PIN       38
#define X_CS_PIN           59

#define Y_STEP_PIN         60
#define Y_DIR_PIN          61
#define Y_ENABLE_PIN       56
#define Y_CS_PIN           63

#define Z_STEP_PIN         46
#define Z_DIR_PIN          48
#define Z_ENABLE_PIN       62
#define Z_CS_PIN           40

#define E0_STEP_PIN        26
#define E0_DIR_PIN         28
#define E0_ENABLE_PIN      24
#define E0_CS_PIN          42

[...]

Falls du die Arduino IDE das erste Mal dazu benutzt, um Firmware für den Tornado zu erstellen, musst du noch die U8glib Library einbinden, damit das Display ordnungsgemäß funktioniert. Außerdem wird für unseren Fall die TMC2130 Library benötigt. Beides findest du unter Sketch > Bibliothek einbinden > Bibliothek verwalten. Über die Suche findest du die jeweiligen Bibliotheken und kannst diese einfach mit einem Klick auf Installieren herunterladen.

Außerdem musst du der IDE noch mitteilen, für welchen Arduino die Firmware erstellt werden soll und wo er angeschlossen ist. Öffne dazu das Werkzeuge Menü. Unter Board wählst du “Arduino/Genuino Mega or Mega 2560”, als Prozessor  ATmega 2560 (Mega 2560) und unter Port den USB Port, an dem dein Board angeschlossen ist (z.B. COM3). Wenn du nicht weißt, welchen Port du wählen musst, schaue im Windows Geräte-Manager nach. Unter Anschlüsse COM & LPT sind dort wahrscheinlich zwei Geräte gelistet: Ein Kommunikationsanschluss COM1 und ein weiteres das z.B. COM2 oder COM3 verwendet – das ist unser benötigter Port.

Wenn alle Anpassungen vorgenommen sind, solltest du die Firmware zunächst überprüfen. Klicke dazu am oberen Bildschirmrand auf das Häkchen

Die Prüfung dauert eine Weile und sollte keine Fehler ausgeben.

Hat alles geklappt, kann die neue Firmware auf das Board übertragen werden. Klicke dazu auf das Pfeil-Icon. Die Firmware wird erneut kompiliert und auch dieses Mal sollte es ohne Fehler laufen, danach wird sie auf das Board hochgeladen, das sich nach einer Weile neu starten sollte. Ziehe den USB Stecker erst ab, wenn du die Meldung erhältst, dass der Sketch erfolgreich hochgeladen wurde.

Geschafft!

Glückwunsch, dein neuer, smarter Tevo Tornado ist jetzt bereit für seine ersten Drucke.

Bevor es richtig losgeht, solltest du alles auf Funktion prüfen, bewege die einzelnen Achsen über das Display Menü oder z.B. OctoPrint, prüfe ob die Temperaturanzeigen plausibel sind, heize Bett und Nozzle auf und beobachte ob die Temperaturen auf der Anzeige korrekt steigen und home alle Achsen. Vermutlich wirst du den Drucker auch neu kalibrieren müssen – wenigstens den Extruder.

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