CN107959283A - 3d打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电系统及方法，包括多块工业级稳压直流开关电源，其中每两块工业级稳压直流开关电源串联组成一组独立电源，所述独立电源的信号输入端与PLC控制单元相连，所述独立电源的信号输出端与PLC控制单元，所述PLC控制单元包括电压采集模块和模拟电压输出模块，所述电压采集模块用以采集独立电源输出的电压值，所述模拟电压输出模块用以控制独立电压调整输出电压，本发明输出电源具有输出电压稳定可靠、电压可调节、体积小、安装方便等优点，很好的满足了打印设备的打印需求，可用于3D打印头中。

Description

3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电系统及方法

技术领域

本发明涉及一种供电系统，特别涉及一种3D打印头驱动板供电系统。

背景技术

打印头是3D打印机的核心部件之一，它由打印服务器（PMB-C8）、打印身份板卡（HPB-FD-W4D4）、打印放大板卡（HIB-FD-AMP4）、喷头等组成，打印服务器通过USB 2.0接口和USB 3.0接口与工业PC通讯获取目标对象三维立体图形的切片图层信息，经过加工处理，将数据发送给打印身份板卡，再经放大板卡放大后，产生点火脉冲来驱动喷墨打印头，以实现图形的快速打印。

在实际应用当中，打印服务器、打印身份板卡、打印放大板块卡等打印组件需要具备可靠的工作稳定性与强大的图形处理能力，这与其供电方式至关重要，因此，直流电源供给是否可靠直接决定了打印头工作效率的高低与打印质量的好坏。目前，3D打印机的打印头放大板卡的电源常用110V直流电源进行供电，但通常工业级的直流开关电源应用在打印头上有以下两个缺点：一是直流电源的电压不易调节，人为调节较为困难，且调节精度较差，通常只能通过板卡控制电压的大小；二是现在工业上常用的直流电源主要有DC12V、DC24V、DC48V等规格，大容量的直流110V电源不常见，而且体积很庞大，安装使用起来极为不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电系统及方法，使得输出电源具有输出电压稳定可靠、电压可调节、体积小、安装方便等优点，很好的满足了打印设备的打印需求。

本发明的目的是这样实现的：一种3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电系统，包括多块工业级稳压直流开关电源，其中每两块工业级稳压直流开关电源串联组成一组独立电源，所述独立电源的信号输入端与PLC控制单元相连，所述独立电源的信号输出端与PLC控制单元，所述PLC控制单元包括电压采集模块和模拟电压输出模块，所述电压采集模块用以采集独立电源输出的电压值，所述模拟电压输出模块用以控制独立电压调整输出电压。

作为本发明的进一步限定，单块工业级稳压直流开关电源容量为48VDC/10A，单块48V电源的电压调节范围为48V-55V，多块开关电源在电柜中以直线式排布或矩阵式排布。

作为本发明的进一步限定，每两块工业级稳压直流开关电源串联时，将第一块电源的负极与第二块电源的正极相连，第一块电源的正极引出作为独立电源的输出正极，第二块电源的负极引出作为独立电源的输出负极，所述独立电源输出电压范围为96V-110V、输出电流10A的直流电源。

一种3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电方法，包括以下步骤：

步骤1）通过电压采集模块采集独立电源输出的电压值；

步骤2）将采集到的电压值与设定值进行差值运算，得到误差值；

步骤3）PLC系统利用PID控制算法对误差值进行处理，对误差值进行离散化处理运算；

步骤4）PLC系统以4-20mA的信号对单块工业级稳压直流开关电源的电压进行调节；

步骤5）系统趋于稳定后，独立电源将输出一组稳定的直流电压。

作为本发明的进一步限定，步骤3）中的离散化处理运算的公式为：

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过对同种规格的直流电源进行串联，采用双稳态调节方式，得到不同电压范围的直流电源组，电压调节范围宽、精度高、响应迅速，且调节方式较为灵活，同时，克服了常规直流电源容量不足、体积大、不便安装等问题，从而提高了打印头的打印质量和效率，本发明可用于3D打印机驱动中。

附图说明

图1为本发明供电系统示意图。

图2为本发明中供电方法流程图。

具体实施方式

如图1所示的一种3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电系统，包括多块工业级稳压直流开关电源，其中每两块工业级稳压直流开关电源串联组成一组独立电源，独立电源的信号输入端与PLC控制单元相连，独立电源的信号输出端与PLC控制单元，PLC控制单元包括电压采集模块和模拟电压输出模块，电压采集模块用以采集独立电源输出的电压值，模拟电压输出模块用以控制独立电压调整输出电压，单块工业级稳压直流开关电源容量为48VDC/10A，单块48V电源的电压调节范围为48V-55V，多块开关电源在电柜中以直线式排布或矩阵式排布，每两块工业级稳压直流开关电源串联时，将第一块电源的负极与第二块电源的正极相连，第一块电源的正极引出作为独立电源的输出正极，第二块电源的负极引出作为独立电源的输出负极，独立电源输出电压范围为96V-110V、输出电流10A的直流电源。

如图2所示的一种3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电方法，包括以下步骤：

步骤1）通过电压采集模块采集独立电源输出的电压值；

步骤2）将采集到的电压值与设定值进行差值运算，得到误差值；

步骤3）PLC系统利用PID控制算法对误差值进行处理，对误差值进行离散化处理运算，步骤3）中的离散化处理运算的公式为：

；

步骤4）PLC系统以4-20mA的信号对单块工业级稳压直流开关电源的电压进行调节；

步骤5）系统趋于稳定后，独立电源将输出一组稳定的直流电压。

本发明的硬件主要由两大部分组成：直流电源及其附属低压元器件和PLC控制单元，如图1所示。

该直流电源采用8块工业级稳压直流开关电源(3)进行集中供电，直流电源容量为48VDC/10A，单块48V电源的电压调节范围为48V-55V，输出电压通过外接模拟电压信号进行调节，8块开关电源在电柜中以直线式排布或矩阵式排布。每两块直流电源构成一组独立电源，共分为4组。将第一块电源（T1）的负极与第二块电源(T2)的正极相连，第一块电源（T1）的正极引出作为第一组110V电源的正极(1#110V)，第二块电源(T2)的负极引出作为第一组110V电源的负极(1#0V)，其余三组电源组合方式与第一组相同，这样，经过串联后，可以得到4组输出电压范围为96V-110V、输出电流10A的直流电源。每组110V电源进线侧采用接触器独立控制上电，直流输出侧增加熔断器，这样做的目的是为了保护打印头驱动板卡的安全，防止浪涌电压的冲击及短路保护。

PLC控制单元包含了电压采集模块(1)和模拟电压输出模块(2)，通过电压采集模块可以将每组110V电源的电压实时的采集到系统当中，作为反馈输入值；模拟电压输出模块用来调节每块电源的直流输出电压。

本发明的控制原理如下：每块直流开关电源（3）的输出电压可以实现远程自动调节电压等级，在程序当中或HMI界面中设定输出电压值，PLC程序通过转换计算，模拟电压输出模块(2)输出0-5V模拟电压信号，该信号作用到直流开关电源调节通道上，即可调节电源电压的输出值。同时，将直流电源经过升压后的输出电压值采集到PLC当中，程序将输入电压值与设定电压值进行比较处理，逐渐的将输出电压值调节至设定值，从而实现输出电压的一个闭环调节，输出电压稳定可靠，有效的抑制了输入电压波动对输出电压造成的影响。另外，打印头驱动板卡对供电电源要求较为苛刻，在开始上电时，禁止瞬间将96V-110V的直流电压直接加载在板卡端，这样极有可能造成板卡的损坏，因此，需要在上电初始直流电源的输出电压有一个爬坡过程，起到一定的缓冲作用，输出电压闭环调节则刚好解决了这一问题，通过整定PID的参数，达到短时间内电压的稳态输出，既保证了板卡的快速供电同时又对驱动板卡起到了保护作用。

本发明的供电方法如图2所示，PID控制系统通常由比例单元P、积分单元I、微分单元D组成，核心思想是根据PID控制算法对整个系统进行偏差调节，通过偏差信号控制被控量，从而使被控量的实际值与工艺要求的预设值一致。

PID控制器将收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制系统不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。

PID控制算法公式

PID控制算法离散化

本发明中PID调节规律为：

比例调节：增大比例系数使系统反应灵敏，调节速度加快，并且可以减小稳态误差。但是比例系数过大会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，动态性能变坏，比例系数太大甚至会使闭环系统不稳定。单纯的比例控制很难保证调节得恰到好处，完全消除误差。

积分调节：积分部分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，积分作用一般是必须的，积分系数越大，积分作用越强。

微分调节：误差的微分就是误差的变化速率，误差变化越快，其微分绝对值越大。误差增大时，其微分为正；误差减小时，其微分为负。控制器输出量的微分部分与误差的微分成正比，反映了被控量变化的趋势。

每组开关直流电源的电压值采集到系统当中，通过与设定电压进行差值运算后，产生系统误差，系统误差参照5.2.2.2中的离散化公式进行处理运算，运算得到的结果作为输出，以4-20mA的信号对开关电源的电压进行调节，通过对进行整定，当系统趋于稳定后，开关电源将输出一组稳定的直流电压。

高品质的直流开关电源内部本身存在电压自我调节的功能，能够输出稳定的电压值，加上外部构成的闭环调节，整体构成了一个双稳态电压输出，响应迅速、输出电压稳定、精度高，而且易实现。

另外，直流开关电源具备远程开关机的功能，当打印头驱动板卡长时间不需要工作时，可以通过程序控制将开关电源切断，停止对打印头驱动板卡供电，当需要工作时，则再次控制直流电源接通，这样做可以对打印头驱动板卡进行可靠保护。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电系统，其特征在于，包括多块工业级稳压直流开关电源，其中每两块工业级稳压直流开关电源串联组成一组独立电源，所述独立电源的信号输入端与PLC控制单元相连，所述独立电源的信号输出端与PLC控制单元，所述PLC控制单元包括电压采集模块和模拟电压输出模块，所述电压采集模块用以采集独立电源输出的电压值，所述模拟电压输出模块用以控制独立电压调整输出电压。

2.根据权利要求1所述的3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电系统，其特征在于，单块工业级稳压直流开关电源容量为48VDC/10A，单块48V电源的电压调节范围为48V-55V，多块开关电源在电柜中以直线式排布或矩阵式排布。

3.根据权利要求2所述的3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电系统，其特征在于，每两块工业级稳压直流开关电源串联时，将第一块电源的负极与第二块电源的正极相连，第一块电源的正极引出作为独立电源的输出正极，第二块电源的负极引出作为独立电源的输出负极，所述独立电源输出电压范围为96V-110V、输出电流10A的直流电源。

4.一种3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）通过电压采集模块采集独立电源输出的电压值；

步骤2）将采集到的电压值与设定值进行差值运算，得到误差值；

步骤3）PLC系统利用PID控制算法对误差值进行处理，对误差值进行离散化处理运算；

步骤4）PLC系统以4-20mA的信号对单块工业级稳压直流开关电源的电压进行调节；

步骤5）系统趋于稳定后，独立电源将输出一组稳定的直流电压。

5.根据权利要求4所述的3D打印头驱动板卡双稳态闭环直流供电方法，其特征在于，步骤3）中的离散化处理运算的公式为：

。