FDM型3D打印機電機控制系統(tǒng)的設計與優(yōu)化

梅武軍

（浙江大學臺州研究院，浙江臺州318000）

FDM型3D打印機電機控制系統(tǒng)的設計與優(yōu)化

梅武軍

（浙江大學臺州研究院，浙江臺州318000）

文中主要對FDM型3D打印機電機控制系統(tǒng)的基本組成部分進行了設計與描述，這些部分主要包括以下幾個部分：微控制器單元、三路行程開關(guān)模塊、兩路溫度器的傳感模塊、擠出機和加熱床加熱電路模塊、四路步進電機驅(qū)動模塊和基本的通信模塊組成的。同時，詳細說明了每個模塊控制系統(tǒng)的具體電路實現(xiàn)方式和基本原理，也對包括器件的選型和部分重要參數(shù)進行總結(jié)和計算。在具體電路設計方面，主要考慮了LPC1768微控制器電路、步進電機驅(qū)動電路和電源電路。最終，還對設計的各個模塊進行一定量的測試，得出結(jié)論，所設計的電機控制電路符合技術(shù)要求。關(guān)鍵詞：3D打印機；電機控制系統(tǒng)；微控制器；設計研究

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

根據(jù)目前的行業(yè)發(fā)展動態(tài)，基于傳統(tǒng)以單片機為核心的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、電路相對復雜、制作成本高等問題。本文研究設計了一款以LPC1768為核心架構(gòu)的微控制器。在所設計的新型控制系統(tǒng)中，主要用來完成對步進電機的行為控制，還可在此基礎上進行擠出機加熱電阻的有效命令控制和讀取在移動端SD卡存放的配置文件來實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化操作。此控制系統(tǒng)在打印文件和通過USB方式與上位機通信的技術(shù)方面也做出了較大改進。控制系統(tǒng)的核心組成部分從使用單片機和PLC時代開始向以DSP數(shù)字信號處理器或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，需設計更加優(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將是打印機控制系統(tǒng)的首選。

1　采用LPC1768　微控制器電路的設計研究

LPC1768微控制器是一款基于ARM CortexM3的內(nèi)核高性能處理器，廣泛應用于低功耗，高性能的復雜嵌入式系統(tǒng)中，因其在內(nèi)部架構(gòu)中具有豐富的外設，使其主要在運動式的控制中得到了較好的應用，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級流水線和哈佛架構(gòu)，其工作頻率一般可達到100 MHz，這就為系統(tǒng)的操作相應節(jié)省了時間。

LPC1768微控制器的基本電路邏輯圖，如圖1所示。其電源電壓設定為3 V，在系統(tǒng)的微架構(gòu)中，磁珠L8將數(shù)字地與模擬地進行了有效的分離處理，由此便可消除電路中數(shù)字信號與模擬信號的相互干擾，從而使系統(tǒng)的模擬信號與數(shù)字信號能較好的分離。在時鐘源的選擇上，主振蕩器接12 MHz晶振作為CPU的時鐘源［4-5］。復位按鍵是控制器內(nèi)部的一個重要組成部分，其中S2復位鍵在這方面可滿足要求。EXTRUDER_Heat的端口連接的是擠出機，而BED_Heat端連接的是微控制器的加熱床電路。在行程開關(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，此外還可通過電壓轉(zhuǎn)換芯片進行內(nèi)部電能的轉(zhuǎn)換從而得到所需的電壓額定。USB接口對于一個3D型的打印機而言，也是一個相對重要的功能性接口，可實現(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打印機微控制器電路及各端口示意圖

2　步進電機驅(qū)動電路的設計研究

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

圖1給出了步進電機驅(qū)動器及外圍電路圖，LPC1768微控制器只需控制ENABLE、DIR、STEP 3路端口便可實現(xiàn)步進電機的運動。在內(nèi)部A4988的FET輸出下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能大幅增強，但當ENABLE端口輸入為高電平時信號不能被輸出，電機處于被鎖定狀態(tài)。在該種情況下，若將電壓反轉(zhuǎn)，需要ENABLE端口為低電平時才能輸出，電機則也就能夠正常運轉(zhuǎn)。DIR端口輸入信號控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，當各出高電平時，步進電機順時針旋轉(zhuǎn)，當輸入為低電平時，步進電機可逆時針旋轉(zhuǎn)。STEP端口輸入驅(qū)動脈沖是微步信號時，電機驅(qū)動會趨于穩(wěn)定。

通過調(diào)節(jié)S10，S11，S12等控制細分步進量［7］，這一細分控制方法如表1所示。當然，為了克服步進電機運行時存在的一些諸如低頻振蕩、高頻出力不足易導致失步以及定位精度等缺點，文中的系統(tǒng)采用1/16步進量細分法，其同時也是保證步進電機具有良好平滑運行性能的重要舉措。

表1　關(guān)于步進控制的邏輯表

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

3　加熱床和擠出機的溫度控制電路設計研究

在設計的系統(tǒng)中，加熱床和擠出機上均配備有加熱電阻和用于溫度檢測的熱敏電阻。其中，排針J8的1，2端子連接熱敏電阻，而加熱電阻是通過3，4端連接的。在日常運轉(zhuǎn)中，微控制器LPC1768中的12位ADC將實時采集CTC1_Temp端口的電壓模擬量。在加熱電阻方面，檢測到的溫度變化量與ADC采集到的電壓模擬量間是具有良好的線性對應關(guān)系的，對微控制器采集到的電壓量進行的PID調(diào)節(jié)，會生成PWM波，在輸出端CTC1_Heat通過調(diào)節(jié)MOS控制管可對系統(tǒng)的驅(qū)動功率進行一定量的校對和調(diào)節(jié)，當CTC1_Heat為高電平時，兩個級別的控制管會導通，從而使功率管也會相應導通，加熱電阻接通后，會自動給加熱床和擠出機進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應的相關(guān)電壓量，還可通過PID調(diào)節(jié)來控制加熱電阻的通斷。由此，整個系統(tǒng)就實現(xiàn)了互通互聯(lián)，成為一個閉環(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，為了保護加熱電阻兩端電壓≤60 V，防止其被燒壞。對于3個MOS管而言，Q9，Q10為兩個小功率的驅(qū)動控制管進行管控與平衡，可大幅提高加熱管的功率［8］。

圖2　加熱床和擠出機的溫度控制電路

4　行程開關(guān)的電路設計研究

系統(tǒng)中行程開關(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關(guān)長久以來存在的響應速度慢、精度差、接觸監(jiān)測容易在一定量上損壞被檢測物，還有存在的壽命過短等一系列的缺點，且該開關(guān)在設計上存在著體積小，壽命長，精度高和響應命令的速度快等優(yōu)點。這一開關(guān)在檢測距離遠等方面存在較大的優(yōu)勢，此外，還有抗光電磁的能力好等諸多優(yōu)點，在設計時采用的LPC1768微控制器輸入端口采用的是下降沿中斷模式，這就保證了信號在用戶的命令后能快速響應和反饋，在控制精度上得到了較大的提升。行程開關(guān)電路如圖3所示。在設計中，將關(guān)電開關(guān)放置在了各個軸運動的零點，當一個軸或多個軸在向零點方向運動時，U3的3腳輸出的是高電平信號，當Q5導通后，在OUT端口輸出的低電平信號會給控制芯片來控制電機運動。

圖3　行程開關(guān)的電路設計圖

5　3D打印機電源電路設計研究

在所設計的這款控制系統(tǒng)中，需要3種電壓等級的供電電壓，其分別是微控制器ARM LPC1768的3.3 V、行程開關(guān)電路的+5 V及步進電機驅(qū)動電路的24 V。在實際工作中，通常要使整套系統(tǒng)可同時用到一個直流電源電壓24 V，即利用了直流穩(wěn)壓的電流二次轉(zhuǎn)變。可以通過開關(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，這是一種常見的變壓方式，在這種操作后，可產(chǎn)生高達1 A的電流輸出，這樣驅(qū)動能力增強，最終通過一定的設計電壓變換，可達到所需的不同等級電壓輸出，且還可使電壓具有較強的驅(qū)動性能，具體電源設計如圖4所示。

圖4　控制電路中電源電路的設計圖

6　結(jié)束語

文中主要闡述了FDM型的3D打印機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，三路的行程開關(guān)模塊，兩路的溫度傳感器模塊以及擠出機與加熱機的電路模塊等。當然，作為功能性需求較強的3D打印機，步進電機的驅(qū)動模塊和通信電源模塊也是必不可少的。在此基礎上，本文詳細研究了每一個單元模塊的具體設計思路及實現(xiàn)方法，并最終給出了每個單元模塊的具體電路圖。雖然3D打印機的前景較好，但在技術(shù)上，目前仍有諸多可被改進的空間。

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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：201506185

梅武軍（1984—），男，浙江臺州人，工程師。研究方向：電機控制、嵌入式。