3轴CNC绘图仪从直流电机和光学编码器：15个步骤（带图片） - 赋予指标

我有一台戴尔打印机坏了，我把它拆成小零件。这个打印机头架有2个直流电机和2个光学编码器，它们仍然处于良好的状态，可以重复使用来构建数控绘图仪的XY轴。

今天我想分享的是如何用这台打印机制作三轴数控绘图仪，以及如何通过pi - id通过两个信号来控制直流电机及其光编码器:步骤和方向．在这个项目中，我们可以像步进电机一样模拟直流电机，我们可以通过GRBL固件对其进行数控应用。

我受到了启发cswigerGitHub:https://github.com/cswiger/dcservodrive．他有一个好主意将步进/方向信号转换成直流伺服电机位置控制。

让我们开始吧。

2020年10月10日第15步更新：更好的照片填充填充延长。

第1步：我们需要的事情

主要部件:

1个Arduino Uno R3。
1PCS X Arduino Mega 2560。
1个Arduino CNC Shield V3 GRBL。
1个Arduino L293D电机护罩。
1PCS X步进电机驱动器A4988。
1PCS X旧打印机头部框架，具有2个直流电机加上其光学编码器。我使用戴尔打印机的旧打印机头部框架，一个光学编码器是线性类型，另一个是旋转式。
1pcs x旧CD/DVD刻录机Rom播放器驱动器。
4PCS X R10K（或2PCS X R5K）。
1pcs x r150。
2pcs x XH2.54mm - 4P 20cm电线电缆双接头。
2pcs x XH2.54mm - 2P 20cm电线电缆双接头。
1PCS X单/双面印刷原型板。
2个x 2.54mm间距40长销单可堆叠屏蔽母头。
2件x公和母40pin 2.54mm Header。
1个铝弹性联轴器，内孔尺寸:10mm x 10mm。
1PCS X电源12/24 VDC
1个x电源5 VDC。
2米x 8p彩虹色带电缆。
一些小型电缆连接。

软件:

第二步:电路图

在我的电路图中，X和Y步进电机驱动器不会插在Arduino CNC屏蔽上。的步和DIRCNC屏蔽上的X和Y轴的信号用于控制2×DC电机。

PDF高分辨率的原理图是这里．

2dc_printer_3v_bb.pdf.
下载

步骤3：打印机中的直流电机和光学编码器

打印机部件详情如下:

1.直流电机：X、Y轴有2个直流电机，如下:

X轴直流电机：rs - 455 pa-17150年

Y轴直流电机:rs - 385 sh-14180年

通过我在网上的搜索，也许这些电机属于万宝电机的制造商。但是根据电机本体上写的订单号，我在MABUCHI MOTOR网站上找不到这些电机的规格。我只看到两个直流电机相当于我的打印机电机，如下所示:

2.光学编码器:DELL打印机有以下两种光学编码器:

X轴线性光学编码器

- 光学传感器和控制板：目前尚不清楚，也许部分号码J15（0947）．

- 编码器条：H-06 /1PM326727．

Y轴旋转光学编码器:

- 旋转圆盘：1782CPR / 300LPI.(b - 12)．

- 光学传感器：H30（0942）．

—PCB板铭牌:94年v-o / KY033H / BJ4500F01CP4-1．

笔记：

在旋转编码器的情况下，分辨率被指定为每转的周期（CPR.），一些制造商使用术语“每次革命计数“（也缩写CPR）或每革命的脉冲（PPR)．
行每英寸（LPI.)是印刷分辨率的量度。高LPI表示更详细和锐度。

第4步：正交光学编码器

光编码器由于其低成本和提供信号的能力而被广泛使用，这些信号可以很容易地解释，以提供运动相关的信息，如速度或位置。编码器的两个输出通道，其中一个被偏移90电度，或通常称为周期的四分之一正交编码器．

通过单个输出编码器，它无法检测到动作发生的方向。但对于正交编码器，它产生了两个名为的频道频道A.和频道B.．当a通道向前/顺时针方向移动/旋转时，通道a引导通道B;当B通道向后/逆时针方向移动/旋转时，通道B引导通道a。我们可以通过计算两个通道的上升和下降边缘来提高编码器的分辨率，具体说明如下。

1. X1编码

X1编码：衡量通道A的上升或下降沿。当通道B导致时，移动被认为是逆时针或向后的，并且计数数减少。

2. X2编码
X2编码:对通道A的上升边和下降边都进行计数。使用X2编码时，编码器分辨率提高了两倍。

3.X4编码

X4编码:统计通道A和通道B的上升边和下降边。当使用X4编码时，它将编码器分辨率提高4倍。

下图总结了光编码器的求积函数:

例如，我们考虑a1782年心肺复苏术如前一步骤所述的Dell打印机旋转光学编码器 - Y轴：

X1 -如果我们计算每个通道A脉冲的上升沿，我们将得到每周期1个脉冲或每转1782个脉冲(1782ppr.)．
X2 -如果我们计算通道A的每一条上升边和每一条下降边，我们将得到每周期2个脉冲，或1782 x 2 = 3564个脉冲每转(3564PPR.)．
x4 - 如果我们计算两个通道A和通道B的每个上升沿和下降沿，我们将获得4个脉冲每个周期，或者每旋转1782 x 4 = 7128脉冲（7128 ppr)．

第5步：确定打印机中的光学编码器引脚

我找到了一个网站，非常有助于从打印机识别光学编码器的引脚：

https://reprap.org/wiki/Optical_encoders_01

我找不到这些光学编码器上的部件号，制造商或数据表。在这种情况下，我使用了一个万用表来测量光学传感器引脚（在我的情况下的6个引脚）之间的电阻，以识别其引脚：VCC，GND，通道A，通道B.如前一步骤所述，有2种光学戴尔打印机中的编码器：X轴线性光学编码器和Y轴旋转光学编码器．

1.从打印机线性光学编码器

PCB板上有许多连接器/标头，困惑我，我无法在这些标题中找到编码器引脚图，以正确地获得其反馈。最后，我决定为此光学传感器进行自己的控制电路，如下行为：

首先，我测量了光学传感器针脚(6个针脚)之间的电阻，并记录在一张桌子上。
其次，根据我对IR LED和phototransistor的了解，我弄清楚了它的连接原理图，并反复检查是否有错误。用测量的电阻值，我猜这个线性光学传感器在5V电压电平．
第三，我从PCB控制板上拆下了光学传感器。注意，如果我们把烙铁头放在上面太长时间，这个光学传感器很容易损坏。
第四，为了安全，我提供了3.3V电压电平用于为该线性光学编码器供电。在我自己的原理图中，我使用了2 x 10k电阻并行连接，因为我手中没有5k电阻。

2.打印机旋转光学编码器

PCB控制板上有4个引脚，我在此标题上轻松找到了编码器引脚图。我保留了这款原始PCB控制电路，刚刚拆下了4个引脚，并替换为4个电缆。

标题引脚详细信息如下：

PIN 1 - GND。
PIN 2 - 通道A.
引脚3 - VCC (3.3v)。
引脚4 - 通道B.

第6步：P.I.D控制器

PID控制器是一种广泛应用于电气、自动化和电子系统的闭环控制器。PID控制器的目标是在out.通过不断地评估错误（e（t）=（sp - pv）之间的设定点（sp）和过程变量（PV）被控制并基于比例，积分和衍生术语应用校正，以实现系统中的稳定性和快速响应。DC电机加上光学编码器的PID算法在下图中描述：

你可以在以下网站阅读关于PID算法最好的博客文章之一:

http：//brettbeauregard.com/blog/2011/04/improving -...

在我的项目中，Arduino Mega 2560就像一个直流伺服控制器一样使用。它对X轴和Y轴直流电机进行pid控制。

通常，电机将由速度或位置驱动，但使用该PID控制器，设定值是步加方向信号来自Arduino Uno R3，其中预装了GRBL固件。

PID控制信号如下：

选点- SP：他们是x.step / x.dir.加Y。步/ y.dir.信号从Arduino Uno R3发送到Arduino Mega 2560的CNC盾牌。注意，Arduinno UNO具有预先安装的GRBL固件。
过程变量：从正交光学编码器到Arduino Mega 2560的测量反馈值。
输出: Arduino L293D Motor Shield(由Arduino Mega 2560控制)到打印机直流电机的PWM信号。

第7步：Arduino L293D电机屏蔽＆CNC屏蔽V3

1. Arduino L293D电机屏蔽概述：

该电机驱动扩展板基于L293D芯片，设计用于驱动多达4个双向直流电机，具有单独的8位速度选择。它也可以驱动2个单极或双极步进电机。它包含4个h桥，提供高达0.6 A每桥(1.2A峰值)电压从4.5 V到36 V。这个屏蔽有拉下电阻，以保持电机在电源上的禁用。它还具有2针端子块，以确保独立的逻辑和电机外部电源供应。该电机驱动屏蔽可以驱动:

四个直流电动机和两个伺服
两个直流电机，步进电机和双向伺服
两个步进电机和伺服

以下引脚在L293D电机屏蔽上使用:

数字引脚11:直流电机#1 /步进#1(激活/速度控制)。
数字引脚3:直流电机2号/步进1号(激活/速度控制)。
数字引脚5:直流电机#3 /步进#2(激活/速度控制)。
数字引脚6:直流电机#4 /步进#2(激活/速度控制)。
数字引脚4、7、8和12用于通过74HC595串-并联锁存器驱动直流/步进电机。
数字引脚9:伺服#1控制。
数字引脚10:伺服#2控制。

2.数控盾牌v3

Arduino CNC Shield可以轻松获得CNC项目。它使用Arduino上的OpenSource固件使用4 x步进电机驱动器来控制4个步进电机。
使用此CNC屏蔽与Arduino Uno R3，控制固件“GRBL“需要下载到Arduino Board中。

第8步：装配和连接

一、控制板装配:

1.适配器屏蔽：

要做适配器屏蔽，我削减一个PCB原型板大小60x90mm和焊接电线连接的电路上的第2步。适配器屏蔽用于连接Arduino Mega 2560到L293D电机屏蔽和一些公头，如:4针 - 用于编码器的标头(Vcc, GND，通道A，通道B)，X.STEP，Y.Step.，X.DIR，y.dir.也焊接在上面。

适配器屏蔽的俯视图:

适配器屏蔽的底部视图:

2.控制板组装：

在Arduino UNO上插CNC Shield：

安装了两个铜柱安装在Arduino Uno板的底部。

将Arduino UNO连接到L293D电机屏蔽，在上面的2个铜柱。

插头L293D电机屏蔽在Adaper屏蔽上，最后将适配器屏蔽到Aduino Mega 2560.我有一个整齐的控制器。

II。打印机头部框架组件

打印机头架底面不平整，有凹凸支撑。我不得不使用绝缘板，并切割一些长长的凹槽，与凸面支撑相对应，以便打印机头框架可以水平和垂直固定。

对于Z轴，我使用了一个非常紧凑的DVD播放器，称为“HP Super Multi DVD Rewriter如下图所示:

我把这个DVD步进电机架安装在打印头上。

我焊接了一根电缆到Y轴旋转光学编码器(见详细如何确定其pinouts在第5步)．

X轴 - 线性光学编码器电缆沿打印机框架焊接和固定。（参见详细信息如何确定其引脚第5步)．

我的DIY线性编码器控制板藏在打印头里面，我焊接电路时忘记给它拍照了。我不能再次拆卸这个打印机框，因为它会导致线性编码器条损坏。在我之前的拆卸中，编码器带丢失了一些黑线。

3连接:

Arduino Mega 2560和Arduino Uno由4个信号连接:X.step, y.step, x.dir, y.dir为了控制2个DC电机，其中Arduino Mega 2560充当直流伺服控制器和Arduino Uno Plus CNC Shield将控制命令从其GRBL固件发送。
直流电机和光学编码器:两个直流电动机在M1和M2端子连接到L293D电机屏蔽。它们的光学编码器连接到适配器屏蔽上的4个页。

i在CNC屏蔽上插入步进电机驱动器A4988，用于Z轴和从DVD步进电机到A4988驱动器的连接电缆。

将柔性耦合安装到DVD框架上并将笔放入柔性耦合器中。要夹紧笔，我们可以在柔性联轴器上拧紧小螺钉。在我的装配和连接完成后，它看起来像这样。

第9步：Arduino图书馆

本项目中使用了库：

布雷特·博勒加德《PID》(PID_v1)：

https://playground.arduino.cc/code/pidlibrary/

https://github.com/br3ttb/arduino-pid-library/

Adafruit Motor Shield库（AFMotor）：

https：//github.com/adafruit/adafruit-motor-shield -...

正交编码器图书馆：

https://github.com/paulstoffregen/encoder.

https://www.pjrc.com/teensy/td_libs_encoder.html.

Flexitimer2库：

https://playground.arduino.cc/Main/FlexiTimer2/

第10步：Arduino代码

3轴数控绘图仪代码可在我的GitHub．多亏了cswiger鼓励我。

在我的代码中，Arduino Mega 2560的引脚使用情况如下表所示。注意数字引脚D3(中断0)用于L293D电机屏蔽。

编码器有2个信号，必须连接到2个引脚。当我们使用"编码器“图书馆。

最棒的表演:两个信号都连接到中断引脚。
良好的性能：第一个信号连接到中断引脚，第二到非中断引脚。
低性能:两个信号都连接到非中断引脚。

我使用了第二个选项，它在程序中声明如下:

/ /设置针的正交编码器# define EncoderX_ChannelA 18 / /中断5 # define EncoderX_ChannelB 22 # define EncoderY_ChannelA 20 / /中断3 # define EncoderY_ChannelB 24  ------------------------------------------------------------------------------------------------- // 编码器编码器XEncoder (EncoderX_ChannelAEncoderX_ChannelB);编码器YEncoder (EncoderY_ChannelA EncoderY_ChannelB);

以“AFMotor“库，与L293D电机屏蔽一起使用时，AF_DCMotorClass为最多4个DC电机提供速度和方向控制。以下是X和Y轴直流电机的构造函数

MOTOR12_8KHZ AF_DCMotor motorX(1日);MOTOR12_8KHZ AF_DCMotor运动神经的(2);

为了模拟直流电机及其编码器与步进电机一样，我们使用中断检测上升沿步脉冲和结合DIR信号以确定电机方向和位置。

#define step_xpin 19 //中断4 #define step_ypin 21 //中断2 #define dir_xpin 23 #define dir_ypin 25 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- // Simulate DC motor as same as stepper motor attachInterrupt(4, doXstep, RISING); // PIN 19 (Interrupt 4) - Interrupt X step at rising edge pulses attachInterrupt(2, doYstep, RISING); // PIN 21 (Interrupt 2) - Interrupt Y step at rising edge pulses -------------------------------------------------------------------------------------------------- void doXstep() { if ( digitalRead(DIR_XPIN) == HIGH ) SETPOINT_X--; else SETPOINT_X++; } void doYstep() { if ( digitalRead(DIR_YPIN) == HIGH ) SETPOINT_Y--; else SETPOINT_Y++; }

为X/Y轴创建PID控制器并链接到指定的输入，输出，和选点:

// pid pid mypid_x（＆input_x，＆output_x，＆setpoint_x，kp_x，ki_x，kd_x，direct）;pid mypid_y（＆input_y，＆output_y，＆setpoint_y，kp_y，ki_y，kd_y，direct）;

PID控制器的参数描述如下:

setpoint_x / setpoint_y.:步和DIR信号由Arduino Uno的Grbl CNC屏蔽到Arduino Mega 2560. Arduino Mega 2560接收每个轴X / Y的这些步骤和DIR信号，然后将它们组合以创建设定点为每个PID控制器。
INPUT_X / INPUT_Y.：它们是从X / Y DC电机的正交编码器读取的反馈信号。
OUTPUT_X / OUTPUT_Y:它们是控制X/Y电机的PWM输出信号。
K_P、K_I / K_D:他们正在调整参数。这些会影响PID如何改变输出。

步骤11:GRBL校准

我的打印机的GRBL参数如下：

＄0	10.000	脉冲时间步
＄1	25.000	一步闲置延迟
＄2	0.000.	步骤脉冲反转
＄3	3.000	步骤倒置
＄4	0.000.	反步使能引脚
＄5	0.000.	反转限制销钉
＄6	0.000.	反转探针引脚
＄10	1.000	状态报告选项
11美元	0.010	结偏差
＄12	0.002	弧宽容
13美元	0.000.	报告以英寸
20美元	0.000.	软限制使
21美元	0.000.	硬限制使
22美元	0.000.	归位循环使能
23美元	0.000.	回家的方向转化
24美元	25.000	寻的进给速度
25美元	500.000.	寻的寻的速度
26美元	250.000	归航开关回跳延迟
27美元	1.000	归巢开关拉出距离
30美元	1000.000	最大主轴速度
31美元	0.000.	最小主轴转速
32美元	0.000.	激光模式启用
100美元	24.500	X轴旅行分辨率
101美元	192.000	轴旅行决议
102美元	53.333	Z轴旅行分辨率
110美元	20000.000	轴最大速率
111美元	20000.000	轴最大速率
112美元	2000.000	z轴最大速率
120美元	50.000	X轴加速度
121美元	20.000	轴加速度
122美元	50.000	Z轴加速度
$ 130.	210.000	轴最大旅游
131美元	297.000	Y轴最大行程
132美元	40.000	Z轴最大行程

我所做的校正的重要参数在上表中突出显示。

1.步骤/ MM设置:

Z轴 - $ 102：

Z轴步进电机的步骤/ mm设置如下表所示：

步长/mm =(每转步数)*(微步数)/ (mm每转)

螺钉的工作长度：	40．00	毫米
天使：	18.	°
DVD步进器所需的步数为1完整革命：	20.	步骤/ rev.
A4988 micro-steps设置:	8	-
DVD步进螺旋螺距（mm /旋转）：	3.0	mm / rev.
步骤/ mm：	53.333	步骤/毫米

Y轴为101美元

如果我们使用带和滑轮，可以根据电机，滑轮和皮带规格计算XY台阶/ mm，但在我的情况下，需要拆卸打印机。我做了一次，不想再这样做，因为它可能导致我的打印机损坏。

y轴有一个1782年心肺复苏术扶轮光学编码器。使用X4编码时，编码器分辨率提高了4倍:1782 x 4 = 7128脉冲每转(7128 ppr)．对于设置y轴的步骤/ mm，我执行以下步骤：

-首先，我将Universal Gcode Sender程序连接到Arduino Uno(带GRBL)，设置101美元= 7128在选项卡”固件设置“。目的是检查我命令y轴移动1mm时，Arduino Mega 2560将产生PMW移动直流电机，并计数7128脉冲从光学编码器反馈。

- 其次，我打开了Arduino Mega 2560的Arduino IDE串口，然后在程序中打开Y轴的调试模式，以监控所有参数。

- 第三，我标有Y轴的原位位置。

- 第四，我使用了“机器控制“选项卡通用Gcode发送方，指示打印机Y轴移动1毫米。检查：

它是旋转1革命吗？
编码器在串行监视器中的计数是否在值附近7128.？

- 第五，我衡量了来自家庭位置的真正运动：37.59mm.．

- 第六，我应用了这个公式来计算新的步骤/ mm =（旧步骤/ mm）x（1mm /实测值）=192.0步骤/毫米然后更新到$ 101 grbl。

-第八，我重置了Arduino Uno(带GRBL)，标记了home的位置，并指示了更多的命令以不同的位置移动Y轴。我测量了真实的运动，并重复了上述步骤。最后，确定X的step/mm为:192.0。

x轴 - 100美元

- 对于X轴线性光学编码器，首先，我在编码器条上计算每1mm的黑线数。在我的情况下，它在每1毫米的6到7条黑线之间。当使用X4编码时，它将编码器分辨率增加四次，因此步骤/ mm可以在24到28之间。

-和Y轴一样，我标记了X轴的主位置，并指示一些命令以不同的位置移动X轴，然后测量真实的移动。最后X轴的步长/mm为:24.5

2.最高速率和加速度

要加快打印机速度，X轴和Y轴的最大速率(110美元和111美元)设置为20000．
y轴加速度(121美元）被设定为20.如果我们将其设置为一个大值，那么当电机切换到向后，反之亦然将滑动，并且存在巨大的噪音。

3.轴最大旅游

X轴最大旅行（$ 130）：A4尺寸宽度210毫米．
Y轴最大旅行（$ 131）：A4尺寸长度297毫米．
Z轴最大旅行（$ 132）：DVD工作长度40毫米．

第12步：P.I.D Tuning

GRBL和P.I.D参数的微调是本项目中最重要也是最困难的工作。它们会影响打印机的操作，例如当我在X轴和Y轴上画一条20mm长的线时，打印机会精确地完成它，但当我画一个20mm直径的圆时，它就会扭曲。

这意味着，为了使打印机正常工作，X和Y轴两者都必须精确地工作，以及互相分开，以及确保它们在一起时的同步。PID和GRBL参数不容易这些校准。这是耗时的，我希望我手里有一个示波器来迅速弄清楚所有的事情。我终于找到了PID最佳参数，这是根据上一步的GRBL设置值。通过这些值，我的绘图仪工作得很好。

// PID参数double KP_X = 20.0;// P for X电机双KI_X = 0.03;// I为X电机双KD_X = 0.01;// D为X电机双KP_Y = 9.0;// P for Y电机双KI_Y = 0.02;// I为Y电机双KD_Y = 0.01;// Y电机的D

在工业领域，PID控制器通常与A“集成”死区“功能。目标是节省维护成本，防止我们的设备，例如大阀门，通过小毫无价值的运动，围绕设定点振荡并导致设备磨损或其他过热问题。

的死区表示PID控制器允许过程变量(PV)偏离设定值(SP)而不应用任何校正的范围。例如，假设我们试图将打印机的y轴保持在离主位置100mm的位置。当Y轴移动到设定点时，如果它的位置是上下波动的99.9mm.和100.1毫米，PID控制器不会施加校正。死区或可接受的错误是0.1毫米．

#define properppermm_x 24.5 //步骤/ mm（$ 100）用于DC电机X轴的GLBL中。#define Deadbw_x 4.5 //脉冲中的死区宽度= 4.5  - >定位以mm：0.18mm的可接受误差。#define propertpermm_y 192.0 //步骤/ mm（$ 101）用于DC电机Y轴的GLBL中。#define Deadbw_y 19.2 //脉冲中的死区宽度= 19.2  - >定位以mm：0.1mm的可接受误差。

当我们应用死区在PID控制器中，它会增加电机的使用寿命，因为它将在其过程值中停止死区窗户。否则，打印机直流电动机始终通过PID稳压器围绕设定值振荡，并且可以热或过热。

Error_x = (input_x - setpoint_x);if (abs(ERROR_X) < DEADBW_X) //如果电机在死带宽度内(可接受的错误){motorX.setSpeed(0);//关闭电机}else {motorX.setSpeed(abs(int(OUTPUT_X));//电机由PID控制器输出调节}

我们可以在Arduino程序中打开调试模式，在串行监视器上查看PID参数: