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FDM型3D打印机步进电机速度控制装置及驱动控制系统制造方法及图纸

技术编号:15413625 阅读:295 留言:0更新日期:2017-05-25 10:55
本发明专利技术公开了一种熔融层积型3D打印机的步进电机速度控制装置,包括依次连接的通信总线、通信总线接口和4路步进电机控制通道,每个步进电机控制通道内部包含FIFO参数缓存、寄存器文件和速度控制模块,运动数据参数通过通信总线和通信总线接口存入到FIFO参数缓存中,速度控制模块则从FIFO参数缓存中读取相关参数,计算并发出相关步进电机控制信息给步进电机,寄存器文件内部包含了控制步进电机速度控制装置的所有控制寄存器,用于控制步进电机速度控制装置的运转。本发明专利技术还公开一种使用该步进电机速度控制装置的FDM型3D打印机驱动控制系统。本发明专利技术采用硬件计算和同步驱动方式控制步进电机,有效地提高了电机驱动系统的控制速度和系统稳定性。

Stepping motor speed control device and drive control system for type 3D FDM printer

The present invention discloses a molten laminated 3D printer control device in step motor speed, comprises a communication bus, bus communication interface and 4 stepper motor control channel, each channel contains the stepper motor control parameters of FIFO cache, register file and the speed control module, motion parameters data through the communication bus and the communication bus interface into the FIFO parameter in the cache, the speed control module from the FIFO parameters of cache parameters to read, calculate and a stepper motor control information to the stepper motor, all control register register file contains internal control stepper motor speed control device, is used to control the stepper motor speed control device step the operation. The invention also discloses a FDM type 3D printer driving control system using the stepping motor speed control device. The invention adopts hardware calculation and synchronous driving mode to control stepping motor, and effectively improves the control speed and the system stability of the motor drive system.

【技术实现步骤摘要】
FDM型3D打印机步进电机速度控制装置及驱动控制系统
本专利技术涉及步进电机运动控制领域,尤其是一种熔融层积型(FusedDepositionModeling:FDM)3D打印机的步进电机运动控制装置及驱动控制系统。
技术介绍
3D打印机是一种实现快速成型技术的机器,它以数字模型文件为基础运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体。所述的数字模型文件包含所构造物体的全部信息,如物体的形状、大小和摆放位置、逐层打印时每层的高度、每层打印时打印头的运动走向和运动速度等。熔融层积型(FDM)3D打印机采用塑料为打印材料,利用熔融工艺按照数字模型文件上的控制指令逐层打印,形成物体。在工作时,打印机逐层打印,按照模型文件中设定好的步进电机运动速度与材料出丝的速度控制打印头的移动和打印材料的流速。步进电机是3D打印机的动力提供装置,每次运动一个固定角度,即运动1步,用于控制机器上打印头的运动。打印头的运动速度与材料的流速需要很好的匹配,才能使打印机系统稳定并成功打印出所需的成品。为了能精确控制打印机中步进电机的运动速度,目前大多数FDM型3D打印机采用基于微处理器定时计数器的中断控制及基于Bresenham算法的软件处理方式。一方面,通过控制定时器的中断频率来控制步进电机的转动速率,从而确定打印头的运动速度,例如,要使得电机运动速率为每秒100转,每转200步,则设置定时器的计数周期为1/(100*200)秒,定时器每个计数周期产生一次中断,控制步进电机转动1次。这样经过1秒钟,定时器中断20000次,电机则转动20000步,即100转。另一方面,Bresenham算法用来控制打印头的运动路径,保证打印头的运动轨迹接近一条直线。例如,打印头从坐标原点(0,0)运动到坐标(3,5)处,根据Bresenham算法,先找横纵坐标差值中的最大值,判断最长边方向,本例为纵轴方向,然后以最长边(纵轴)为控制基准,先在纵轴方向上运动1步,然后根据相关算法判断横轴方向上是否运动1步,直到纵轴运动完所有步数。这种软件处理方式能够有效的控制步进电机的运转,并实现其速度控制,且不需要额外的硬件装置,实现成本低廉,因此被大多数3D打印机制造厂商采用。但是,基于软件的步进电机速度控制方式会导致实际打印速度存在速度瓶颈。此外,由于Bresenham算法为分时驱动算法,在实际控制时,也会影响打印速度。以下结合图例具体阐述这种问题。图1为定时器中断控制步进电机速度示意图。通过对定时器预设定时时间t2,定时器开始计数工作,计满后,产生中断,并执行中断服务程序100,在中断服务程序100中计算下次定时器的计数时间t3,并写入到定时器中。中断服务程序100执行结束时再次启动定时器计数。待定时器计满后,再次产生中断,并执行中断服务程序101。后续执行过程与此相同,图中102也是中断服务程序。由于在中断服务程序中需要计算下一次运动定时器所需要的计数时间,因此会存在大量的乘除法运算,在嵌入式系统中,该类计算会占用大量的CPU的资源并消耗大量的运算时间,不利于系统的实时响应,此外控制步进电机运转方式的Bresenham算法也是在中断程序中实现,导致整个中断程序量大且复杂,一次中断所消耗的时间相对较多,图1中由t1表示中断执行时间。当不断提高预设的打印速度时,步进电机速度不断加快,定时器计数时间不断减小,可以考虑,当达到某一速度值时,定时器计数时间会变成0,此时的运动速度达到最大值,图2表示达到瓶颈时的定时器中断控制步进电机速度示意图。图中200、201、202代表中断服务程序处理过程。当达到速度瓶颈时,步进电机的速度由中断程序执行时间t1决定,此后打印速度不会随着设定速度的增加而增加,而是保持在一个固定值范围内。此外,步进电机控制方式采用分时驱动的Bresenham算法,各轴运动分时进行,降低了电机速度。图3为Bresenham算法运动控制示意图。300表示打印头的运动轨迹,即先运动X轴,然后根据判断条件决定是否走Y轴,X、Y轴的合运动轨迹则是打印头的实际运动轨迹。这种分时运动方式在一个时刻只能运动一个轴,因此会大大降低打印头的运动速度,不利于打印机的速度提升。综上所述,现有FDM型3D打印机步进电机速度控制采用的定时计数器中断控制及Bresenham算法这种软件处理方式,虽然能很好的控制步进电机的运转,并实现速度控制,但由于这种实现方式程序执行时间存在瓶颈且Bresenham算法为分时驱动算法,分时驱动控制打印头,导致了实际打印机打印速度不可能进一步提高,实际打印速度与设定速度存在较大速度误差,实际打印效率低,也极大影响了系统的稳定性。
技术实现思路
本专利技术提供一种熔融层积型3D打印机的步进电机速度控制装置及驱动控制系统,其能提高电机驱动系统的控制速度和系统稳定性。为实现上述目的,本专利技术的技术方案如下:一种熔融层积型3D打印机的步进电机速度控制装置,位于微处理器与步进电机之间,接受微处理器的控制命令,提取命令参数并计算参数获得相邻步间时间间隔,根据时间间隔产生相应的步进信号,控制步进电机的运转,包括依次连接的通信总线接口和4路步进电机控制通道,每个步进电机控制通道内部包含FIFO参数缓存、寄存器文件和速度控制模块,运动数据参数通过通信总线接口存入到FIFO参数缓存中,速度控制模块则从FIFO参数缓存中读取相关参数,计算并发出相关步进电机控制信息给步进电机,寄存器文件内部包含了控制步进电机速度控制装置的所有控制寄存器,用于控制步进电机速度控制装置的运转。其中,FIFO参数缓存的缓存方式为:数据进入FIFO参数缓存中保存,当后级装置向FIFO缓存中发出数据读取请求时,先进入缓存队列的数据先出来,后进入缓存队列的数据后出来。优选地,速度控制模块包括依次连接的数据输入部分、周期数计算器、脉冲发生器和信号发生器,周期数计算器用来计算相邻两步间的时间间隔,控制脉冲发生器产生相应的步进脉冲,并通过信号发生器放大,由信号发生器发出步进信号给步进电机,控制其运转;数据输入部分与脉冲发生器之间还设有用于控制步数的步数控制计数器。优选地,周期数计算器包括依次连接的32位加法器、开方运算单元、开方结果锁存单元和32位减法器,开方运算单元用来实现公式中的开方运算,加法器用来实现此公式中的加法运算,减法器用来实现此公式中的减法运算,开方结果锁存单元存储上一次的运算结果,并在本次运算使用,公式中,Δtx为第x步和第x+1步之间的间隔,a加速度,v0初始速度和x运动距离。优选地,所述开方运算单元为Cordic开方运算单元,采用11级流水线结构的Cordic算法,内部实现分段开方操作。本专利技术还提供一种FDM型3D打印机驱动控制系统,包括与上位机通信的通信总线以及分别连接于通信总线的微处理器、存储器、如上所述的步进电机速度控制装置,微处理器从上位机通信接口接收相关控制指令,同时存储相关控制参数到储存器,然后微处理器对控制参数进行分析计算,并生成相关控制信息发送给步进电机速度控制装置。优选地,还包括分别连接于通信总线的实时显示接口和模数转换器,模数转换器检测温度信息并发送给微处理器进行相关计算,然后再发送给实时显示接口。本专利技术的有益效果是:本专利技术步进电机速度本文档来自技高网
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FDM型3D打印机步进电机速度控制装置及驱动控制系统

【技术保护点】
一种熔融层积型3D打印机的步进电机速度控制装置,位于微处理器与步进电机之间,接受微处理器的控制命令,提取命令参数并计算参数获得相邻步间时间间隔,根据时间间隔产生相应的步进信号,控制步进电机的运转,其特征在于,包括相连接的通信总线接口和4路步进电机控制通道,每个步进电机控制通道内部包含FIFO参数缓存、寄存器文件和速度控制模块,运动数据参数通过通信总线和通信总线接口存入到FIFO参数缓存中,速度控制模块则从FIFO参数缓存中读取相关参数,计算并发出相关步进电机控制信息给步进电机,寄存器文件内部包含了控制步进电机速度控制装置的所有控制寄存器,用于控制步进电机速度控制装置的运转。

【技术特征摘要】
1.一种熔融层积型3D打印机的步进电机速度控制装置,位于微处理器与步进电机之间,接受微处理器的控制命令,提取命令参数并计算参数获得相邻步间时间间隔,根据时间间隔产生相应的步进信号,控制步进电机的运转,其特征在于,包括相连接的通信总线接口和4路步进电机控制通道,每个步进电机控制通道内部包含FIFO参数缓存、寄存器文件和速度控制模块,运动数据参数通过通信总线和通信总线接口存入到FIFO参数缓存中,速度控制模块则从FIFO参数缓存中读取相关参数,计算并发出相关步进电机控制信息给步进电机,寄存器文件内部包含了控制步进电机速度控制装置的所有控制寄存器,用于控制步进电机速度控制装置的运转。2.根据权利要求1所述的步进电机速度控制装置,其特征在于,FIFO参数缓存的缓存方式为:数据进入FIFO参数缓存中保存,当后级装置向FIFO缓存中发出数据读取请求时,先进入缓存队列的数据先出来,后进入缓存队列的数据后出来。3.根据权利要求1或2所述的步进电机速度控制装置,其特征在于,速度控制模块包括依次连接的数据输入部分、周期数计算器、脉冲发生器和信号发生器,周期数计算器用来计算相邻两步间的时间间隔,控制脉冲发生器产生相应的步进脉冲,并通过信号发生器放大,由信号发生器发出步进信号给步进电机,控制其运转;数据输入部分与脉冲发生...

【专利技术属性】
技术研发人员:张俊毕洛宋朝霞李丽娇
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:湖南,43

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