基于嵌入式的3D打印機系統(tǒng)運動控制的研究

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打印機系統(tǒng)，用該系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)的模擬信號采集、數(shù)據(jù)處理以及信號控制等方面。重點研究了該系統(tǒng)的運動控制系統(tǒng)，采用兩相混合式步進機專用驅(qū)動NA4988來實現(xiàn)步進細分驅(qū)動，設(shè)計了步進機驅(qū)動電路；采用TCRT5000光電傳感器精確控制XYZ軸行程，設(shè)計了限位開關(guān)電路。并對步進機的運轉(zhuǎn)速度和運轉(zhuǎn)方向進行優(yōu)化設(shè)計，基于正s型加減速曲線對步進機加減速和勻速進行優(yōu)化控制。解決打印精度和速度等根本性問題。

關(guān)鍵詞：ARM；CPLD；3D打印機；步進電機；運動控制

隨著社會的進步，3D打印機很快適應(yīng)了社會的需求。對此，李軒等提出3D打印設(shè)備運動控制系統(tǒng)在產(chǎn)業(yè)化進程中的優(yōu)化建議，采用限位開關(guān)來控制打印平臺和噴頭；駱國慶提出以ARM與CPLD設(shè)計多電機運動控制方案，采用CPLD處理器為步進機驅(qū)動控制的核心；李茂軍等提出用步進機細分驅(qū)動去極大克服高頻失步、低頻震蕩的缺點；郝亞沖等提出光電式開關(guān)能極大提高距離檢測精度；楊超等提出利用s曲線算法來減小步進電機加減速轉(zhuǎn)變時的震動。本文在前期研究的基礎(chǔ)上重點研究運動控制，以此解決打印精度和速度等根本問題。

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的3D打印機系統(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)，輔助部分是運動XYZ軸驅(qū)動模塊、加熱驅(qū)動模塊等構(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（STM32）的芯片，用于人機界面控制和運動控制計算，可與PC機直接相連來傳遞數(shù)據(jù)和控制設(shè)備；CPLD處理器采用EPMl270T14415型號的芯片（EPMl270），憑借1 270個邏輯單元突出低功耗、高速度等優(yōu)勢，并且外接步進電機驅(qū)動電路，以此實現(xiàn)XYZ軸步進電機聯(lián)動速度和打印噴頭走絲的時序控制。

2.運動控制系統(tǒng)電路設(shè)計

運動控制系統(tǒng)，其重要器件為步進電機，其XYZ三軸行程由限位開關(guān)控制。該系統(tǒng)電路主要設(shè)計步進機驅(qū)動和限位開關(guān)電路。

2.1步進機驅(qū)動設(shè)計

該系統(tǒng)采用17HS8401B系列的兩相四線混合式42步進機，其帶負載能力較強；其驅(qū)動芯片采用有過流保護和轉(zhuǎn)換作用的微步細分驅(qū)動器A4988，斬波控制可選擇混合衰減電流來提升步進精確度。

EPMl270控制A4988的3個端口（STEP，DIR，ENABLE）就可完全實現(xiàn)步進機運轉(zhuǎn)。其中STEP端口輸進微步細分信號，處理控制器根據(jù)工作頻率給該端口輸進上升沿的微步信號來控制步進機運轉(zhuǎn)；DIR端口根據(jù)輸入信號來控制步進機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，高電平正轉(zhuǎn)，反之；ENABLE端口根據(jù)電平信號來控制步進機運轉(zhuǎn)狀況，低電平有效。通過對位置開關(guān)S1，S2，S3的調(diào)節(jié)來控制步進細分量。為克服步進機在運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)定位精度低等不足，從而采用1/16步進，即MS1，MS2，MS3端口均為高電平，步進機與A4988進行對應(yīng)連接。