3D打印运动控制系统源码分享

[复制链接]

一抹、苦笑发布时间：2018-4-3 08:31

文章
文章封面:	-
文章简介:	-

开源的3D打印系统（marlin）主要是基于8位arduino控制板板卡。无法支持彩色触摸屏。为此本人花了为时3个月的时间，将marlin从arduino移植到STM32。并命名为Dlion。

3D打印运动系统的核心主要是步进电机驱动子系统，是由中断响应函数实现的。如果是恒定速度的步进电机驱动，实现就和这句话一样简单。不过对于3D打印机系统，x,y轴的运动往往速度变化非常频繁：不仅在每次更新位置的速度不同，而且每一段位移的速度也需要经历加速，恒速和减速阶段。这是由机械系统的惯性特征决定的：如果不同动作之间的速度衔接不好，会对电路系统造成强大的电流冲击。特别是3D打印过程，这种速度的变化每次打印任务都数以万计，这就意味着电路寿命将大打折扣。

步进电机驱动子系统系统的速度衔接，基于leibRamp Algorithm,这是一个支撑步进电机速度和控制器计数器频率关系的算法理论，由IBM的工程师于1994年发表并于2004年在控制器内实现。这里算法实现的关键在于路径规划器（planner）。路径规划器的设计意味着，程序在执行步进电机的动作之前，就已经计算好了整个过程的速度曲线。后面就只是Stepper模块准确地执行。在机器层面，这样的设计减少了中断响应函数中的运算量，这对于单片机来说非常友好。同时3D打印机的机械运动相比控制器的16M主频来说要慢很多，路径规划器相比直接驱动，增加了一个运动缓存。这样就能够有效的利用控制器的高频率，里面蕴藏着“空间换取时间”的思想。

在代码层面，planner的本质在于对于一个FIFO的管理。使用C的结构体指针数据结构能够非常优雅的实现这个缓存的创建和管理：

planner.h:

typedef struct {( `; O! J2 R1 u( _8 N: V
// Fields used by the bresenham algorithm for tracing the line
' M" u8 C+ e) V, I! `7 Y
long steps_x, steps_y, steps_z, steps_e; // Step count along each axis% A& e7 N# d: t2 y" @7 a8 E5 j# C1 T
unsigned long step_event_count; // The number of step events required to complete this block3 n4 M: m8 x! P# Z
long accelerate_until; // The index of the step event on which to stop acceleration) p8 M" `; {5 ?' p
long decelerate_after; // The index of the step event on which to start decelerating
; F" u8 Z2 o1 ]+ L# C0 p
long acceleration_rate; // The acceleration rate used for acceleration calculation
0 d/ C T: w8 J/ @8 B- ~7 g
unsigned char direction_bits; // The direction bit set for this block (refers to *_DIRECTION_BIT in config.h)
/ K0 V) z! K8 K' x6 {
float nominal_speed; // The nominal speed for this block in mm/sec 3 s/ c5 k! H: B1 {8 t+ G7 R
float entry_speed; // Entry speed at previous-current junction in mm/sec
$ A3 Z) c, J( ]8 c- M
float max_entry_speed; // Maximum allowable junction entry speed in mm/sec
, E" Q& a0 I8 `2 M! M
float millimeters; // The total travel of this block in mm7 a2 q7 ]( ^6 d% Y' D
float acceleration; // acceleration mm/sec^2' g% y1 ~1 K6 c! L2 L1 ~: C
unsigned char recalculate_flag; // Planner flag to recalculate trapezoids on entry junction
" d: A3 R |" A
unsigned char nominal_length_flag; // Planner flag for nominal speed always reached; H1 G8 s/ Q, X0 G$ A( U% f' `6 n
; ]+ t+ L( ]: U2 ]& o7 \% {0 z
// Settings for the trapezoid generator! Q: w0 ^8 h0 f: T
unsigned long nominal_rate; // The nominal step rate for this block in step_events/sec
: T3 o( B1 z& O3 O/ k
unsigned long initial_rate; // The jerk-adjusted step rate at start of block * p/ F- b6 g' m- ?( R8 K% e6 @! s
unsigned long final_rate; // The minimal rate at exit
$ K4 o: j+ w8 G
unsigned long acceleration_st; // acceleration steps/sec^2
3 Q+ [2 L t" ~: x- b; R
unsigned long fan_speed;: C# S6 K% p" X, ?- n' d% @
#ifdef BARICUDA7 K2 B$ u+ L2 c5 O5 K
unsigned long valve_pressure;
# B* u% l# L: K- p. o
unsigned long e_to_p_pressure;. O2 ~- C0 X! ~6 X$ D
#endif* ], N$ M( i: j% D! g7 o
volatile char busy;7 t: N4 o4 ~$ R( ?: ~$ W8 ~$ p! a
} block_t;leibRamp Algorithm
' I7 t L1 a$ `3 y
0 y# [/ ^$ K7 d7 K& U- O& s
block_t block_buffer[BLOCK_BUFFER_SIZE]; // A ring buffer for motion instfructions* G) @+ Q, L A9 N' s; V0 { u
volatile unsigned char block_buffer_head; // Index of the next block to be pushed
$ y5 w' x6 U5 ^$ `( U, _" G
volatile unsigned char block_buffer_tail;

复制代码

volatile 关键字确保了队列头和队列尾被不同函数访问过程中，编译器不会因为优化和丢失更改行为。block_t类型的指针可以方便的方位结构体内任何元素。在后面的planner规划动作plan_buffer_line()中，代码可以用非常优雅的结构体指针来完成。

每当3D打印机解析到位移指令的时候，plan_buffer_line()函数就被调用。在里面新的block_t首先被创建，并且排入队列的队尾；然后执行calculate_trapezoid_for_block()，计算新的block_t的关键速度节点及其对应的step数目；接着更新队列里面所有block_t的连接速度：之前队尾的block_t的收尾速度和相关速度节点会被更新。最后调用st_wake_up()保证stepper执行的中断打开。

而在%steppper中，ISR函数负责在主循环之外，执行队列里可能存在的所有block_t。在ISR中，首先由plan_get_current_block（）读取队列首的block_t，然后按照结构成员的step数，调用STEP_ADD和STEP_IF_COUNTER两个宏来执行x,y,z三轴的运动。ISR每执行一次，三路各发出一个脉冲，并通过lamp ramp算法更新，根据下一个速度值来更新OCR1A寄存器来设定下一次中断响应的周期。