基于ARM微控制器的面成型3D打印机控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种面成型3D打印机控制系统，其微控制器分别与按键电路、光电传感器、电源模块、状态指示灯、电机驱动电路、恒流源驱动电路、图像数据传输模块以及散热风扇连接，其中电机驱动电路的输出端连接步进电机，电机轴上连接编码器，编码器的输出端连接所述微控制器，恒流源驱动电路连接恒流源，恒流源连接打印机曝光模块的UV LED阵列；恒流源驱动电路采用双MOS管并联开关电路，通过微控制器输出的高低电平控制恒流源并驱动UV LED阵列工作；图像数据传输模块连接U盘并通过转接板连接显示屏。该3D打印机控制系统为面向个体消费的桌面型3D打印机定制，其不仅成本低，而且还具有打印效率高，打印精度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于ARM微控制器的面成型3D打印机控制系统
本专利技术涉及一种以ARM微控制器为核心的面成型3D打印机控制系统，属于3D打印

技术介绍
微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电(洗衣机、微波炉)等。3D打印是一种快速成形技术，利用一些可粘合材料，通过一层一层叠加的打印方式，构造模型。模具制造、工业设计行业用于建造模型，现正逐渐发展成产品制造，形成“直接数字化制造”，所以3D打印又被称为：快速成型、增材制造、迭层制造等。目前加工精度最高的一种3D打印技术为光固化打印技术，打印材料通常是光敏树脂，这种树脂在一定波长强度的激光下会产生固化反应。光源阵列照射到树脂以后形成固化，从一个点扩展到一线，再从一条线扩展到一个面，此时完成了一层的光固化，接着打印平台上升一定高度，进行下一层的固化，通过这样的打印循环最终完成打印工作。SLA(立体光固化成型法)是最早实用化的3D打印技术，广泛应用于用于模具制造、模型制造行业。
技术实现思路
本专利技术针对3D打印中打印的快速性以及打印成本的问题，提出一种基于ATSAMD21G18A微控制器的面成型3D打印机控制统，对光源阵列以及步进电机进行有效的控制。按照本专利技术提供的技术方案，所述的面成型3D打印机控制系统包括：微控制器分别与按键电路、光电传感器、电源模块、状态指示灯、电机驱动电路、恒流源驱动电路、图像数据传输模块以及散热风扇连接，其中电机驱动电路的输出端连接步进电机，电机轴上连接编码器，编码器的输出端连接所述微控制器，恒流源驱动电路连接恒流源，恒流源连接打印机曝光模块的UVLED阵列；恒流源驱动电路采用双MOS管并联开关电路，通过微控制器输出的高低电平控制恒流源并驱动UVLED阵列工作；图像数据传输模块连接U盘并通过转接板连接显示屏，将U盘中模型图像数据经转换导入微控制器；光电传感器用于检测打印平台的位置。具体的，所述微控制器采用ATSAMD21G18A微控制器，微控制器的PA20TCCO_W6管脚与双MOS管并联开关电路连接。具体的，所述双MOS管并联开关电路包括NMOS管Q1和NMOS管Q2，微控制器的PA20TCCO_W6管脚分别连接NMOS管Q1栅极和NMOS管Q2栅极，并通过电阻R12接地，NMOS管Q1源极和NMOS管Q2源极接地，NMOS管Q1漏极和NMOS管Q2漏极连接恒流源的负极。具体的，所述电机驱动电路包括驱动芯片DRV8825，DRV8825的STP、EN、DIR管脚分别与微控制器MISO、MOSI、SS管脚连接，实现对打印机升降机构电机的控制。具体的，所述微控制器内部含有LPV控制器，对电机进行驱动控制，使电机的电磁转矩跟踪上负载转矩，使电机迅速达到同步状态，当转速发生变化时，LPV控制器能快速使电磁转矩回到稳定值附近；所述LPV控制器的构建步骤如下：第一步，电机在d-q参考坐标系内的数学模型方程为：Ld和Lq分别表示d-q轴电感；ud和uq分别表示d-q轴电压；id和iq分别表示d-q轴电流；Rs表示定子相电阻；TL表示负载转矩，ω表示转子角速度；p为转子极对数；ψf为永磁体磁链；J为转子转动惯量；第二步，对LPV控制器模型定义为：z＝C1(θ)x+D11(θ)w+D12(θ)uy＝C2(θ)x+D21(θ)w+D22(θ)u其中状态向量x＝[idiq]Τ，控制输入u＝[uduq]Τ，测量输出y＝[ΔidΔiq]Τ，被控输出z＝[ΔidΔiq]Τ，外部扰动w＝[id_refiq_refΤl]Τ，它们前面的系数为待确定的控制器参数矩阵；第三步，由于LPV控制器使得闭环系统是二次稳定且从w到z的传递函数的H∞范数小于γ＞0的充分必要条件是对于多胞形所有顶点V:＝{v1,v2,…,vn}，当且仅当存在对称正定矩阵X∈Rn×n和Y∈Rn×n，以及矩阵使得：其中i＝1,…,n，*表示矩阵中相应元素的对称项；然后对矩阵I-XY进行奇异值分解得到满秩矩阵M和N，并且根据不等式，可以计算得到：最后，LPV控制器的模型可以表示为：本专利技术的优点如下：1、该3D打印机控制系统适配于面向个体消费的桌面型3D打印机，其不仅成本低，而且还具有打印效率高，打印精度高等优点。2、系统采用光固化成型技术和LCD光源技术，相比于市面上以点固化开始的打印技术，LCD是以面固化开始的，故其技术成型速度更快，成本更低，更加经济实惠。3、本专利技术所用到的ATSAMD21G18A微控制器有丰富的内部资源，利用这些内部资源足以给我们3D打印机设计提供功能，无需扩展很多外部电路。4、本专利技术采用了一种对电机基于LPV控制的抗干扰性输出反馈控制对电机转速进行控制，能够加强电机的抗干扰性，从而保证3D打印的精确性。附图说明图1为3D打印机工作状态示意图。图2为本专利技术控制系统的电路结构框图。图3为ATSAMD21G18A及其外围电路图。图4为步进电机驱动电路图。图5为基于LPV控制的电机控制框图。图6为恒流源驱动电路图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明。相比于单片机，ARM的运行速度更快，并且拥有丰富的外设资源和引脚数量，所以本文控制器的设计中，核心选用ARM控制器，型号是ATSAMD21G18A，这是一款基于ARMCortexM0+内核的微控制器，微控制器主要完成对两相四线混合式步进电机的速度控制，与图像数据传输模块进行数据通信读取三维打印的数据，与其他外设进行控制等。如图1所示，3D打印机工作过程开始，打印平台经升降机构1先向下浸入液态光敏树脂2中，并高于防粘膜3上表面一定距离，如此打印平台4与防粘膜3之间形成了一薄层液态光敏树脂2，然后UVLED阵列即曝光模块5开始照射，使打印平台4与防粘膜3之间的光敏树脂薄层按规定的截面形状固化，形成第一薄层固化的光敏树脂，同时该薄层固化后的光敏树脂粘在打印平台4下表面。当第一薄层光敏树脂固化完成时，打印平台4带着已经固化的第一薄层光敏树脂向上抬升一定距离，使已经固化在打印平台4底部的第一薄层光敏树脂的下表面抬升到高于防粘膜3上表面一定的距离，从而使打印平台4底部第一薄层光敏树脂和离型膜之间形成了第二薄层液态光敏树脂。然后，UVLED阵列按第二层截面的形状照射，使第二薄层液态光敏树脂固化，形成打印物体的第二个截面。如此周而复始，液态光敏树脂2由下至上一层层固化，直到形成需要的立体物品。如图2所示，本专利技术所述控制系统包括：微控制器21分别与按键电路22、光电传感器23、电源模块24、状态显示灯25、电机驱动电路26、恒流源驱动电路27、图像数据传输模块28以及散热风扇29连接，其中电机驱动电路26的输出端连接步进电机30，电机轴上连接编码器31，编码器31的输出端连接所述微控制器21，恒流源驱动电路27连接恒流源32，恒流源32连接打印机曝光模块的UVLED阵列；恒流源驱动电路27采用双MOS管并联开关电路，通过微控制器21输出的高低电平控制恒流源32并驱动UVLED阵列工作；图像数据传输模块28连接U盘并通过转接本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于ARM微控制器的面成型3D打印机控制系统，其特征是，包括：微控制器(21)分别与按键电路(22)、光电传感器(23)、电源模块(24)、状态指示灯(25)、电机驱动电路(26)、恒流源驱动电路(27)、图像数据传输模块(28)以及散热风扇(29)连接，其中电机驱动电路(26)的输出端连接步进电机(30)，电机轴上连接编码器(31)，编码器(31)的输出端连接所述微控制器(21)，恒流源驱动电路(27)连接恒流源(32)，恒流源(32)连接打印机曝光模块的UV LED阵列；恒流源驱动电路(27)采用双MOS管并联开关电路，通过微控制器(21)输出的高低电平控制恒流源(32)并驱动UV LED阵列工作；图像数据传输模块(28)连接U盘并通过转接板连接显示屏，将U盘中模型图像数据经转换导入微控制器(21)；光电传感器(23)用于检测打印平台的位置。

【技术特征摘要】
1.基于ARM微控制器的面成型3D打印机控制系统，其特征是，包括：微控制器(21)分别与按键电路(22)、光电传感器(23)、电源模块(24)、状态指示灯(25)、电机驱动电路(26)、恒流源驱动电路(27)、图像数据传输模块(28)以及散热风扇(29)连接，其中电机驱动电路(26)的输出端连接步进电机(30)，电机轴上连接编码器(31)，编码器(31)的输出端连接所述微控制器(21)，恒流源驱动电路(27)连接恒流源(32)，恒流源(32)连接打印机曝光模块的UVLED阵列；恒流源驱动电路(27)采用双MOS管并联开关电路，通过微控制器(21)输出的高低电平控制恒流源(32)并驱动UVLED阵列工作；图像数据传输模块(28)连接U盘并通过转接板连接显示屏，将U盘中模型图像数据经转换导入微控制器(21)；光电传感器(23)用于检测打印平台的位置。2.如权利要求1所述的基于ARM微控制器的面成型3D打印机控制系统，其特征是，所述微控制器(21)采用ATSAMD21G18A微控制器，微控制器的PA20TCCO_W6管脚与双MOS管并联开关电路连接。3.如权利要求2所述的基于ARM微控制器的面成型3D打印机控制系统，其特征是，所述双MOS管并联开关电路包括NMOS管Q1和NMOS管Q2，微控制器的PA20TCCO_W6管脚分别连接NMOS管Q1栅极和NMOS管Q2栅极，并通过电阻R12接地，NMOS管Q1源极和NMOS管Q2源极接地，NMOS管Q1漏极和NMOS管Q2漏极连接恒流源(32)的负极。4.如权利要求2所述的基于ARM微控制器的面成型3D打印机控制系统，其特征是，所述电机驱动电路(26)包括驱动芯片DRV8825，DRV8825的STP、EN、DIR管脚分别与微控制器(21)MISO、MOSI、SS管脚连接，实现对打印机升降机构电机的控制。5.如权利要求1所述的基于ARM微控制器的面成型3D打印机控制系统，其特征是，所述微控制器(21)内部含有LPV控制器，对电机进行驱动控制，使电机的电磁转矩跟踪上负载转矩，使电机迅速达到同步状态，当转速发生变化时，LPV控制器能快速使电磁转矩回到稳定值附近；所述LPV控制器的构建步骤如下：第一步，电机在d-q参考坐标系内的数学模型方程为：

【专利技术属性】
技术研发人员：吴定会，肖仁，杨得亮，王佳宇，韩欣宏，欧阳洪才，朱圆圆，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32