一種3D列印步進電機控制系統的製作方法

2023-05-01 19:14:27 2

本發明涉及一種3D列印步進電機控制系統，屬於智能控制技術領域。

背景技術：

3D印表機，是基於快速成形技術的一種機器。3D列印技術是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層列印的方式來構造物體的技術。

傳統的3D印表機，因為步進電機驅動器的緣故，以及系統化的設計問題，使得印表機在列印時因為給電機輸出電流的不穩定，導致步進電機帶動噴頭運動的時候可能出現抖動的問題。噴頭抖動會導致列印不均勻，進而導致成品不符合規格。

同時，因為印表機的塑料和金屬粉末成本高昂，現在的精確度並不適合製造大部分的高端設備工業品，而低端大規模生產的產品卻顯得效率極低，且單體機做生產，維護費用和難度遠遠高於傳統工藝把產業鏈平攤開的做法。高不成低不就，直接導致3D印表機的工業附加值較低。

此外，3D印表機真正列印出一個成品，真正做出一個模型，需要大量的工程，結構方面的知識，需要精巧的設計，並根據具體情況進行調整，工程量較大。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是如何增加3D印表機列印過程中的穩定性，防止噴頭抖動。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是提供一種3D列印步進電機控制系統，其特徵在於：包括

用於作為核心模塊，控制3D列印步進電機工作的網絡處理器；

用於從上位機下載模型數據，以及從內存中將處理數據輸出到網絡處理器中以控制步進電機工作的輸入輸出接口；

用於儲存從上位機下載的模型數據的本地存儲模塊；

用於獲取網絡資源的通信模塊；

輸入輸出接口、本地存儲模塊、通信模塊均與網絡處理器進行信息交換，網絡處理器通過脈衝頻率控制3D列印步進電機轉動的速度和加速度，使3D列印步進電機帶動的噴頭穩定工作。

優選地，所述網絡處理器為STM32F107VC網絡處理器。

優選地，所述輸入輸出接口包括模擬量輸入AI接口、數字量輸入DI接口和數字量輸出DO接口；AI接口用於連接傳感器，以獲取現場連續變化的信號；DI接口用於連接傳感器，以採集現場的開關量信息；DO接口用於輸出數位訊號，以控制執行機構動作。

優選地，所述本地存儲模塊包括EEPROM和外接的SD卡。

優選地，還包括用於線路的鋪設、控制板中晶振的調節測試、各電路的串通以及JTAG接口的設計的基本模塊，基本模塊連接網絡處理器。

優選地，所述包括用於供用戶觀察儀器狀態和選擇其功能的人機接口，人機接口連接網絡處理器。

更優選地，所述人機接口包括LED燈以及LED顯示屏。

優選地，所述3D列印步進電機為57型步進電機。

優選地，還包括3D列印步進電機定位控制系統，上位機下達位置指令X0，根據步進電機位置補償表得到補償位置ΔX，位置指令X0與補償位置ΔX的和形成實際位置指令Xs，實際位置指令Xs與步進電機當前位置的實時反饋值之差為位置偏差E，根據位置偏差E和步進電動機當前轉速發出轉速指令N，並解析為轉向信號dir和脈衝信號cp，控制步進電動機的轉速和轉向，使步進電動機達到指令位置。

更優選地，當步進電動機到達指令位置時，使步進電動機的轉速降為可停轉速，以便於快速準確定位控制。

本發明提供的系統克服了現有技術的不足，充分利用集成的外設單元和其相應的外圍接口電路，採用了脈衝頻率控制電機轉動的速度和加速度，不僅能解決3D列印過程中抖動問題，還能保證遠程監控終端的穩定性，同時在一定程度上降低了3D列印的硬體成本；在處理器設備上有儲存設備及外設儲存設備，可以儲存之前的模板數據，進而降低了重複製作模板的工程量，儲存和列印也變得方便快捷。

附圖說明

圖1為本實施例提供的3D列印步進電機控制系統的總體結構框圖；

圖2為步進電機定位控制系統原理框圖；

圖3為系統的輸入/輸出接口電路；(a)AI接口電路；(b)DI接口電路；(c)DO輸出電路；

圖4為3D列印步進電機控制系統進行3D列印的流程圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。

一、總體設計

1.1總體結構

圖1為本實施例提供的3D列印步進電機控制系統的總體結構框圖，所述的3D列印步進電機控制系統由5個模塊構成。其核心模塊為STM32F107VC網絡處理器，該晶片具備72MHz運行頻率和90DMIPS的處理性能，集成了乙太網、CAN總線、RS485、RS232、USBOTG等各種高性能工業標準接口，其標準外設包括10個定時器、16路12位1Msps採樣速率的A/D模/數轉換器、2路12位D/A數模轉換器等，可以應用於多種工業場合。

與核心模塊進行信息交換的其它模塊分別是：1)基本模塊，主要用於線路的鋪設、控制板中晶振的調節測試、各電路的串通以及JTAG接口的設計；2)本地存儲模塊，主要用於儲存導入的3D模型，有EEPROM和外接的SD卡分別對應兩條總線；3)輸入輸出接口，主要用於從電腦端下載模型數據加以儲存，以及從內存中處理數據輸出到控制板中處理數據控制步進電機工作；4)人機接口，有LED燈顯示以及LED顯示屏以供用戶觀察儀器狀態和選擇其功能；5)通信模塊，裝有DP82848網絡晶片和RS485模塊，獲取網絡資源。

1.2步進電機的選擇

本實施例選擇57型步進電機。

57型步進電機具有兩大優點：1)不需要反饋信號就可以對系統的位置、速度輸出進行控制。其原因是它可以將電脈衝信號轉變為角位移或線位移。在非超載情況下，電機轉速、停止位置只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響。當步進驅動器接收到一個脈衝信號時，它就能驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。2)可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

基於以上優點，本實施例選用了57型步進電機作為3D列印步進電機控制系統的核心。

1.3步進電機定位控制器的工作原理

確定位置及速度原理：定位使用相對定位的方式；當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(及步進角)。通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

57型步進電機的步距角為1.8°，一步的脈衝個數為200。

由於控制器具有採樣周期時間限制，在升速率較高時，步進電機的轉速容易穿越開關線，形成極限環，造成系統振蕩，無法正常工作。為解決以上問題，本實施例設計了一個步進電機定位控制系統，如圖2所示，該定位控制系統由位置補償表、位置控制器、升降速控制器、信號轉換器、轉速及位置檢測器、轉速反饋及失步檢測器等功能模塊組成。

步進電機定位控制系統實現準確定位的工作原理如下：上位機向步進電機定位系統下達位置指令X0，根據起始位置、目標位置和轉向查找位置補償表得到補償位置ΔX，位置指令X0與補償位置ΔX的和形成實際位置指令Xs，實際位置指令Xs與步進電機當前位置的實時反饋值之差為位置偏差E，位置控制器根據位置偏差E和步進電動機當前轉速發出轉速指令N，再由升降速控制器計算出當前步進電動機的轉速/′t，之後由信號轉換器解析為轉向信號dir和脈衝信號cp，控制步進電動機的轉速和轉向，使步進電動機達到指令位置。當系統到達指令位置時，位置控制器必須使步進電動機的轉速降為可停轉速，從而達到快速準確定位控制的要求。

升降速控制器：用於保證步進電動機的轉速能以準確的速率Dac直線下降。步進電動機的最低轉速、最高轉速分別為n(min)、n(max)。步進電動機從n(max)直線下降到n(min)，步進電動機所移動的位置偏差為Em，則：

同理，電機當前轉速為n時，步進電動機從n直線下降到n(min)，步進電動機移動的位置偏差：

上式以位置正偏差時能減少偏差的運動方向為轉速的正方向，當位置負偏差時步進電動機的運動方向應為負方向，則有：

如果以式(2)和式(3)為定位系統最佳開關線，則定位系統的狀態位於開關線時對步進電動機實施以n(min)或n(max)為目標、Dac為速率的直線降速，系統狀態最終可達(0，n(min))或(0，-n(min))點，從而使定位系統快速準確停車。

位置補償表：為了補償由於定位系統的傳動誤差、運動機構間隙非線性、絲槓的扭轉剛度不足等原因造成定位誤差，在不使用直接位置檢測的情況下可採用補償表來減少定位系統的誤差。構建補償表應考慮如下因素：(1)起點和終點；(2)往返；(3)系統運行時間。位置補償表根據不同電機的屬性由若干次試驗預先獲得，為了減少補償表的數據量，可使用插補的方法。補償表僅在位置指令輸入時調用，而非每步都調用。位置補償表的具體構建方法參見文獻：李漢，鍾飾勇.步進電動機快速準確定位系統的設計[J].微特電機，2012，40(5)：34-36.以及孟凱，張炯.LPC2210微控制器在步進電機位置控制系統中的應用[J].電工電氣，2010，(8)：32-35.

轉速、位置及失步檢測：定位系統位置和轉速的檢測採用增量型編碼器。為了簡化系統，降低成本，未使用位置傳感器檢測工作檯的位置，僅檢測步進電動機軸端的位置。採用抗振動M/T測速方法可提高轉速和位置檢測的準確度並具備抗振動性。因為系統可實時檢測步進電動機的轉速，通過比較升降速控制器的輸出轉速N和實測轉速Nact來檢測是否失步，但要設置一個允許偏差。定位系統一旦檢測到失步立即重啟位置控制，確保定位的可靠性。

1.4系統的輸入/輸出接口設計

系統的輸入/輸出接口包括AI(Analog Input，模擬量輸入)接口、DI(Digital Input，數字量輸入)接口和DO(Digital Output，數字量輸出)接口。AI接口用於連接傳感器，以獲取現場連續變化的信號，如溫度、溼度、煙霧等；DI接口用於連接傳感器採集現場的開關量信息，如設備震動、開關門動作、水浸超標和系統斷電等；DO接口用於輸出數位訊號，以控制執行機構動作，如繼電器等設備。

STM32F107VC內部集成了ADC(模擬數字轉換器)，輸入通道的幅值範圍為0～3.3V，傳感器輸出的模擬量數據需要經過濾波、放大處理過程輸入至ADC接口通道。ADC的精度很大程度上依賴於基準電源的精度。本系統採用高精度參考電壓源AD780為STM32F107VC提供基準電壓。AD780是一款超高精度帶隙基準電壓源，可以通過4～36V的輸入電源提供2.5～3.0V輸出基準電壓。它具有低初始誤差、低溫度漂移和低輸出噪聲，非常適合用於增強高解析度ADC的功能。

系統的AI接口電路、DI接口電路以及DO輸出電路如圖3所示；圖3清晰的展現出了AI接口和DI接口，AI接口實現將被控對象的模擬量參數轉換成標準電流或電壓信號；DI接口將脈衝信號轉換成計算機能夠接受的數位訊號。STM32F107VC的GPIO引腳都可以由軟體配置為輸入/輸出模式，並且輸入可承受5VTTL電平。本系統採用PC817光電耦合器實現GPIO引腳與外圍電路的電氣隔離，提升終端的電絕緣和抗幹擾能力。DO接口使用大電流三極體驅動繼電器輸出開關信號。

二、3D列印步進電機控制系統的實現

2.1控制系統結構設計

控制系統主要由3部分組成：電機控制位移系統、傳感反饋系統和電源系統。電機控制分為鑽頭、控制位移和風冷三大部分。傳感反饋功能由位置傳感器、溫溼度傳感器實現。數控板及置物板的放置需要根據x、y、z軸的活動範圍確定。

2.2控制系統硬體組成

控制系統硬體部分由三個基本模塊構成：1)電機直接驅動接口電路；2)驅動脈衝發生電路及過流保護電路；3)微處理器控制模塊。按單路方式，一塊控制板控制一路步進電機。其軟體部分需要根據不同設備類型進行開發。其硬體部分中核心的微處理器採用了東芝TB6560。TB6560步進電機驅動器是具有高穩定性、可靠性和抗幹擾性的經濟型步進電機驅動器，適用於各種工業控制環境。硬體中的驅動器主要用於驅動35、39、42、57型4、6、8線兩相混合式步進電機。其細分數有4種，最大16細分，其驅動電流範圍為0.3A-3A，輸出電流共有14檔，電流的解析度約為0.2A，具有自動半流，低壓關斷、過流保護和過熱停車功能。

TB6560步進電機驅動器微處理器控制板採用STM32F107VC處理器，其內置256K的FLASH存儲器，256K的存儲器除了可以實現基本的電機控制及與上層系統交換數據外，還可以存儲一些運動軌跡庫，用於給上層系統進行調用，由於該存儲空間可以實現加密處理，因此可以有效地保護驅動程序庫的安全。用STM32F107VC來儲存以往列印的模板數據，用於快速方便的成件列印成品。

STM32F107VC處理器可以外接SD卡，可以用來擴展各類控制化系統的運動控制程序庫，能方便地實現系統的擴展，實現各類工業自動化設備的開發。本系統在實現3D列印時，通過選取基本的XYZ運動模組，開發了針對該系統的步進電機控制軟體庫，實現了步進電機的位移控制。

2.33D列印工作流程

3D列印步進電機控制系統進行3D列印的流程如圖4所示。首先，建立預加工的計算機三維實體模型「.STL」文件，結合CAD、CAM將其以STL、ply、wrl等數據格式存儲，看模型是否合適並進行縮放和修補。印表機採用擠壓的方式把熱熔絲從加熱頭擠出來，用擠出的細絲將模型的一層畫出來；然後，採用三維模型列印分層軟體(slicer)對該三維模型進行分層；並且生成路徑文件「G-Code」文件告訴列印頭該如何運動和吐料。使用Seinforge軟體進行分層後，需要Pronterface列印控制軟體來全程控制列印過程；在軟體中通過設定印表機的熱熔絲、進料頭等參數後開始進行列印；在列印中觀察和控制數控版列印是否正常，在不正常情況下立即停止列印並糾正參數。

綜上，本發明提供的系統採用TB6560步進電機驅動器控制57型步進電機。這種控制方法採用了脈衝頻率控制電機轉動的速度和加速度，因而解決了3D列印過程中的抖動問題。系統由STM32F107VC網絡處理器、輸入輸出接口、基本模塊、本地存儲模塊和通信模塊5部分構成，通過分析這5種模塊中重要零部件的參數和工作原理，開發了能實現XYZ三軸方向精確位移控制的系統。試驗表明，本發明提供的系統能實現XYZ三軸方向的精確定位和位移控制。