基于无线通信的打印机电机驱动电路及温控技术研究

基于无线通信的打印机电机驱动电路及温控技术研究

林扬     林锦毅  邱荣健

厦门汉印电子技术有限公司  福建厦门 361000

摘要：随着3D打印技术的不断发展，其驱动电路及温控技术研究已经成为领域的热点话题。在3D打印过程中，电机驱动电路及温控技术是实现精确控制的关键因素。然而，目前市场上许多3D打印机的电机驱动电路存在着功率不足、精度不高、温控稳定性差等问题，影响了打印效率。基于此，本文旨在探讨3D打印机电机驱动电路及温控技术优化策略，为研究人员提供参考。

关键词：3D打印机电机；驱动电路；温控技术

电机驱动电路和温控技术的性能对3D打印机的性能有着至关重要的影响。而温控技术的优劣则直接决定了打印材料的熔化和凝固过程能否得到准确的控制，从而影响到打印质量和效果。因此，对于3D打印机的设计和生产人员来说，开展电机驱动电路及温控技术的优化研究是十分有必要的[1]。

一、3D打印机电机驱动电路结构

（1）电机驱动电路。电机驱动电路的原理是利用电力电子器件（如晶体管、场效应管等）来控制电机的启动、停止、方向和速度。这些电力电子器件能控制电机的电流大小和方向，从而实现电机的精确制动。电机驱动电路一般会由电源、控制电路、驱动电路和电机组成。电源为电机提供电能，控制电路负责控制电机的启动、停止和方向，驱动电路则将控制电路的信号转换为能够驱动电机的电流[2]。

（2）步进电机和伺服电机是两种常见的3D打印机的电机。步进电机是一种通过控制脉冲数量和频率来控制电机旋转角度和速度的电机。它由定子和转子组成，定子上有多个极，转子则带有永磁体。当定子上的极受到脉冲信号的激励时，转子会根据脉冲信号的方向旋转一定的角度。步进电机的优点是结构简单、成本低、易于控制，但精度相对较低。而伺服电机是一种通过编码器反馈来控制电机旋转角度和速度的电机。它由定子、转子和编码器组成，定子上通常带有多个极，转子则带有永磁体。当定子上的极受到脉冲信号的激励时，转子会根据脉冲信号的方向旋转一定的角度。同时，编码器会将转子的实际位置反馈给控制器，控制器会根据反馈信号调整电机的控制信号，以确保电机精确地旋转到指定的位置。伺服电机的优点是精度高、响应速度快、稳定性好，但结构相对复杂，成本较高[3]。

二、3D打印机电机驱动电路设计

驱动电路设计是决定3D打印机性能的保障。为了实现精确控制和高效率的运动，电机驱动电路的设计需要综合考虑电机的类型、规格、功率、速度、精度和稳定性等因素。

（一）电机类型与规格的确定

在3D打印机中，常用的电机类型包括步进电机和伺服电机。步进电机具有价格低、控制简单的优点，但精度较低；而伺服电机具有精度高、响应快的优点，但价格较高。根据打印机的需求和预算，可以选择合适的电机类型。

（二）驱动电路拓扑结构的选择

电机驱动电路的拓扑结构是指电路中各个元件的连接方式。根据电机的类型和规格，可以选择合适的驱动电路拓扑结构。常用的电机驱动电路拓扑结构包括H桥电路、半桥电路等。例如，对于步进电机，可以选择使用ULN2003等驱动器芯片来实现H桥电路。

（三）控制算法的设计

电机驱动电路的控制算法是实现精确控制的关键因素。一般来说，常用的控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法等。在实际设计中，要根据电机的特性与打印机需求，选择合适的控制算法并加以优化。例如，通过实验测试电机的性能曲线，确定最佳的工作点和运行速度，并利用PID控制算法对电机进行精确控制。

（四）保护电路的设计

保护电路能够确保电机驱动电路稳定运行，常用的保护电路包括过热保护、过流保护、欠压保护等方法。在实际设计中，需要根据电机的特性，选择最佳的保护电路方法，比如，加入保险丝等元件，实现过流保护功能。也可以通过加装防护罩、防水措施等方式加强防护设计。

（五）成本和可维护性

在满足电机驱动电路性能的前提下，尽可能降低成本的设计方法，提高电路的可靠性和可维护性。同时，还需要考虑电机的功率、扭矩、转速等，以及打印机的负载特性、运动特性等。综合考虑这些因素，来确保3D打印机的性能和效率达到最佳状态。

三、3D打印机电机温控技术应用及测试

3D打印机的运行过程中，电机的温度控制是一个十分重要的问题。过高的电机温度会导致打印头的精度降低，从而影响打印质量。因此，对于3D打印机来说，电机温度的控制是至关重要的。

（一）3D打印机电机温控技术应用

首先是温度安装温度传感器。在3D打印机电机温控系统中，温度传感器是核心部件。它能够实时监测电机的温度，并将该信号传递给控制器。常见的温度传感器有热敏电阻、热电偶等。其次是控制器接收来自温度传感器的信号，根据预设的温度范围，控制电机的通断，以保持电机温度在合理范围内。此外，为了防止电机过热，3D打印机通常配备有冷却系统。冷却系统包括风扇、散热器等部件，能够将电机产生的热量迅速散发出去。

（二）温控优化测试

为进一步提高3D打印机的打印质量和效率，本文对电机温控技术进行了优化测试。以下是测试过程。

（1）测试准备。在开始测试之前，准备了以下工具和材料：3D打印机（带有电机温度控制的型号）、温度传感器（热敏电阻）、数据采集器、测试样品（塑料、金属等不同材料）、控制器（可调节温度范围）、冷却系统（风扇、散热器等）

（2）测试过程。

过程一：将温度传感器安装在3D打印机电机上，通过数据采集器实时监测电机温度。

过程二：设定不同的电机温度控制策略，例如温度阈值、加热/冷却速度等，观察并记录电机的反应和打印质量。

过程三：使用不同材料进行打印测试，观察打印质量和效率的变化。

过程四：调整冷却系统的设置，观察电机温度的变化和对打印质量的影响。

过程五：数据记录：将测试过程中的数据记录在表格中，包括电机温度、打印时间、打印质量、冷却时间等。测试结果见表1。

表1 测试结果

根据表格，得出以下结论和建议：

（1）当电机温度在60℃左右时，打印质量和效率最佳。这是因为此温度下，打印头的塑料材料可以更好地融合在一起，从而提高打印质量。

（2）如果打印不同的材料，例如ABS塑料、尼龙、PLA塑料等，可能需要调整电机温度以获得最佳的打印质量和效率。例如，对于ABS塑料，可能需要将电机温度设置为65℃左右。

（3）对于连续打印的情况，不开启冷却可能会导致电机过热，从而影响打印质量和效率。因此，在连续打印时，建议开启冷却系统以保持电机温度稳定。

（4）在加热模式方面，快速加热模式（加热3）可以在更短的时间内达到所需的温度，但可能会对电机和打印样品产生更大的影响。因此，在选择加热模式时，需要根据具体情况进行权衡。

参考文献

[1]张小建,夏炜炜,王惠,等. 3D打印机嵌入式控制系统的研究与开发[J]. 中国高新技术企业,2016(20):14-15.

[2]西安嘉乐世纪机电科技有限公司. 一种彩色3D打印机步进电机驱动电路:CN201320747159.0[P]. 2014-10-15.

[3]徐军,王天伦. 3D打印机控制系统的设计[J]. 计算机测量与控制,2017,25(3):51-54.                                                   林扬（1982.08），男 汉族 福建仙游人，研究生，硕士，嵌入式系统设计及技术管理工作，从事打印控制系统、嵌入式系统开发等研究方向。

林锦毅（1978.11），男 汉族 福建仙游人，本科，学士，机械设计开发及技术管理工作，从事精密打印传动设计、机械原理、力学分析等研究方向。

邱荣健（（1974.08），男 汉族 福建龙岩人，本科，学士，电路设计开发及技术管理工作，从事打印控制电路设计、嵌入式系统开发等研究方向。