3D打印运动控制系统源码分享

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一抹、苦笑发布时间：2018-4-3 08:31

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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 {
// Fields used by the bresenham algorithm for tracing the line
long steps_x, steps_y, steps_z, steps_e; // Step count along each axis
unsigned long step_event_count; // The number of step events required to complete this block
long accelerate_until; // The index of the step event on which to stop acceleration
long decelerate_after; // The index of the step event on which to start decelerating
long acceleration_rate; // The acceleration rate used for acceleration calculation
unsigned char direction_bits; // The direction bit set for this block (refers to *_DIRECTION_BIT in config.h)
float nominal_speed; // The nominal speed for this block in mm/sec
float entry_speed; // Entry speed at previous-current junction in mm/sec
float max_entry_speed; // Maximum allowable junction entry speed in mm/sec
float millimeters; // The total travel of this block in mm
float acceleration; // acceleration mm/sec^2
unsigned char recalculate_flag; // Planner flag to recalculate trapezoids on entry junction
unsigned char nominal_length_flag; // Planner flag for nominal speed always reached
// Settings for the trapezoid generator
unsigned long nominal_rate; // The nominal step rate for this block in step_events/sec
unsigned long initial_rate; // The jerk-adjusted step rate at start of block
unsigned long final_rate; // The minimal rate at exit
unsigned long acceleration_st; // acceleration steps/sec^2
unsigned long fan_speed;
#ifdef BARICUDA
unsigned long valve_pressure;
unsigned long e_to_p_pressure;
#endif
volatile char busy;
} block_t;leibRamp Algorithm
block_t block_buffer[BLOCK_BUFFER_SIZE]; // A ring buffer for motion instfructions
volatile unsigned char block_buffer_head; // Index of the next block to be pushed
volatile unsigned char block_buffer_tail;

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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。