基于嵌入式的3D打印機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的研究

黃建鋒　楊新　羅森林

摘要：文章闡述了一種基于嵌入式并結(jié)合CPLD的3D打印機(jī)系統(tǒng)，用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的模擬信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理以及信號(hào)控制等方面。重點(diǎn)研究了該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用兩相混合式步進(jìn)機(jī)專用驅(qū)動(dòng)NA4988來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)了步進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；采用TCRT5000光電傳感器精確控制XYZ軸行程，設(shè)計(jì)了限位開關(guān)電路。并對(duì)步進(jìn)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)轉(zhuǎn)方向進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于正s型加減速曲線對(duì)步進(jìn)機(jī)加減速和勻速進(jìn)行優(yōu)化控制。解決打印精度和速度等根本性問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：ARM；CPLD；3D打印機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制

隨著社會(huì)的進(jìn)步，3D打印機(jī)很快適應(yīng)了社會(huì)的需求。對(duì)此，李軒等提出3D打印設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的優(yōu)化建議，采用限位開關(guān)來(lái)控制打印平臺(tái)和噴頭；駱國(guó)慶提出以ARM與CPLD設(shè)計(jì)多電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方案，采用CPLD處理器為步進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的核心；李茂軍等提出用步進(jìn)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)去極大克服高頻失步、低頻震蕩的缺點(diǎn)；郝亞沖等提出光電式開關(guān)能極大提高距離檢測(cè)精度；楊超等提出利用s曲線算法來(lái)減小步進(jìn)電機(jī)加減速轉(zhuǎn)變時(shí)的震動(dòng)。本文在前期研究的基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究運(yùn)動(dòng)控制，以此解決打印精度和速度等根本問(wèn)題。

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)系統(tǒng)，主要部分是供電模塊、網(wǎng)絡(luò)通信處理模塊等構(gòu)成的ARM系統(tǒng)，輔助部分是運(yùn)動(dòng)XYZ軸驅(qū)動(dòng)模塊、加熱驅(qū)動(dòng)模塊等構(gòu)成的CPLD系統(tǒng)，兩部分由CPLD控制器的并行接口相連接，既實(shí)現(xiàn)雙向信息高效交換，也減少CPLD邏輯資源的消耗。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

上述ARM處理控制器采用STM32F407VGT6型號(hào)（STM32）的芯片，用于人機(jī)界面控制和運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算，可與PC機(jī)直接相連來(lái)傳遞數(shù)據(jù)和控制設(shè)備；CPLD處理器采用EPMl270T14415型號(hào)的芯片（EPMl270），憑借1 270個(gè)邏輯單元突出低功耗、高速度等優(yōu)勢(shì)，并且外接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，以此實(shí)現(xiàn)XYZ軸步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)速度和打印噴頭走絲的時(shí)序控制。

2.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其重要器件為步進(jìn)電機(jī)，其XYZ三軸行程由限位開關(guān)控制。該系統(tǒng)電路主要設(shè)計(jì)步進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)和限位開關(guān)電路。

2.1步進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用17HS8401B系列的兩相四線混合式42步進(jìn)機(jī)，其帶負(fù)載能力較強(qiáng)；其驅(qū)動(dòng)芯片采用有過(guò)流保護(hù)和轉(zhuǎn)換作用的微步細(xì)分驅(qū)動(dòng)器A4988，斬波控制可選擇混合衰減電流來(lái)提升步進(jìn)精確度。

EPMl270控制A4988的3個(gè)端口（STEP，DIR，ENABLE）就可完全實(shí)現(xiàn)步進(jìn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。其中STEP端口輸進(jìn)微步細(xì)分信號(hào)，處理控制器根據(jù)工作頻率給該端口輸進(jìn)上升沿的微步信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；DIR端口根據(jù)輸入信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，高電平正轉(zhuǎn)，反之；ENABLE端口根據(jù)電平信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，低電平有效。通過(guò)對(duì)位置開關(guān)S1，S2，S3的調(diào)節(jié)來(lái)控制步進(jìn)細(xì)分量。為克服步進(jìn)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)定位精度低等不足，從而采用1/16步進(jìn)，即MS1，MS2，MS3端口均為高電平，步進(jìn)機(jī)與A4988進(jìn)行對(duì)應(yīng)連接。