第頁基于3D打印的步進電機控制系統(tǒng)方案設(shè)計案例目錄1TOC\o"1-3"\h\u10817基于3D打印的步進電機控制系統(tǒng)方案設(shè)計 126261.13D打印機結(jié)構(gòu)與工作原理 171881.23D打印控制系統(tǒng)分析 2245301.23D打印機控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 3155941.33D打印機控制系統(tǒng)硬件電路 4125051.4步進電機工作原理及選型 6263301.5步進電機驅(qū)動技術(shù) 8135981.6混合式步進電機仿真系統(tǒng)研究 8185411.7驅(qū)動原理仿真研究 11264612控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 14180162.1AT89C51單片機介紹 15252292.2單片機最小系統(tǒng) 16236382.3電路控制模式選擇 16220802.6開發(fā)環(huán)境 16317822.4編程語言選擇 17131092.5硬件電路控制模式選擇 17104232.6編程語言選擇 18以基于3D打印的步進電機控制系統(tǒng)的研究這個總體方案設(shè)計目標(biāo)為中心，展開控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計，然后根據(jù)設(shè)計方案展開具體的研究工作?？傮w方案的設(shè)計至關(guān)重要，它決定了項目的研發(fā)周期、研發(fā)成本和最后設(shè)計出的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等諸多因素，方案設(shè)計的可行性也是達到項目預(yù)期研究目標(biāo)的必要前提。因此，本章會針對步進電機控制系統(tǒng)的工作原理和運行特性等要求進行分析，最終設(shè)計出一種合理的基于3D打印的步進電機控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。1.13D打印機結(jié)構(gòu)與工作原理3D打印是基于添加劑制造技術(shù)，其中，在等疊加的物理層之上，創(chuàng)建出三維對象。與其他的技術(shù)不同，優(yōu)點是成本較低、產(chǎn)出較快、適用性較強。與激光成型技術(shù)類似，不同于傳統(tǒng)的材料去除型操作，它可以將想要的平面圖形“打印”出來，得到一個現(xiàn)實的物體，通過一個個疊加的物理層，進一步操作后，根據(jù)真實的3D模型所需要的材料厚度，增加到所需要的厚度。之所以叫做“打印機”，是因為整個打印操作過程與平面打印機的噴墨原理類似。首先CAD分層數(shù)據(jù)會選擇一個特定的制作途徑將半流動狀態(tài)材料通過推擠、制作成規(guī)劃的形狀，整個操作過程是一層一層進行的，然后每層制作完畢冷卻后，設(shè)定的零件和形狀就好了[7]。主要由四個系統(tǒng)組成：噴射、數(shù)控、成型、機械（高精度）、傳動等過程。本文主要著手于傳動系統(tǒng)步進電機的設(shè)計。如圖1.1為熔融沉積型3D打印機實物圖：圖1.1熔融沉積式3D打印機實物圖1.23D打印控制系統(tǒng)分析以FDM型3D打印機作為研究對象，其工作原理實際上是完成一種由三維N-維再到三維的變化過程，即對一個三維的控制模型進行切片處理，形成一系列的二維圖片，并生成G代碼，這些代碼通過通訊接口傳輸?shù)娇刂菩酒?，控制芯片對這些數(shù)據(jù)進行分析處理后傳輸給驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動步進電機運行，包括X、Y、Z三軸電機相對打印板的運行和噴頭出料步進電機的運行，材料逐層累積直至再現(xiàn)三維模型。3D打印機的控制系統(tǒng)進行設(shè)計本質(zhì)上其實就是對X、Y、Z三軸運動系統(tǒng)的三個步進電機和出料機的驅(qū)動系統(tǒng)的一個步進電機這四個電機的控制系統(tǒng)進行設(shè)計。因此，本文的關(guān)鍵就是對步進電機的控制和驅(qū)動系統(tǒng)進行研究。其工作流程圖如下圖1.2所示：圖1.2打印及工作流程圖本設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一個以ARM控制器為核心的步進電機控制系統(tǒng)，由前面所描述的3D打印機的運行原理可知，對3D打印機的控制系統(tǒng)進行設(shè)計本質(zhì)上其實就是對X、Y、Z三軸運動系統(tǒng)的三個步進電機和出料機的驅(qū)動系統(tǒng)的一個步進電機這四個電機的控制系統(tǒng)進行設(shè)計。因此，本文的關(guān)鍵就是對步進電機的控制和驅(qū)動系統(tǒng)進行研究。1.23D打印機控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)FDM型3D打印技術(shù)起始于19世紀(jì)90年代，隨著數(shù)字化加工技術(shù)突飛猛進的發(fā)展和人們生活品質(zhì)的不斷提高，市場上對3D打印產(chǎn)品的速度、精度等需求也隨之提高，傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)己滿足不了日益膨脹的市場需求，因此，新的控制算法和控制系統(tǒng)逐漸被研究出來，極大地促進了3D打印行業(yè)的快速發(fā)展，其中FDM型3D打印技術(shù)就是順應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求應(yīng)運而生的一種被廣泛應(yīng)用的技術(shù)。顧名思義，熔融沉積成型技術(shù)的原理就是將材料加熱至融化后擠出，這個過程需要一套控制系統(tǒng)組合來完成，其中硬件設(shè)備主要包括：打印平臺、送絲機構(gòu)、運動機構(gòu)、熱熔噴頭、加熱成型室5個部分，如下圖1.3所示。在準(zhǔn)備開始打印前，運動機構(gòu)先進行成型室的定位以保證打印機運動范圍，隨后對成型室進行加熱至70度恒溫，同時對熱熔噴頭進行加熱至210度恒溫。然后運動機構(gòu)掃描路徑控制的X、Y軸步進電機開始運動，同時送絲機構(gòu)擠出控制的步進電機按照控制器預(yù)先設(shè)定的速度曲線開始運行，每當(dāng)打印完一層后，運動機構(gòu)控制的Z軸步進電機開始運行，向上移動一層后重復(fù)前述的工作內(nèi)容，直至最后打印結(jié)束，得到一個三維的實際物體模型，打印的整個過程中加熱成型室和熱熔噴頭都保持恒溫。熔融沉積設(shè)備接收來自上位機的切片信息并由ARM控制器進行統(tǒng)一處理，它的整個的控制系統(tǒng)由幾個獨立的子控制模塊構(gòu)成。FDM各個子控制系統(tǒng)如下：1)送絲機構(gòu)擠出控制2)運動機構(gòu)掃描路徑控制3)熱熔噴頭控制4)加熱成型室控制5)設(shè)備運動控制圖1.3熔融沉積型控制系統(tǒng)1.33D打印機控制系統(tǒng)硬件電路硬件電路是控制系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，它的合理性直接決定了整個3D打印系統(tǒng)的性能，對整個控制系統(tǒng)起著不可或缺的作用。根據(jù)控制器的控制特性以及3D打印控制系統(tǒng)的需求分析，可以將系統(tǒng)的硬件電路分為以下幾個部分：(1)系統(tǒng)主控電路模塊：主控電路模塊的主要控制芯片是AT89C51單片機，衍生出來的包含復(fù)位、電源以及時鐘電路等一些外圍電路模塊。主控電路的主要作用是對數(shù)據(jù)進行處理、對反饋信號進行監(jiān)測以及進行控制程序的編輯等。(2)步進電機驅(qū)動模塊：驅(qū)動模塊位于控制模塊和電機之間，由于步進電機不能直接用控制器進行控制，所以需要加一個驅(qū)動單元，它接收來自控制模塊的控制信號并進行處理，然后驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。(3)溫度控制模塊：溫度控制模塊主要包含對打印材料進行加熱模塊和對溫度進行采集的模塊，其目的就是將3D打印材料進行加熱并保持恒定的溫度范圍，使得3D打印材料能夠順利擠出，保證流暢打印。(4)人機交互模塊：人機交互設(shè)計模塊包含上位機、用戶按鍵、顯示燈等。上位機可以實時顯示打印狀態(tài)、轉(zhuǎn)角位置以及轉(zhuǎn)速大小等。同時，選擇開關(guān)可以設(shè)置步進電機運行時的細分數(shù)，并且在硬件電路能夠兼容兩套控制系統(tǒng)，既可以進行內(nèi)部控制也可以進行外部控制，LED顯示燈用于顯示控制器的重要運行信息。(5)串口通信模塊：串口連接主控芯片和上位機，他們通過串口通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸；可以連接其他的控制器，實現(xiàn)控制器的拓展。在這五個模塊中，主控電路模塊是整個硬件電路控制系統(tǒng)的核心，另外，步進電機驅(qū)動電路模塊也至關(guān)重要，后續(xù)將會對硬件電路控制系統(tǒng)的這兩個重要模塊進行詳細的介紹。以下是3D打印機控制系統(tǒng)的硬件模塊化框圖，如下圖1.4所示：圖1.4打印機硬件模塊化原理圖3D打印控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是對步進電機進行控制，因此，本文將全面的介紹控制系統(tǒng)硬件電路方案和工作原理。同時，在制定步進電機控制系統(tǒng)整體方案的時候加入了上位機，方便對電機的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速等信息進行實時的監(jiān)測，更好的實現(xiàn)人機交互功能。以下是步進電機控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖，如下圖1.5所示：圖1.5步進電機驅(qū)動系統(tǒng)總體框架圖1.4步進電機工作原理及選型步進電機是在給定的脈沖頻率下進行信號位移（線位移、角位移）轉(zhuǎn)換過程的一種運動控制系統(tǒng)裝置，它的脈沖信號為直流電，主要作為一種控制電機。根據(jù)信號的不同，它主要分兩種類型：脈沖型和階躍型。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，他可以分為三種：混合式（HB型）、磁鐵式（PM型）、可變磁阻式（VR型），目前市場上面較多的是混合式的步進電機，主要應(yīng)用場景在工業(yè)領(lǐng)域，這種結(jié)構(gòu)的步進電機與普通的旋轉(zhuǎn)電機差異較小，這種轉(zhuǎn)子本質(zhì)是磁鐵，兩極（做成復(fù)極形式）被磁化，由轉(zhuǎn)子和定子組成，這種結(jié)構(gòu)綜合了后面兩種類型的優(yōu)點，有較小的步進角度、準(zhǔn)確率高、轉(zhuǎn)矩較大。兩相步進電機的轉(zhuǎn)子和定子模塊是分開的。在轉(zhuǎn)子模塊中，鐵芯被均勻的分成兩個體積，兩個體積之間的間隔是0.5個單位，上面的槽和齒也是等間隔分布的。不同磁性的永磁體在轉(zhuǎn)子的兩個體積上，在磁化效應(yīng)的作用下分離出相反的兩個極性，分別是S極和N極性。在定子模塊中，共有兩個相繞組，每個相繞組有兩個磁極，一共由8個磁極組成，所以叫做兩相步進電機。本文主要采用兩相混合式步進電機來設(shè)計3D打印機的傳動部分。圖1.6兩相混合式步進電機三維結(jié)構(gòu)圖圖1.7兩相混合式步進電機軸向剖面圖從轉(zhuǎn)子軸的方向上來看，當(dāng)要求轉(zhuǎn)子齒的軸線是相同時，最近的兩個齒的軸線偏移0.25個單位的距離。電機的轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生需要依靠定子定子繞組后產(chǎn)生MF與轉(zhuǎn)子直接產(chǎn)生的MF相互作用，如果兩者相互作用，就可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，進而形成氣隙磁動勢；如果二者沒有產(chǎn)生MF或是沒有相互作用，電機就不會轉(zhuǎn)矩。兩個磁通勢相互作用的結(jié)果也取決于流入定子的兩相繞組的電流的方向和大小，這樣就可以在不考慮磁路飽和的情況下，通過幾何運算對兩種磁通勢的磁極轉(zhuǎn)矩進行分析。圖1.8兩相混合式步進電機原理圖如上圖2.5所示，兩相混合式步進電機共有A、B兩相繞組，四相單四拍的通電順序為A—B—A—B—A，四相雙四拍的通電順序為AB—BA—AB—BA—AB，四相八拍的通電順序為A—AB—B—BA—A—AB—B—BA—A。1.5步進電機驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動器可以進行細分控制，最大細分數(shù)可達到128細分，即步進電機的步距腳可以達到1．8°／128，細分控制大大增加了步進電機的控制精度，在步進電機控制系統(tǒng)中被普遍使用，其簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖1.9所示：圖1.9控制系統(tǒng)機構(gòu)框圖硬件電路的控制器和驅(qū)動器之間需要加一個光耦隔離保護電路。系統(tǒng)運行時，控制器向驅(qū)動器發(fā)出使能、脈沖以及方向三個控制信號，分別控制步進電機的是否開始運行，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)向。步進電機開環(huán)控制方式非常精確、簡單，只需要對脈沖進行控制，不需要位置和速度傳感器。1.6混合式步進電機仿真系統(tǒng)研究本設(shè)計中的步進電機仿真模型采用MATLAB中自帶的StepperMotor模塊，通過設(shè)置可以選擇仿真所用的步進電機類型，本章選擇混合式步進電機模型進行仿真研究。StepperMotor模塊除了可以進行電機類型的選擇，還可以設(shè)計步進電機的相數(shù)、最大繞組電感、繞線電阻、步距角以及總轉(zhuǎn)動慣量等電機相關(guān)的參數(shù)。同時，StepperMotor模塊的輸出包含五路信號，可以進行相電壓、相電流、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)過角度的實時觀測和測量。本設(shè)計選用的是42混合式步進電機42HS4813A4，其各個參數(shù)指標(biāo)如下表3．1所示：表1.142HS4813A4根據(jù)42HS4813A4型步進電機參數(shù)表設(shè)置步進電機仿真模型中的相關(guān)參數(shù)，仿真時間設(shè)為0..25s，MATLAB給出的控制系統(tǒng)仿真參考模型圖如下圖1.6所示：圖1.10步進電機控制系統(tǒng)仿真圖圖3．11為在所設(shè)置電機參數(shù)仿真情況下的仿真輸出波形圖，波形圖自上至下分別為電壓、電流、輸出轉(zhuǎn)矩以及輸出角速度。圖1.11仿真輸出波形圖如圖3．11所示，可以看出，步進電機轉(zhuǎn)動步距角約為1．8度，仿真結(jié)果與理論相符，且從仿真結(jié)果可以看出，步進電機單步響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩脈動小，輸出精度高，滿足本文控制系統(tǒng)的需求。1.7驅(qū)動原理仿真研究根據(jù)步進電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運行原理，搭建雙H橋功率驅(qū)動電路，用控制脈沖對步進電機的運行進行探索和驗證，其驅(qū)動仿真圖如下圖3．12所示：圖1.12驅(qū)動仿真圖在Matlab提供的步進電機控制驅(qū)動仿真模型基礎(chǔ)上，根據(jù)細分控制技術(shù)原理，其在圖3．8的驅(qū)動原理圖基礎(chǔ)上增加了電流細分和PWM脈寬調(diào)制兩部分。兩相電流四細分波形圖如下圖3．13，所示：圖1.13兩相電流4細分波形圖電流細分模塊的功能是對步進電機的驅(qū)動電流進行細分，其原理圖如上圖3．12所示，步進電機細分驅(qū)動具體的工作原理如下：當(dāng)控制脈沖Pluse給電流細分模塊發(fā)送脈沖的時候，電流細分模塊就會輸出經(jīng)過細分后的A、B兩相的電流波形，其波形如上圖3．13所示，然后將電流細分模塊輸出的電流值進入到PWM脈寬調(diào)制模塊，同時，電機繞組上實際的電流值反饋到PWM脈寬調(diào)制模塊，兩個電流進行比較，并通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖序列，進而控制雙H橋功率驅(qū)動電路中MOS管的開通和關(guān)斷，從而改變繞組電流，驅(qū)動電機有序轉(zhuǎn)動。電流細分模塊包含兩個部分，分別為計步模塊與電流計算模塊，兩模塊的主體均為應(yīng)用M語言編寫的函數(shù)體，運行時兩部分均己Trigger模塊外接的脈沖周期為執(zhí)行周期，每個執(zhí)行周期內(nèi)由stepcount對已走步數(shù)step進行更新，并傳遞給currentcalculate，在currentcalculatel中對兩相繞組期望電流值進行更新，模型中Delay為延遲模塊，其作用是防止出現(xiàn)代數(shù)環(huán)現(xiàn)象，即本次運算調(diào)用本次結(jié)果使運算產(chǎn)生邏輯錯誤。圖1.14PWM脈寬調(diào)試模塊如圖3．14為利用滯環(huán)比較方式實現(xiàn)的PWM脈寬調(diào)制模塊，該模塊可實現(xiàn)兩路PWM輸出，其中Ia，Ib為電流細分模塊期望電流輸入，Iai與Ibi為兩相繞組的實際電流值的反饋，實際電流反饋值低通濾波后與期望值進行比較后通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生高低電平輸出信號，經(jīng)過處理后輸出PWM-A與PWM-B信號，其中Convert模塊的作用為數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化，模塊默認設(shè)置為Inherit：Inheritviabackpropagation，即將輸入值類型轉(zhuǎn)化為輸出端鏈接模塊所需輸入?yún)?shù)類型，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。H橋驅(qū)動模塊主要應(yīng)用Simulink提供的UnviersalBridge模塊，通過設(shè)計讓每一個模塊含有兩個開關(guān)管，兩個模塊可組成一個H橋功率驅(qū)動電路，本設(shè)計采用雙H橋功率驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。4控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計步進電機控制系統(tǒng)硬件平臺的搭建是整個3D打印控制系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)，是步進電機控制系統(tǒng)實驗調(diào)試的載體，為后續(xù)進行測試和與上位機通訊等提供了一個切實可靠的平臺和接口。本章將分模塊對步進電機控制系統(tǒng)的各個組成部分分別進行介紹。硬件總體設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1，其仿真圖如圖2.2。圖2.1硬件電路結(jié)構(gòu)圖圖2.2硬件電路仿真圖2.1AT89C51單片機介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。主要特性：與MCS-51兼容，4K字節(jié)可編程閃爍存儲器，數(shù)據(jù)保留時間：10年，全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz，三級程序存儲器鎖定，128*8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，兩個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路，本設(shè)計單片機所用源代碼見附錄。2.2單片機最小系統(tǒng)AT89C8051單片機是系列單片機中最基本的單片機機型，已廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用這種單片機。在本系統(tǒng)中，單片機的最小系統(tǒng)包括單片機本體，reset電路和時鐘產(chǎn)生電路。，單片機：8051單片機有4個8位并行接口，分別記錄為P0，P1，P2和P3，共32條I/O線。（1）端口P0的8位端口線和端口P1的低2位端口線主要用于控制輸出。由于該系統(tǒng)是在兩相通信的基礎(chǔ)上開發(fā)的，共用10位端口線，輸出10路脈沖控制信號。需要注意的是，端口P0的8位端口線沒有內(nèi)部上拉功能，因此需要外部上拉電阻來實現(xiàn)可靠的設(shè)置；（2）在P1口的其他端口線和P2端口的低6位端口線用于控制面板的控制信號輸入；（3）中斷INTO（1.2）是用來介紹外部脈沖信號到CP；（4）中斷端口INT1（p3．3）用于引入過流故障信號，復(fù)位電路：RST引腳是復(fù)位信號輸入，復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24次以上振蕩，因為系統(tǒng)采用12M晶體振蕩器。因此，復(fù)位操作只有在持續(xù)時間超過2μs時才能完成。，振蕩電路：單片機本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路。為了保證同步工作模式的實現(xiàn)，必須有一個唯一的時鐘信號。時鐘信號是這樣產(chǎn)生的。2.3電路控制模式選擇為了使基于3D打印的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)滿足不同工作環(huán)境的要求，控制系統(tǒng)包含了外部控制和內(nèi)部控制兩種控制模式，系統(tǒng)設(shè)置了一個撥碼開關(guān)，在通電之前可以通過撥碼開關(guān)設(shè)置不同的工作模式。兩種不同的控制模式控制的是一套步進電機系統(tǒng)，因此，需要將兩種控制方式的輸出信號合成為一路信號，且兩種控制模式不能同時工作，所以將兩種控制信號采用一個異或門進行處理。外部控制系統(tǒng)發(fā)出的信號通過光耦隔離電路進入驅(qū)動系統(tǒng)，然后信號經(jīng)過異或門與內(nèi)部驅(qū)動控制信號合成為一路信號對步進電機進行控制，驅(qū)動系統(tǒng)在通電后會自行判斷驅(qū)動模式。外部控制輸入端共有四個端口：VCC(外部控制器電源輸入端口)、DIP(方向控制端口)、PLU(控制脈沖輸入端口)和ENA(使能端口)。為使控制器和驅(qū)動器以及其它外圍設(shè)備安全運行，在外部控制輸入端和驅(qū)動器之間加了一個光耦隔離。當(dāng)外部控制器電源輸入端口和其他三個端口之間的電勢差為正并且它們之間的電流大于18mA時，光耦隔離電路就會導(dǎo)通，此時，輸出端接地輸出低電平信號或者接5V電壓輸出高電平信號。2.6開發(fā)環(huán)境本設(shè)計使用的主控芯片為AT89C51，上位機對實時性要求不是很高，也不需要大量的復(fù)雜運算，但是需要比較友好的用戶界面，因此，芯片的開發(fā)環(huán)境選擇Keil系統(tǒng)下C語言的編程，這款軟件系統(tǒng)功能非常強大，可以提供一系列的處理器進行編程、編譯和在線調(diào)試。實際Keil程序開發(fā)界面如下圖2.3所示：圖2.3Keil程序開發(fā)界面2.4編程語言選擇C語言是微軟公司在2000年發(fā)布的一款面向?qū)ο蟮母呒壘幊陶Z言，簡單、高效、穩(wěn)定，并且C語言的編程與人們的日常思維模