3D打印驅動關鍵技術研究

萬海鑫，馬思遠

（阜陽職業技術學院，安徽 阜陽 236031）

3D打印驅動關鍵技術研究

萬海鑫，馬思遠

（阜陽職業技術學院，安徽 阜陽 236031）

本文即是對3D打印驅動技術進行研究，介紹了該驅動技術的控制原理，同時從硬件和軟件兩方面闡述了3D打印驅動系統的設計，以期能為相關工作提供參考。

3D打印；驅動技術；系統設計

1 3D打印驅動技術的原理

步進電機是現代新型電機設備的主要組成，該設備的主要特點是無法通過直接接入電源的方式提供動力，而是必須通過驅動器的驅動來運行。因此常規的步進電機主要包括了電機、控制器和驅動器三個部分[1]。步進電機在控制時主要利用的是PWM波發生器、驅動電路等，發生器所產生的脈沖電波可以經由環形分配器進行合理的分配，然后再通過驅動器對電機繞組的電流通過情況進行控制。根據電源輸入方式不同可以將步進電機驅動的方式分為三種，具體如下：

其一是單電壓驅動模式，其主要是在驅動時所提供的電源為單一恒定的電壓，這種驅動方式和電路設計均最為簡單，但是電機中繞組電流從零提升到臨界值所需用的時間也最長，并且電流的變化頻率較快，導致電機轉子的轉矩大幅縮減。其二是雙電壓驅動模式，與單電壓驅動最根本的不同就在于為電機提供能源的是兩種不同的電壓。該驅動模式的驅動原理在于利用提高電壓輸入量的方式，可以縮減繞組電流從零提升到臨界值的時間，同時也能進一步保證步進電機的高頻性[2]。當繞組電流輸入后，步進電機的扣扣男子系統就會對VTH信號進行控制，此時圍繞組的電流在達到峰值之后就會對該信號進行切斷，然后利用另外一個電壓較低的繞組繼續供電。這種驅動技術下需要絕對保證VTH信號導通的時間，如果驅動時間過早，則容易導致繞組內電流超負荷；如果驅動時間過晚，則無法達到預期的驅動效果，影響整體打印的質量。其三是恒電流控制技術，這一驅動模式主要利用的是比電機本身額定電壓高數倍的高電壓進行供電，使該電機能夠在任何情況下均保持穩定的電流輸出，進而使電機轉矩不會受控制器的影響。由于該種方法下產生的供電電壓數值較高，一旦開始驅動電機內繞組電流就會在瞬間達到最高值，而此時電流進入到反饋電阻R當中，就會在電阻的兩側形成電流勢差，將這種狀態下的電機電壓值提供給比較器進行分析，當電機中電流超過額定值之后，比較器就會自動切斷VTH信號，繞組電流也就會明顯下降；而當電流下降到無法滿足打印驅動需求時，比較器就會自動將VTH信號開啟，提升電機內的輸入電流。因此在全自動控制下就能夠為步進電機獲得一個恒定的輸入電流，保證工作的穩定性。

2 3D打印驅動技術中硬件的設計

2.1 主芯片設計

主芯片一般選擇STM32F103VE單片機，該單片機的引腳共有100個，控制程序可以從SW接口處下載和調試。同時主芯片當中還包含了一個規格為8MHz的晶體振蕩器，該振蕩器主要是為整個芯片的控制系統提供時間信號，降低信號輸出過程中時間的錯誤。在電路板設計時，其晶體震蕩器和負載電容均需要靠近引腳進行安裝，這樣可以保證信號在進入MCU后可以為其它結構提供準確的信號傳導，這種芯片所提供的時鐘信號的差異大約為1s。

2.2 步進電機驅動設計

為了有效擴展步進電機驅動系統的脈寬，可以選擇TL494專用電機驅動芯片，其可以有效對PWM波的頻率進行固定。該類型芯片能夠適用于現在已知所有脈寬的電路，并且其自身攜帶有鋸齒波振蕩器、晶體開關、比較器等基礎零件。當芯片上的第5、第6管腳分別于電容、電阻相連后就能夠產生鋸齒波，此時該信號波震蕩頻率與電機電阻值有一定的聯系，震蕩頻率可以表示為：此時鋸齒波可以從比較器內通過，并且在第4引腳處輸入時鐘控制信號，比較器就會對這一信號與PWM信號進行對比，如果所獲得的波長不同，則PWM就可以作為觸發器的時鐘信號，并且協同控制電機的晶體開關。

2.3 打印頭溫度驅動設計

打印頭上的溫度驅動系統主要包括溫度檢測電路、加熱驅動電路兩大部分。其中溫度檢測電路通產采用的是鉑電阻，該電阻檢測的精度較高，反應時間較短，鉑電阻的阻值和溫度的關系可以表示為：公式當中的Rt是當鉑電阻的溫度達到t時的電阻值；Rt0則指的是溫度達到t0時的電阻值；α是溫度的系數，這一公式所反應的數值與線性數據相類似。但是在實際使用時由于外部噪音的干擾，會使得內部信號不穩定，因此直接測量值可能較低，因此需要加裝信號發大器。加熱驅動電路則主要采用光耦隔離進行處理，但控制器內的信號為低電平，則二極管就會發光，使光敏二極管飽和，這樣就可以驅動加熱；而當信號為高電平時則切斷輸出，以免溫度過高。

3 3D驅動系統的軟件設計

3.1 主程序設計

首先要對系統進行初始化處理，其主要包括I/O初始化、ADC轉換器初始化等。其次是對G-code文件進行解析，將所有STL文件均轉變為G文件，并且系統優先對這一格式的文件進行解析。第三，將解析完成的文件按照信號地址的順序進行存放，以方便以后系統調用。同時將看門計時器歸零，以免系統偷跑或進入死循環當中。

3.2 子驅動程序設計

子驅動程序主要是對步進電機驅動當中步長的細化分析，并為驅動器提供啟動指令。當驅動器獲取一個指令后，其陳旭就會從FLASH存儲器當中尋找相應的函數值，并控制電壓輸出的轉換。而為了對函數正弦和余弦關系進行考慮，還應該在設計程序時加入正弦函數的半個周期。當前所使用的3D打印機中細分驅動技術要求將步進電機進行128細分處理，并且要求根據信號的傳輸反向設置4個GPIO進口，這樣可以滿足不同輸電順序時的調控。

3.3 溫度控制程序

溫控是3D打印驅動程序中重要的組成，通常采用閉環控制系統，包括溫度數據的采集和PID模糊控制。其中溫度數據的采集和轉換由專門的子程序負責，由加裝在打印頭上的溫控信號采集裝置進行搜集，并將溫度數據轉變為數字信號，然后經由處理器分析后對電機的運行進行控制。PID模糊控制系統則是將傳感器所采集的溫度值與限定值進行對比，得出誤差率，并對其進行模糊化檢驗，根據系統設定的模糊化控制規則調整。

4 結束語

3D打印技術是現代加工業發展的必然方向，其能夠提升生產加工行業的效率，降低成本。但我國目前相關驅動技術仍較為落后，需要進一步引入國外技術進行填補。

[1]余前帆.增材制造——3D打印的正稱[J].中國科技術語，2013，04：46-48，52.

[2]王雪瑩.3D打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，2012，26：3-5.

Research on Key Technologies of 3D print driver

WAN Hai-xin， MA Si-yuan

(Fuyang Vocational and Technical College， Fuyang Anhui 236031)

This paper is the study of 3D printing drive technology， introduces the control principle of the drive technology， at the same time from two aspects of hardware and software in this paper， the design of the 3D printing drive system， in order to provide references for related work.

3D printing; Drive technology; System design

TP334.8

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.05.026

1672–7304(2016)05–0053–02

阜陽職業技術學院校級科研項目“膏狀3D打印機研發及課程開發”（項目編號：2014KYXM01）；阜陽職業技術學院校級示范實驗實訓中心-創客基地（項目編號：2015SXZX01） 。

（責任編輯：吳 芳）

萬海鑫（1985-），男，安徽阜陽人，講師，研究方向：機電一體化。