3D打印驱动关键技术研究

万海鑫，马思远

（阜阳职业技术学院，安徽 阜阳 236031）

3D打印驱动关键技术研究

万海鑫，马思远

（阜阳职业技术学院，安徽 阜阳 236031）

本文即是对3D打印驱动技术进行研究，介绍了该驱动技术的控制原理，同时从硬件和软件两方面阐述了3D打印驱动系统的设计，以期能为相关工作提供参考。

3D打印；驱动技术；系统设计

1 3D打印驱动技术的原理

步进电机是现代新型电机设备的主要组成，该设备的主要特点是无法通过直接接入电源的方式提供动力，而是必须通过驱动器的驱动来运行。因此常规的步进电机主要包括了电机、控制器和驱动器三个部分[1]。步进电机在控制时主要利用的是PWM波发生器、驱动电路等，发生器所产生的脉冲电波可以经由环形分配器进行合理的分配，然后再通过驱动器对电机绕组的电流通过情况进行控制。根据电源输入方式不同可以将步进电机驱动的方式分为三种，具体如下：

其一是单电压驱动模式，其主要是在驱动时所提供的电源为单一恒定的电压，这种驱动方式和电路设计均最为简单，但是电机中绕组电流从零提升到临界值所需用的时间也最长，并且电流的变化频率较快，导致电机转子的转矩大幅缩减。其二是双电压驱动模式，与单电压驱动最根本的不同就在于为电机提供能源的是两种不同的电压。该驱动模式的驱动原理在于利用提高电压输入量的方式，可以缩减绕组电流从零提升到临界值的时间，同时也能进一步保证步进电机的高频性[2]。当绕组电流输入后，步进电机的扣扣男子系统就会对VTH信号进行控制，此时围绕组的电流在达到峰值之后就会对该信号进行切断，然后利用另外一个电压较低的绕组继续供电。这种驱动技术下需要绝对保证VTH信号导通的时间，如果驱动时间过早，则容易导致绕组内电流超负荷；如果驱动时间过晚，则无法达到预期的驱动效果，影响整体打印的质量。其三是恒电流控制技术，这一驱动模式主要利用的是比电机本身额定电压高数倍的高电压进行供电，使该电机能够在任何情况下均保持稳定的电流输出，进而使电机转矩不会受控制器的影响。由于该种方法下产生的供电电压数值较高，一旦开始驱动电机内绕组电流就会在瞬间达到最高值，而此时电流进入到反馈电阻R当中，就会在电阻的两侧形成电流势差，将这种状态下的电机电压值提供给比较器进行分析，当电机中电流超过额定值之后，比较器就会自动切断VTH信号，绕组电流也就会明显下降；而当电流下降到无法满足打印驱动需求时，比较器就会自动将VTH信号开启，提升电机内的输入电流。因此在全自动控制下就能够为步进电机获得一个恒定的输入电流，保证工作的稳定性。

2 3D打印驱动技术中硬件的设计

2.1 主芯片设计

主芯片一般选择STM32F103VE单片机，该单片机的引脚共有100个，控制程序可以从SW接口处下载和调试。同时主芯片当中还包含了一个规格为8MHz的晶体振荡器，该振荡器主要是为整个芯片的控制系统提供时间信号，降低信号输出过程中时间的错误。在电路板设计时，其晶体震荡器和负载电容均需要靠近引脚进行安装，这样可以保证信号在进入MCU后可以为其它结构提供准确的信号传导，这种芯片所提供的时钟信号的差异大约为1s。

2.2 步进电机驱动设计

为了有效扩展步进电机驱动系统的脉宽，可以选择TL494专用电机驱动芯片，其可以有效对PWM波的频率进行固定。该类型芯片能够适用于现在已知所有脉宽的电路，并且其自身携带有锯齿波振荡器、晶体开关、比较器等基础零件。当芯片上的第5、第6管脚分别于电容、电阻相连后就能够产生锯齿波，此时该信号波震荡频率与电机电阻值有一定的联系，震荡频率可以表示为：此时锯齿波可以从比较器内通过，并且在第4引脚处输入时钟控制信号，比较器就会对这一信号与PWM信号进行对比，如果所获得的波长不同，则PWM就可以作为触发器的时钟信号，并且协同控制电机的晶体开关。

2.3 打印头温度驱动设计

打印头上的温度驱动系统主要包括温度检测电路、加热驱动电路两大部分。其中温度检测电路通产采用的是铂电阻，该电阻检测的精度较高，反应时间较短，铂电阻的阻值和温度的关系可以表示为：公式当中的Rt是当铂电阻的温度达到t时的电阻值；Rt0则指的是温度达到t0时的电阻值；α是温度的系数，这一公式所反应的数值与线性数据相类似。但是在实际使用时由于外部噪音的干扰，会使得内部信号不稳定，因此直接测量值可能较低，因此需要加装信号发大器。加热驱动电路则主要采用光耦隔离进行处理，但控制器内的信号为低电平，则二极管就会发光，使光敏二极管饱和，这样就可以驱动加热；而当信号为高电平时则切断输出，以免温度过高。

3 3D驱动系统的软件设计

3.1 主程序设计

首先要对系统进行初始化处理，其主要包括I/O初始化、ADC转换器初始化等。其次是对G-code文件进行解析，将所有STL文件均转变为G文件，并且系统优先对这一格式的文件进行解析。第三，将解析完成的文件按照信号地址的顺序进行存放，以方便以后系统调用。同时将看门计时器归零，以免系统偷跑或进入死循环当中。

3.2 子驱动程序设计

子驱动程序主要是对步进电机驱动当中步长的细化分析，并为驱动器提供启动指令。当驱动器获取一个指令后，其陈旭就会从FLASH存储器当中寻找相应的函数值，并控制电压输出的转换。而为了对函数正弦和余弦关系进行考虑，还应该在设计程序时加入正弦函数的半个周期。当前所使用的3D打印机中细分驱动技术要求将步进电机进行128细分处理，并且要求根据信号的传输反向设置4个GPIO进口，这样可以满足不同输电顺序时的调控。

3.3 温度控制程序

温控是3D打印驱动程序中重要的组成，通常采用闭环控制系统，包括温度数据的采集和PID模糊控制。其中温度数据的采集和转换由专门的子程序负责，由加装在打印头上的温控信号采集装置进行搜集，并将温度数据转变为数字信号，然后经由处理器分析后对电机的运行进行控制。PID模糊控制系统则是将传感器所采集的温度值与限定值进行对比，得出误差率，并对其进行模糊化检验，根据系统设定的模糊化控制规则调整。

4 结束语

3D打印技术是现代加工业发展的必然方向，其能够提升生产加工行业的效率，降低成本。但我国目前相关驱动技术仍较为落后，需要进一步引入国外技术进行填补。

[1]余前帆.增材制造——3D打印的正称[J].中国科技术语，2013，04：46-48，52.

[2]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012，26：3-5.

Research on Key Technologies of 3D print driver

WAN Hai-xin， MA Si-yuan

(Fuyang Vocational and Technical College， Fuyang Anhui 236031)

This paper is the study of 3D printing drive technology， introduces the control principle of the drive technology， at the same time from two aspects of hardware and software in this paper， the design of the 3D printing drive system， in order to provide references for related work.

3D printing; Drive technology; System design

TP334.8

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.05.026

1672–7304(2016)05–0053–02

阜阳职业技术学院校级科研项目“膏状3D打印机研发及课程开发”（项目编号：2014KYXM01）；阜阳职业技术学院校级示范实验实训中心-创客基地（项目编号：2015SXZX01） 。

（责任编辑：吴 芳）

万海鑫（1985-），男，安徽阜阳人，讲师，研究方向：机电一体化。