CN108058388B - 基于arm微控制器的面成型3d打印机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面成型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。
Description
技术领域
本发明涉及一种以ARM微控制器为核心的面成型3D打印机控制系统，属于3D打印技术领域。
背景技术
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。
发明内容
本发明针对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。
按照本发明提供的技术方案，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，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PA20 TCCO_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)u
y＝C2(θ)x+D21(θ)w+D22(θ)u
其中状态向量x＝[id iq]Τ，控制输入u＝[ud uq]Τ，测量输出y＝[Δid Δiq]Τ，被控输出z＝[Δid Δiq]Τ，外部扰动w＝[id_ref iq_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：
本发明的优点如下：
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、本发明所用到的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、本发明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为本发明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发明做进一步的说明。
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ARMCortex M0+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UV LED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，UV LED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，本发明所述控制系统包括：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。
ATSAMD21G18A的供电电压是3.3V，并且每个引脚的电压不能超过3.3V，超过3.3V可能会烧坏电路板，微控制器21的供电由电源模块24提供。电源模块24提供三个电压：3.3V、5V/2A、24V，分别对微控制器21、图像数据传输模块28、步进电机30与散热风扇29提供电能。
通过切片软件处理完的数据存放在U盘里，微控制器21通过图像数据传输模块28读取打印数据，根据打印数据控制打印机执行模块进行打印。电机驱动电路26控制两相四线混合式步进电机在Z方向移动，进行打印工作。双MOS管并联恒流源驱动电路27驱动恒流源32工作，控制50W的UV LED工作，对光敏树脂进行固化。光电传感器23的作用在于检测打印平台的位置，便于Z轴寻找原点。除此之外，微控制器21通过I/O口连接按键电路22。
本实施例中，整个控制系统以ATSAMD21G18A微控制器为核心，其利用微控制器内部极为丰富的资源，使得整个系统扩展性极高。整个系统以面成型打印为打印过程，使得打印成品精度更高，更省时；以LED阵列固化光感树脂为打印方式，使得整个打印更为的方便易携，灵活性强且节约成本。并且，在对电机驱动的控制中，微控制器内部设有的LPV控制器，能够加强电机的抗干扰性，从而保证3D打印的精确性。所述的电机驱动电路选用DRV8825步进电机驱动芯片，控制升降机构的上下移动。所述的恒流源驱动电路选用的MOSFET型号为N沟道增强型D4184，打印机固化光源使用特定波长为415nm～425nm的UV LED阵列。
如图3所示，ATSAMD21G18A外围电路包括时钟电路和复位电路，这两个电路对于微控制器芯片来说是不可或缺的。除此之外为了方便给微控制器下载程序，我们还单独设置了SWD接口单路。ATSAMD21G18A有48个引脚，其中有38个GPIO引脚；拥有256KB可编程Flash和32KB的SRAM；3个定时/计数器(TC)，每个TC有两个波形输出通道，5个控制定时/计数器(TCC)，每个TCC拥有8个波形输出通道，还拥有实时计时器RTC；拥有看门狗定时器(WDT)；串行调试接口SWD，用于编程、测试调试；一个USB2.0接口，有八个端点；12个DMA输出通道；CPU最大频率为48MHZ；6个串行通信接口，又称SERCOM，除了SERCOM4用于内部通信不可配置，其他的SERCOM都可以配置成SPI、UART和USART；16个外部中断，一个不可屏蔽中断；12个事件系统通道；14个模拟数字转换通道(ADC)，两个模拟比较器(AC)，1个数字模拟转换通道(DAC)；时钟方面，拥有32.768KHZ(XOSC32K)、0.4-32MHz晶振(XOSC)、OSC32K、OSCULP32K、OSC8M、DFLL48M和FDPLL96M。
如图4所示，为步进电机驱动电路。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。考虑到本实施例的步进电机额定相电流为1.7A，采用1/8拍细分微步工作模式。通过改变MODE0、MODE1、MODE2三个引脚的输入，控制驱动的细分步进量，采用1/8拍细分微步工作模式，使MODE0＝1，MODE1＝1，MODE2＝0，从而可以使步进电机速度更加平滑。AOUT1、AOUT2、BOUT1、BOUT2分别连到两相四线混合式步进电机的对应四线A、
B和线。AVREF和BVREF输入电压经过DRV8825中DAC给DRV8825内置的电压比较器的同相输入端，ISENA和ISENB经过电流采样电阻获取电压给电压比较器的反相输入端，当采样电阻两端电压和内置DAC输出电压相等时，DRV8825停止工作，因此为了保证DRV8825工作，采样电阻两端电压和AVREF、BVREF输入电压不能相等，有公式
其中为电流的最大输出电流，电流采样电阻我们选用1206封装阻值为0.2Ω，ICHOP＝VREF/50.2＝3.356/(56K+50K)/1＝1.74A。可以让电机在额定相电流1.7A工作。图4中二极管D2为故障指示灯，二极管D3为电机运行指示灯，二极管D4为电源指示灯。
如图5所示，为基于LPV电机速度控制器框图。LPV控制方法对于负载转矩的跟踪效果一样，都能较为准确、快速地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控制能快速使电磁转矩回到稳定值附近。该LPV控制器构建步骤如下：
第一步，电机在d-q参考坐标系内的一般数学模型方程为：
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)u
y＝C2(θ)x+D21(θ)w+D22(θ)u
其中状态向量x＝[id iq]Τ；控制输入u＝[ud uq]Τ；测量输出y＝[Δid Δiq]Τ；被控输出z＝[Δid Δiq]Τ；外部扰动w＝[id_ref iq_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：
该处设计了一种对电机基于LPV控制的的抗干扰性输出反馈控制，在电机模型的各个顶点设计出鲁棒输出反馈控制器，选取合适权重比系数合成控制器。该方法能准确的控制电机转速，对负载变化的干扰具有较强的鲁棒性，能够加强电机的抗干扰性，从而保证3D打印的精确性。
如图6所示为恒流源驱动电路。恒流源的输入电压范围在12V—24V之间，输入电流为3A，功率为50W，为了控制这样一个大功率恒流源，我们不可能用微控制器ATSAMD21G18A直接控制，单个MOS管又达不到需要的3A电流，因此我们设计了双MOS管并联开关电路，微控制器的PA20TCCO_W6管脚与双MOS管并联开关电路连接，通过高低电平控制UV LED阵列工作。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。
D4184MOS管的内阻随着温度的增高而变大，根据这一特性，假设两个D4184MOS管并联，某一个MOS管电流比较大，电流大会造成温度升高，而根据温度特性曲线，温度升高，内阻变大，电流将逐渐减小，所以双MOS管并联是可行的。当PA20_TCCO_W6引脚为高电平时，D99二极管发光，并联开关电路正常工作，恒流源驱动UV LED阵列工作，固化光敏树脂。当PA20_TCCO_W6引脚为低电平时，D99发光二极管不亮，并联开关电路不工作，控制系统不处于曝光阶段。双MOS开关的设计在保证整个系统正常高效工作的同时，解决了所选择ATSAMD21G18A微控制器不能控制大功率恒流源的问题。
综上所述，本发明是以ATSAMD21G18A微控制器为核心，能够在操控由步进电机控制的升降机构在竖直方向移动的同时，根据图像数据传输模块读取的打印数据，控制由恒流源驱动电路主要构成的的曝光模块将光敏树脂进行固化，从而实现3D打印的控制系统。该系统采用光固化成型技术和LCD光源技术，不仅成本低，而且还具有成型速度快，打印精度高等优点。
Claims (3)
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；
所述微控制器(21)采用ATSAMD21G18A微控制器，微控制器的PA20 TCCO_W6管脚与双MOS管并联开关电路连接；
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PA20 TCCO_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。
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。
3.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：
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)u
y＝C2(θ)x+D21(θ)w+D22(θ)u
其中状态向量x＝[id iq]Τ，控制输入u＝[ud uq]Τ，测量输出y＝[Δid Δiq]Τ，被控输出z＝[Δid Δiq]Τ，外部扰动w＝[id_ref iq_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，计算得到：
最后，LPV控制器的模型表示为：
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