FDM型3D打印機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

梅武軍

（浙江大學(xué)臺(tái)州研究院，浙江臺(tái)州318000）

FDM型3D打印機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

梅武軍

（浙江大學(xué)臺(tái)州研究院，浙江臺(tái)州318000）

文中主要對(duì)FDM型3D打印機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)與描述，這些部分主要包括以下幾個(gè)部分：微控制器單元、三路行程開(kāi)關(guān)模塊、兩路溫度器的傳感模塊、擠出機(jī)和加熱床加熱電路模塊、四路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和基本的通信模塊組成的。同時(shí)，詳細(xì)說(shuō)明了每個(gè)模塊控制系統(tǒng)的具體電路實(shí)現(xiàn)方式和基本原理，也對(duì)包括器件的選型和部分重要參數(shù)進(jìn)行總結(jié)和計(jì)算。在具體電路設(shè)計(jì)方面，主要考慮了LPC1768微控制器電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電源電路。最終，還對(duì)設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊進(jìn)行一定量的測(cè)試，得出結(jié)論，所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制電路符合技術(shù)要求。關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)；電機(jī)控制系統(tǒng)；微控制器；設(shè)計(jì)研究

隨著科技信息技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展以及信息控制技術(shù)的不斷深入，在快速成型技術(shù)領(lǐng)域［1-2］，3D打印機(jī)的發(fā)展始終引領(lǐng)著行業(yè)的不斷進(jìn)步。伴隨著新成型技術(shù)的研發(fā)、新的品牌、新的型號(hào)和新的在線(xiàn)打印服務(wù)不斷推陳出新，這些變化均為廠商提供了較為寬廣的發(fā)展舞臺(tái)。

根據(jù)目前的行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，基于傳統(tǒng)以單片機(jī)為核心的3D打印控制技術(shù)存在的一些諸如處理速度較慢、片外芯片冗雜、電路相對(duì)復(fù)雜、制作成本高等問(wèn)題。本文研究設(shè)計(jì)了一款以L(fǎng)PC1768為核心架構(gòu)的微控制器。在所設(shè)計(jì)的新型控制系統(tǒng)中，主要用來(lái)完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的行為控制，還可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擠出機(jī)加熱電阻的有效命令控制和讀取在移動(dòng)端SD卡存放的配置文件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化操作。此控制系統(tǒng)在打印文件和通過(guò)USB方式與上位機(jī)通信的技術(shù)方面也做出了較大改進(jìn)?？刂葡到y(tǒng)的核心組成部分從使用單片機(jī)和PLC時(shí)代開(kāi)始向以DSP數(shù)字信號(hào)處理器或ARM作為系統(tǒng)控制器的方向發(fā)展［3］，桌面型的3D打印系統(tǒng)為改善其打印質(zhì)量，需設(shè)計(jì)更加優(yōu)良且資源更為豐富的控制器，而目前高性能控制器的芯片如DSP和ARM將是打印機(jī)控制系統(tǒng)的首選。

1　采用LPC1768　微控制器電路的設(shè)計(jì)研究

LPC1768微控制器是一款基于ARM CortexM3的內(nèi)核高性能處理器，廣泛應(yīng)用于低功耗，高性能的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)中，因其在內(nèi)部架構(gòu)中具有豐富的外設(shè)，使其主要在運(yùn)動(dòng)式的控制中得到了較好的應(yīng)用，這也使得系統(tǒng)在單片控制上具有優(yōu)良的表現(xiàn)。此款芯片是具有32位操作性能的3級(jí)流水線(xiàn)和哈佛架構(gòu)，其工作頻率一般可達(dá)到100 MHz，這就為系統(tǒng)的操作相應(yīng)節(jié)省了時(shí)間。

LPC1768微控制器的基本電路邏輯圖，如圖1所示。其電源電壓設(shè)定為3 V，在系統(tǒng)的微架構(gòu)中，磁珠L(zhǎng)8將數(shù)字地與模擬地進(jìn)行了有效的分離處理，由此便可消除電路中數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的相互干擾，從而使系統(tǒng)的模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)能較好的分離。在時(shí)鐘源的選擇上，主振蕩器接12 MHz晶振作為CPU的時(shí)鐘源［4-5］。復(fù)位按鍵是控制器內(nèi)部的一個(gè)重要組成部分，其中S2復(fù)位鍵在這方面可滿(mǎn)足要求。EXTRUDER_Heat的端口連接的是擠出機(jī)，而B(niǎo)ED_Heat端連接的是微控制器的加熱床電路。在行程開(kāi)關(guān)電路的選擇上電源為+5 V，微控制器本身的電源為+3.3 V，此外還可通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行內(nèi)部電能的轉(zhuǎn)換從而得到所需的電壓額定。USB接口對(duì)于一個(gè)3D型的打印機(jī)而言，也是一個(gè)相對(duì)重要的功能性接口，可實(shí)現(xiàn)多方面的研究。在此款微控制器中，VCCP_USB_Led接USB接口。

圖1　FDM型3D打印機(jī)微控制器電路及各端口示意圖

2　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)研究

在步進(jìn)電機(jī)的架構(gòu)模式中，采用的是兩相四線(xiàn)混合式42系列步進(jìn)電機(jī)，其工作的額定電壓為24 V，額定電流可達(dá)到1.7 A，該步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)精度上定為4%。在設(shè)計(jì)理念上，采取5種驅(qū)動(dòng)步進(jìn)模式，即全步進(jìn)、半步進(jìn)、四分之一步進(jìn)、八分之一步進(jìn)及十六分之一步進(jìn)；輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)35 V及± 2 A，這就為系統(tǒng)所選步進(jìn)電機(jī)提供了足夠的輸出功率。在設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自帶內(nèi)置編碼轉(zhuǎn)換器，從而大幅提升了器件的運(yùn)行效率，可進(jìn)行相位順序表和高功率控制的界面編程。A4988內(nèi)部含有一個(gè)電流穩(wěn)壓器，可在多種模式下良好運(yùn)行和工作。混合衰減電流的控制方式可減少電機(jī)噪音并提高步進(jìn)精度。在電流內(nèi)部的保護(hù)主要包括過(guò)熱和過(guò)電流及欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)［6］。

圖1給出了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及外圍電路圖，LPC1768微控制器只需控制ENABLE、DIR、STEP 3路端口便可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。在內(nèi)部A4988的FET輸出下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能大幅增強(qiáng)，但當(dāng)ENABLE端口輸入為高電平時(shí)信號(hào)不能被輸出，電機(jī)處于被鎖定狀態(tài)。在該種情況下，若將電壓反轉(zhuǎn)，需要ENABLE端口為低電平時(shí)才能輸出，電機(jī)則也就能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。DIR端口輸入信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)各出高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)輸入為低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。STEP端口輸入驅(qū)動(dòng)脈沖是微步信號(hào)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)會(huì)趨于穩(wěn)定。

通過(guò)調(diào)節(jié)S10，S11，S12等控制細(xì)分步進(jìn)量［7］，這一細(xì)分控制方法如表1所示。當(dāng)然，為了克服步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在的一些諸如低頻振蕩、高頻出力不足易導(dǎo)致失步以及定位精度等缺點(diǎn)，文中的系統(tǒng)采用1/16步進(jìn)量細(xì)分法，其同時(shí)也是保證步進(jìn)電機(jī)具有良好平滑運(yùn)行性能的重要舉措。

表1　關(guān)于步進(jìn)控制的邏輯表

電容C1是電荷泵產(chǎn)生的一個(gè)高電平，另外V1N1與VCP端口之間加上一個(gè)100 nF的電容C13。同時(shí)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)A4988中DMOS管的柵源極。在設(shè)計(jì)中，滑動(dòng)變阻器提供了可調(diào)節(jié)的電流反相輸入，當(dāng)R21兩端電壓等于內(nèi)部DAC輸出時(shí)，A4988就自動(dòng)關(guān)閉，停止工作。通過(guò)上述設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)，可使步進(jìn)電機(jī)工作在1.7 A的額定相電流。

3　加熱床和擠出機(jī)的溫度控制電路設(shè)計(jì)研究

在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，加熱床和擠出機(jī)上均配備有加熱電阻和用于溫度檢測(cè)的熱敏電阻。其中，排針J8的1，2端子連接熱敏電阻，而加熱電阻是通過(guò)3，4端連接的。在日常運(yùn)轉(zhuǎn)中，微控制器LPC1768中的12位ADC將實(shí)時(shí)采集CTC1_Temp端口的電壓模擬量。在加熱電阻方面，檢測(cè)到的溫度變化量與ADC采集到的電壓模擬量間是具有良好的線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系的，對(duì)微控制器采集到的電壓量進(jìn)行的PID調(diào)節(jié)，會(huì)生成PWM波，在輸出端CTC1_Heat通過(guò)調(diào)節(jié)MOS控制管可對(duì)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行一定量的校對(duì)和調(diào)節(jié)，當(dāng)CTC1_Heat為高電平時(shí)，兩個(gè)級(jí)別的控制管會(huì)導(dǎo)通，從而使功率管也會(huì)相應(yīng)導(dǎo)通，加熱電阻接通后，會(huì)自動(dòng)給加熱床和擠出機(jī)進(jìn)行一定條件下的加熱。最后階段，微控制器不斷地采集與溫度對(duì)應(yīng)的相關(guān)電壓量，還可通過(guò)PID調(diào)節(jié)來(lái)控制加熱電阻的通斷。由此，整個(gè)系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了互通互聯(lián)，成為一個(gè)閉環(huán)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這樣在溫度調(diào)節(jié)下就可保證良好的功能。同時(shí)，為了保護(hù)加熱電阻兩端電壓≤60 V，防止其被燒壞。對(duì)于3個(gè)MOS管而言，Q9，Q10為兩個(gè)小功率的驅(qū)動(dòng)控制管進(jìn)行管控與平衡，可大幅提高加熱管的功率［8］。

圖2　加熱床和擠出機(jī)的溫度控制電路

4　行程開(kāi)關(guān)的電路設(shè)計(jì)研究

系統(tǒng)中行程開(kāi)關(guān)采用的是光電器件，這就在一定程度上克服和避免了形成開(kāi)關(guān)長(zhǎng)久以來(lái)存在的響應(yīng)速度慢、精度差、接觸監(jiān)測(cè)容易在一定量上損壞被檢測(cè)物，還有存在的壽命過(guò)短等一系列的缺點(diǎn)，且該開(kāi)關(guān)在設(shè)計(jì)上存在著體積小，壽命長(zhǎng)，精度高和響應(yīng)命令的速度快等優(yōu)點(diǎn)。這一開(kāi)關(guān)在檢測(cè)距離遠(yuǎn)等方面存在較大的優(yōu)勢(shì)，此外，還有抗光電磁的能力好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用的LPC1768微控制器輸入端口采用的是下降沿中斷模式，這就保證了信號(hào)在用戶(hù)的命令后能快速響應(yīng)和反饋，在控制精度上得到了較大的提升。行程開(kāi)關(guān)電路如圖3所示。在設(shè)計(jì)中，將關(guān)電開(kāi)關(guān)放置在了各個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的零點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)軸或多個(gè)軸在向零點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，U3的3腳輸出的是高電平信號(hào)，當(dāng)Q5導(dǎo)通后，在OUT端口輸出的低電平信號(hào)會(huì)給控制芯片來(lái)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

圖3　行程開(kāi)關(guān)的電路設(shè)計(jì)圖

5　3D打印機(jī)電源電路設(shè)計(jì)研究

在所設(shè)計(jì)的這款控制系統(tǒng)中，需要3種電壓等級(jí)的供電電壓，其分別是微控制器ARM LPC1768的3.3 V、行程開(kāi)關(guān)電路的+5 V及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的24 V。在實(shí)際工作中，通常要使整套系統(tǒng)可同時(shí)用到一個(gè)直流電源電壓24 V，即利用了直流穩(wěn)壓的電流二次轉(zhuǎn)變?？梢酝ㄟ^(guò)開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器L5970D將一直存在的直流電壓24 V變換成+5 V輸出，這是一種常見(jiàn)的變壓方式，在這種操作后，可產(chǎn)生高達(dá)1 A的電流輸出，這樣驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)，最終通過(guò)一定的設(shè)計(jì)電壓變換，可達(dá)到所需的不同等級(jí)電壓輸出，且還可使電壓具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)性能，具體電源設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4　控制電路中電源電路的設(shè)計(jì)圖

6　結(jié)束語(yǔ)

文中主要闡述了FDM型的3D打印機(jī)的基本原理以及其的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中主要包括微控制器的單元構(gòu)建，三路的行程開(kāi)關(guān)模塊，兩路的溫度傳感器模塊以及擠出機(jī)與加熱機(jī)的電路模塊等。當(dāng)然，作為功能性需求較強(qiáng)的3D打印機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊和通信電源模塊也是必不可少的。在此基礎(chǔ)上，本文詳細(xì)研究了每一個(gè)單元模塊的具體設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)方法，并最終給出了每個(gè)單元模塊的具體電路圖。雖然3D打印機(jī)的前景較好，但在技術(shù)上，目前仍有諸多可被改進(jìn)的空間。

［1］王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012（26）:3-5.

［2］樊星男.基于USB傳輸?shù)尼樖酱蛴C(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［3］劉厚才，莫健華，劉海濤.三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008（9）:1184-1190.

［4］王冉，賈昊.3D打印技術(shù)的發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)工程的影響［J］.世界家苑，2013（2）:336.

［5］陳永華，殷國(guó)富.快速原型制造技術(shù)的集成應(yīng)用方法［J］.機(jī)械與電子，1998（5）:9-12.

［6］Allegro Microsystems，Inc.A4988 Microstepping Dmos Driver WithTranslator Data Sheet［EB/OL］.http://www.allegromicro. com/en/Products/Motor-Driver-And-Interface-ICs/Bipolar-Stepper-Motor-Drivers/A4988.aspx

［7］朱武，涂祥存，操瑞發(fā)，等.基于L6506/L298芯片細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電氣自動(dòng)化，2011，33（1）:10-12.

［8］李智強(qiáng)，周杰，任勝杰.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.機(jī)電工程，2007，24（7）:67-69.

Design and optimization FDM 3D printer type motor control system

MEI Wu-jun
（Taizhou Institute of Zhejiang University，Taizhou 318000，China）

This paper focuses on the basic components of FDM 3D printer type motor control system design and description，which mainly includes the following components:micro-controller unit，three-way travel switch module，the two temperature sensing module，squeeze the machine and heating bed heating circuit module，four stepper motor drive module and basic communication get fast component.This document details the specific circuit of each module controls each module of the system implementation and basic principles，but also on the selection and some important parameters include summarized and computing devices.In the specific circuit design，the main consideration of the LPC1768 microcontroller circuit，stepper motor drive circuit and power supply circuit，finally，each module design also a certain amount of testing，concluded that the design of the motor control circuit composite technology claim.

3D printer；motor control system；microcontrollers；design

TM933.4

A

1674－6236（2016）12-0179-03

2015-06-18稿件編號(hào)：201506185

梅武軍（1984—），男，浙江臺(tái)州人，工程師。研究方向：電機(jī)控制、嵌入式。