[发明专利]FDM型3D打印机步进电机速度控制装置及驱动控制系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及步进电机运动控制领域，尤其是一种熔融层积型(Fused DepositionModeling:FDM)3D打印机的步进电机运动控制装置及驱动控制系统。

背景技术

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。