3D打印运动控制系统源码分享 DF创客社区

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：

[mw_shl_code=applescript,true]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;[/mw_shl_code]

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。

3D打印运动控制系统源码分享图1