3D打印用步进电机控制系统的研究

摘要

随着高新科技的快速发展，3D打印技术已具有越来越重要的工业革命意义，它在制造、航天、医学等各个领域都被普遍的应用。3D打印技术的原料利用率高，节约资源，并且可以根据任意的设计进行打印，市场需求不断增加，然而，目前3D打印技术还存在着很多的问题，其中快速性和高精度之间的矛盾已然是制约3D打印技术工业化进程的一个重要问题。
　　本文以ARM为核心，对步进电机加减速控制算法进行研究，并在基于ARM的以STM32微控制器为控制核心，LV8729为驱动器，包含电机、编码器和上位机的基于3D打印的步进电机硬件平台上进行实验验证。
　　在原有MATLAB电机仿真模型基础上进行改进，设计了新的步进电机控制系统仿真模型，增加了算法设计模块，可进行加减速百分比的输入，为接下来梯型、抛物线型和S型三种步进电机加减速控制方法的速度曲线提供仿真平台。
　　对梯型、抛物线型和S型三种步进电机加减速控制方法分别进行恒细分数和变细分数数学模型的建立，进行仿真验证并分析它们各自适用的应用场合。步进电机匀速运行时启动速度太快，需要的启动转矩很大，导致电机存在丢步、过充等一系列的问题，采用加减速进行控制来避免电机失步、丢步、过冲等现象的发生。
　　以恒细分数步进电机加减速控制算法为基础，本文对可变细分数的加减速控制算法进行研究，建立可变细分数加减速控制方法的数学模型并进行仿真实验验证。
　　最后，对基于3D打印的步进电机控制系统进行整体调试，对匀速控制、恒细分数控制和变细分数控制方法进行实际的测试验证，并分析不同控制方法对电机运行的影响。
　　3D打印频繁换向，也就意味着作为控制电机需要频繁加减速，因此，本文对步进电机加减速控制算法进行研究具有重要实际应用意义。通过对步进电机控制算法进行优化，以实现对3D打印系统的出料电机和X、Y、Z三个方向轴上的步进电机实现更好的控制，进而实现对3D打印实验样机的控制，在保证打印精度的同时提升打印的速度。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及选题意义

1．2国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 3D打印技术国外的研究现状

1．2．2 3D打印国内的研究现状

1．2．3步进电机控制方法的研究现状

1．2．4 3D打印未来的发展趋势

1．3本文的主要研究内容

第2章控制系统总体方案设计

2．1 3D打印控制系统需求分析

2．2 3D打印控制系统的总体结构

2．3 3D打印控制策略研究

2．4 3D打印机控制系统硬件电路

2．5本章小结

第3章步进电机控制策略研究

3．1步进电机细分驱动技术

3．2步进电机系统仿真研究

3．2．1步进电机仿真研究

3．2．2驱动原理仿真研究

3．3恒细分数加减速控制算法研究

3．3．1步进电机加减速速度曲线

3．3．2步进电机加减速数学模型

3．3．2步进电机加减速仿真模型

3．3．3恒定细分数加减速系统仿真

3．4变细分数加减速控制算法研究

3．4．1变细分数加减速控制流程

3．4．2变细分数加减速数学模型

3．4．3变细分数加减速系统仿真

3．5仿真结果分析

3．6本章小结

第4章控制系统硬件电路

4．1主控电路模块介绍

4．1．1主控芯片选择

4．1．2 STM32微控制器

4．1．3 STM32外围电路

4．2步进电机驱动模块介绍

4．2．1步进电机工作原理及选型

4．2．2步进电机驱动技术

4．2．3驱动芯片的选择

4．2．4驱动部分原理图

4．3硬件电路控制模式的选择

4．4本章小结

第5章控制系统整体测试

5．1硬件实验实现及测试

5．1．1控制器调试

5．1．2驱动器调试

5．2控制算法的实现

5．3软件实验开发环境

5．3．1编程语言选择

5．3．2开发工具介绍

5．4综合实验及结果分析

5．4．1匀速运行实验

5．4．2恒细分数加减速运行实验

5．4．3变细分数加减速运行实验

5．4．4恒细分数和变细分数运行比较

5．4．5结果分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢