本發(fā)明涉及溫度控制領(lǐng)域，尤其是一種3D打印機(jī)溫度控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易理解和方便實(shí)用等特點(diǎn)，因此它現(xiàn)在依舊廣泛使用于溫度控制系統(tǒng)中。PID控制其實(shí)采用了比例控制，積分控制和微分控制三種控制計(jì)算方法。PID控制運(yùn)算將目標(biāo)溫度和實(shí)時(shí)溫度的差值作為輸入，分別通過(guò)比例、積分、微分運(yùn)算來(lái)得出控制輸出量。輸出量作為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入量通過(guò)PWM方式來(lái)判斷是否加熱還是冷卻。而PWM(Pulse Width Modulation)控制是脈沖寬度調(diào)節(jié)技術(shù)，通過(guò)對(duì)一些系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。同樣，PWM技術(shù)也是對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。例如，在傳統(tǒng)熔融層積的3D打印機(jī)中當(dāng)PID運(yùn)算出控制量為256，PWM則在每一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)對(duì)計(jì)數(shù)器加1且同時(shí)比較計(jì)數(shù)器中的數(shù)值和控制的大小輸出1或0，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)加熱功率。

3D打印中，參與溫度控制的對(duì)象有個(gè)兩個(gè)：打印頭和熱床。兩者的溫度調(diào)節(jié)性能的好與壞會(huì)直接影響3D打印質(zhì)量。一般FDM型3D打印機(jī)打印頭一般分成兩個(gè)部分：冷端和熱端。冷端負(fù)責(zé)以合適的速度提供物料，并為噴嘴均勻噴出熔融物料提供壓力，熱端則負(fù)責(zé)將物料融化。冷端包含一個(gè)給料螺桿和迫使物料進(jìn)入熱端融化室的驅(qū)動(dòng)裝置。為了保證有足夠量的物料進(jìn)入融化室并提供合適的壓力，冷端必須在高摩擦負(fù)載下保持恒定驅(qū)動(dòng)速度的同時(shí)提供良好的轉(zhuǎn)矩相應(yīng)。加熱需要的溫度通常在150至250攝氏度之間，為了保證良好的溫度反饋控制，噴嘴外會(huì)緊密連接熱敏電阻或熱電偶來(lái)采集溫度。熱床，即構(gòu)建加熱平臺(tái)。FDM型3D打印機(jī)的熱床可以通過(guò)防止翹邊來(lái)提高打印質(zhì)量。當(dāng)擠出的塑料冷卻時(shí)，塑料會(huì)出現(xiàn)輕微收縮。當(dāng)這個(gè)輕微的收縮過(guò)程在整個(gè)均勻打印中并沒(méi)有發(fā)生的時(shí)候，就會(huì)造成一部分塑料出現(xiàn)翹邊的情況。這種變形通常被視為邊角被抬離構(gòu)建平臺(tái)。在一個(gè)已加熱的熱床上進(jìn)行打印操作，已打印在熱床上的部分可以在打印過(guò)程中依舊保持一定的溫度，并且可以讓溫度低于熔點(diǎn)的材料產(chǎn)生收縮現(xiàn)象。在熱床上進(jìn)行3D打印操作，一些材料如ABS和PLA可以完成更高質(zhì)量的成品。

如圖1所示，傳統(tǒng)3D打印機(jī)溫度控制解決方案是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)打印頭和熱床的溫度控制，其中分為溫度采集、加熱及PID控制由三個(gè)部分組成：主程序完成PID參數(shù)自整定及PID運(yùn)算，得出溫度控制量；軟件中斷程序負(fù)責(zé)溫度采集及加熱、冷卻控制。每一個(gè)毫秒產(chǎn)生一次中斷來(lái)執(zhí)行溫度的采集和脈沖寬度調(diào)制方式加熱，而且為了采集到的溫度更加精確則采用過(guò)樣采集方式，即采集16次取平均值，然后作為PID運(yùn)算函數(shù)的輸入進(jìn)行PID控制。為了獲得穩(wěn)定、精確的溫度控制，現(xiàn)有方案要求溫度控制中斷程序必須以很高的頻率執(zhí)行。這無(wú)疑大大增大了CPU的工作負(fù)荷，也易導(dǎo)致與運(yùn)動(dòng)控制中斷程序的響應(yīng)沖突，產(chǎn)生程序跑飛現(xiàn)象，造成工作中斷。此外，當(dāng)打印速度提高時(shí)，為了保證足夠的熔融時(shí)間，需要延長(zhǎng)擠壓頭熔融腔的長(zhǎng)度，這必然提高對(duì)溫度控制精確度的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種新型的3D打印機(jī)溫度控制系統(tǒng)，能有效提高溫度控制的實(shí)時(shí)性、精度及穩(wěn)定性，且降低CPU負(fù)載。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種3D打印機(jī)溫度控制系統(tǒng)，包括依次連接的總線接口模塊、寄存器文件、PID運(yùn)算模塊及溫度采集模塊，PID運(yùn)算模塊還連接加熱模塊，溫度采集模塊判斷采集到的溫度，若沒(méi)有超出預(yù)設(shè)范圍，則將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給PID運(yùn)算模塊，PID運(yùn)算模塊計(jì)算完成后，輸出有效信號(hào)和PID控制量給加熱模塊，加熱模塊采用PWM方式加熱，根據(jù)PID控制量的大小通過(guò)PWM方法來(lái)控制加熱的時(shí)間，PID運(yùn)算模塊分比例運(yùn)算、積分運(yùn)算、微分運(yùn)算和PID結(jié)果運(yùn)算四個(gè)部分通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)完成PID運(yùn)算結(jié)果。

其中，PID運(yùn)算模塊包括打印頭PID運(yùn)算模塊和熱床PID運(yùn)算模塊，加熱模塊包括打印頭加熱模塊和熱床加熱模塊，打印頭PID運(yùn)算模塊和熱床PID運(yùn)算模塊分別連接打印頭加熱模塊和熱床加熱模塊

優(yōu)選地，PID運(yùn)算模塊結(jié)合Bang-Bang控制來(lái)計(jì)算控制量，即目標(biāo)溫度與實(shí)時(shí)溫度做差，如果差值較大且超過(guò)閾值則采用Bang-Bang控制，不然則進(jìn)行PID運(yùn)算計(jì)算控制量。

優(yōu)選地，PID運(yùn)算模塊設(shè)置溫度差約束，如果目標(biāo)溫度和實(shí)時(shí)溫度差值大于溫度差約束則全功率加熱，如果目標(biāo)溫度和實(shí)際溫度小于0，則輸出0，即停止加熱。

優(yōu)選地，PID運(yùn)算模塊的運(yùn)算步驟具體為：

1)第一個(gè)周期所完成的運(yùn)算：

(1)將總線輸入的差值參數(shù)neg_pid_functional_range取反加1，判斷偏差是否小于0，即判斷其最高位是否為0,如果為0則是正數(shù)，如果為1則是負(fù)數(shù)，差值參數(shù)的作用在于如果實(shí)時(shí)溫度和設(shè)定溫度之間的差值如果大于它，則輸出全功率加熱，相反如果小于則輸出0，將PID運(yùn)算控制在5度以內(nèi)的精度，其中neg_pid_functional_range為32位數(shù)據(jù)；

(2)計(jì)算差值error_reg，溫度采集模塊輸出的溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)i_current_temp與總線輸入的目標(biāo)溫度i_target_temp進(jìn)行差值計(jì)算；

(3)計(jì)算當(dāng)前溫度與前一次采集溫度的偏差變化值，即error_ctemp_dState，在PID運(yùn)算中會(huì)涉及到當(dāng)前溫度與前一次采集溫度的偏差值參與微分運(yùn)算，error_ctemp_dState由當(dāng)前溫度i_current_temp減去前一個(gè)運(yùn)算結(jié)果完成后所采集的溫度i_temp_dState_ex，i_temp_dState_ex則是每一次PID運(yùn)算模塊輸出后，鎖存在加熱模塊中，等待PID再一次運(yùn)算時(shí)候返回該值；

(4)將當(dāng)前溫度i_current_temp存入寄存器current_temp_1_reg，表示第一周期，將當(dāng)前溫度跟隨寄存器一直保持到第五個(gè)周期整體PID運(yùn)算結(jié)束后再將溫度輸出給加熱模塊，作為下一次實(shí)時(shí)溫度偏差值的輸入；

(5)輸入有效信號(hào)i_valid保存到寄存器valid1_reg中，表示第一周期；

2)第二個(gè)周期所完成的運(yùn)算：

(1)將第一周期寄存器數(shù)據(jù)current_temp_1_reg保存到寄存器current_temp_2_reg中；將第一個(gè)周期寄存器數(shù)據(jù)valid1_reg保存到寄存器valid2_reg，表示第二周期；

(2)完成比例運(yùn)算乘積項(xiàng)pTerm，將PID參數(shù)kp與差值項(xiàng)error_reg相乘，因?yàn)閗p與error_reg都是32位數(shù)據(jù)，相乘則造成數(shù)據(jù)溢出，所以采用截位的方法保留乘積結(jié)果的16位，即pTerm_tmp[47:16]，然后保存到寄存器pTerm_reg中，完成微分項(xiàng)計(jì)算；

(3)i_kd與error_ctemp_dState進(jìn)行乘法運(yùn)算，截位后得運(yùn)算結(jié)果dTerm_tmp_0[47:16]，存入寄存器dTerm_tmp_0_reg；

(4)計(jì)算積分項(xiàng)中間變量temp_iState存入寄存器temp_iState_reg，由當(dāng)前差值項(xiàng)error_reg與前一次積分中間變量i_temp_iState_reg_ex相加得出；

(5)判斷信號(hào)min_pid_out_reg，max_pid_out_reg，在比較差值參數(shù)pid_functional_range后，如果滿足在差值參數(shù)范圍內(nèi)，則繼續(xù)進(jìn)行PID運(yùn)算，如果不滿足，則將判斷信號(hào)置1，信號(hào)min_pid_out_reg置1，則PID運(yùn)算五個(gè)周期后輸出最小值，信號(hào)max_pid_out_reg置1，則PID運(yùn)算五個(gè)周期后輸出最大值；

3)第三個(gè)周期所完成的運(yùn)算：

(1)將第二周期寄存器數(shù)據(jù)current_temp_2_reg保存到寄存器current_temp_3_reg中；將第二周期寄存器數(shù)據(jù)max_pid_out_reg和min_pid_out_reg分別保存到寄存器max_pid_out_3_reg和min_pid_out_3_reg；將第二周期寄存器數(shù)據(jù)pTerm_reg保存到寄存器pTerm_3_reg，將第二個(gè)周期寄存器數(shù)據(jù)valid2_reg保存到寄存器valid3_reg，表示第三周期；

(2)計(jì)算積分累加項(xiàng)temp_iState_constrain，判斷temp_iState_reg是否何在約束范圍內(nèi)，如果超過(guò)i_temp_iState_max，則賦值i_temp_iState_max，如果小于0，則賦值0，如果在約束范圍內(nèi)，則賦值數(shù)據(jù)temp_iState_reg；

(3)計(jì)算積分項(xiàng)iTerm，Ki與temp_iState_constrain相乘，截位的結(jié)果保存到寄存器iTerm_reg；

(4)微分項(xiàng)dTerm保存到寄存器dTerm_reg；

4)第四個(gè)周期所完成的運(yùn)算：

(1)將第三周期寄存器數(shù)據(jù)current_temp_3_reg保存到寄存器current_temp_4_reg中；將第三周期寄存器數(shù)據(jù)max_pid_out_3_reg和min_pid_out_3_reg分別保存到寄存器max_pid_out_4_reg和min_pid_out_4_reg；將第三周期寄存器數(shù)據(jù)temp_iState_constrain_reg保存到寄存器temp_iState_constrain_4_reg；將第三周期寄存器數(shù)據(jù)dTerm_reg保存到寄存器dTerm_4_reg，將第三個(gè)周期寄存器數(shù)據(jù)valid3_reg保存到寄存器valid4_reg，表示第四周期；

(2)計(jì)算PID輸出結(jié)果的加法項(xiàng)，因?yàn)镻ID運(yùn)算輸出結(jié)果是由pTerm+iTerm–dTerm計(jì)算而來(lái)，然后為了獲得更快的處理速度，一般將較長(zhǎng)的公式拆分，進(jìn)行分開計(jì)算可以增加處理速度，所以，先將pTerm_3_reg和iTerm_reg相加，將結(jié)果保存到寄存器pid_out_4_reg中；

5)第五個(gè)周期所完成的運(yùn)算：

(1)將第四周期寄存器數(shù)據(jù)current_temp_4_reg保存到寄存器current_temp_5_reg中；將第四周期寄存器數(shù)據(jù)temp_iState_constrain_4_reg保存到寄存器temp_iState_constrain_5_reg；將第四周期寄存器數(shù)據(jù)dTerm_reg保存到寄存器dTerm_4_reg，將第四個(gè)周期寄存器數(shù)據(jù)valid4_reg保存到寄存器valid5_reg，表示第五周期；

(2)計(jì)算PID運(yùn)算結(jié)果pid_out_tmp，pid_out_4_reg和dTerm_4_reg做差得出結(jié)果項(xiàng)pid_out_5，在PID運(yùn)算中，設(shè)置了約束范圍，即小于PID_MAX，大于0，如果超出約束范圍，超過(guò)則輸出最大PID_MAX，小于則輸出最小值0；

(3)判斷PID運(yùn)算模塊得出運(yùn)算結(jié)果o_pid_out，根據(jù)min_pid_out_4_reg，max_pid_out_4_reg信號(hào)，來(lái)判斷PID的最終輸出結(jié)果，如果兩個(gè)信號(hào)皆是低電平，則輸出pid_out_tmp/2，否則，min_pid_out_4_reg高電平，輸出0；max_pid_out_4_reg,高電平輸出PID_MAX；

6)第六個(gè)周期所完成的運(yùn)算：

(1)輸出o_valid有效信號(hào)，表示PID運(yùn)算計(jì)算完成；

(2)輸出PID運(yùn)算結(jié)果，輸出當(dāng)前積分累加值o_temp_iState_constrain_ex和當(dāng)前溫度值o_current_temp_ex到加熱模塊作為暫存數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，加熱模塊包括上次采集溫度寄存器、偏差寄存器以及控制量寄存器，控制量寄存器連接計(jì)數(shù)器和邏輯判斷電路；上次采集溫度寄存器與偏差寄存器用于分別儲(chǔ)存上次采集溫度數(shù)據(jù)和偏差數(shù)據(jù)，并返回PID模塊參數(shù)，計(jì)數(shù)器用來(lái)控制加熱端口高電平還是電平，以此來(lái)控制加熱時(shí)間；溫度和偏差數(shù)據(jù)通過(guò)判斷PID有效信號(hào)和控制量是否為0來(lái)控制是否鎖存信號(hào)；當(dāng)一次PID運(yùn)算完畢，輸出有效信號(hào)和控制量，則開始一次加熱周期；PID控制量鎖存到控制量寄存器中；計(jì)數(shù)器工作期間判斷加熱端口是否加熱，如果加熱則持續(xù)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)序滿足一毫秒時(shí)，計(jì)數(shù)器清零；在計(jì)數(shù)器工作時(shí)，通過(guò)邏輯判斷電路進(jìn)行邏輯判斷PWM和控制量之間的大小，輸出加熱信號(hào)，以此驅(qū)動(dòng)加熱端口。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過(guò)PID運(yùn)算模塊每6個(gè)周期即可輸出一次PID運(yùn)算結(jié)果，且加熱模塊采用新型PWM硬件結(jié)構(gòu)，有效提高了溫度控制的實(shí)時(shí)性、精度及穩(wěn)定性，且降低了CPU負(fù)載，有利于3D打印機(jī)的功能擴(kuò)展。

附圖說(shuō)明

圖1為傳統(tǒng)3D打印機(jī)溫度控制系統(tǒng)軟件程序流程圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例3D打印機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例3D打印機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中PID運(yùn)算模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例3D打印機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中加熱模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例3D打印機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。溫度控制系統(tǒng)包括依次連接的總線接口模塊、寄存器文件、PID運(yùn)算模塊(包括打印頭PID運(yùn)算模塊和熱床PID運(yùn)算模塊)及溫度采集模塊，打印頭PID運(yùn)算模塊和熱床PID運(yùn)算模塊還分別連接打印頭加熱模塊和熱床加熱模塊。如果溫度采集模塊采集到的溫度沒(méi)有超出預(yù)設(shè)范圍，則將打印頭和熱床的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給PID運(yùn)算模塊。PID運(yùn)算模塊計(jì)算完成后，會(huì)輸出有效信號(hào)和PID控制量給加熱模塊。加熱模塊采用PWM方式加熱，根據(jù)PID控制量的大小通過(guò)PWM方法來(lái)控制加熱的時(shí)間。PID運(yùn)算模塊除了將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給加熱模塊外，還有運(yùn)算中的中間量發(fā)送給加熱模塊用以寄存這一次運(yùn)算后的數(shù)據(jù)。原因是，在下一次PID運(yùn)算中，會(huì)用到上一次運(yùn)算的中間量。寄存器文件連接PID運(yùn)算模塊與溫度采集模塊，并通過(guò)總線接口模塊連接至總線。

圖3為本實(shí)施例3D打印機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中PID運(yùn)算模塊結(jié)構(gòu)示意圖。在本發(fā)明中，采用的是溫度值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并且有小數(shù)參與運(yùn)算。采用定點(diǎn)小數(shù)的方法，32位溫度數(shù)據(jù)高16位為整數(shù)，低16位為小數(shù)。PID運(yùn)算主要是通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)溫度與目標(biāo)溫度的偏差值計(jì)算、溫度變化率的計(jì)算和偏差累加的計(jì)算。利用減法器，對(duì)目標(biāo)溫度和實(shí)時(shí)溫度做差值，結(jié)果保存到32位偏差寄存器中。此時(shí)，需要判斷偏差的值是否在[0,5]之間。當(dāng)偏差小于0，表示實(shí)時(shí)溫度已經(jīng)超過(guò)目標(biāo)溫度，此時(shí)停止加熱，則將PID最小輸出信號(hào)置1。作用是結(jié)合繼電器開關(guān)控制，減少PID多余運(yùn)算，提高PID控制精度和速度。如果偏差大于5，則將PID最大輸出信號(hào)置1，表示全功率加熱信號(hào)。如果偏差滿足在[0,5]之間，則開始PID運(yùn)算。PID運(yùn)算可以分四個(gè)部分：比例運(yùn)算、積分運(yùn)算、微分運(yùn)算和PID結(jié)果運(yùn)算。

PID運(yùn)算模塊中，基于對(duì)PID算法原理解析，分為了六個(gè)周期來(lái)完成運(yùn)算。

1)第一個(gè)周期所完成的運(yùn)算：

(1)將總線輸入的差值參數(shù)neg_pid_functional_range取反加1。判斷偏差是否小于0，即判斷其最高位是否為0,如果為0則是正數(shù)，如果為1則是負(fù)數(shù)。差值參數(shù)的作用在于如果實(shí)時(shí)溫度和設(shè)定溫度之間的差值如果大于它，則輸出全功率加熱，相反如果小于則輸出0。將PID運(yùn)算控制在5度以內(nèi)的精度，其中neg_pid_functional_range為32位數(shù)據(jù)。

(2)計(jì)算差值error_reg。溫度采集模塊輸出的溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)i_current_temp與總線輸入的目標(biāo)溫度i_target_temp進(jìn)行差值計(jì)算。

(3)計(jì)算當(dāng)前溫度與前一次采集溫度的偏差變化值，即error_ctemp_dState。在PID運(yùn)算中會(huì)涉及到當(dāng)前溫度與前一次采集溫度的偏差值參與微分運(yùn)算，error_ctemp_dState由當(dāng)前溫度i_current_temp減去前一個(gè)運(yùn)算結(jié)果完成后所采集的溫度i_temp_dState_ex。i_temp_dState_ex則是每一次PID運(yùn)算模塊輸出后，鎖存在加熱模塊中，等待PID再一次運(yùn)算時(shí)候返回該值。

(4)將當(dāng)前溫度i_current_temp存入寄存器current_temp_1_reg，表示第一周期。將當(dāng)前溫度跟隨寄存器一直保持到第五個(gè)周期整體PID運(yùn)算結(jié)束后再將溫度輸出給加熱模塊，作為下一次實(shí)時(shí)溫度偏差值的輸入。

(5)輸入有效信號(hào)i_valid保存到寄存器valid1_reg中，表示第一周期。

2)第二個(gè)周期所完成的運(yùn)算：

(1)將第一周期寄存器數(shù)據(jù)current_temp_1_reg保存到寄存器current_temp_2_reg中；將第一個(gè)周期寄存器數(shù)據(jù)valid1_reg保存到寄存器valid2_reg，表示第二周期。

(2)完成比例運(yùn)算乘積項(xiàng)pTerm。將PID參數(shù)kp與差值項(xiàng)error_reg相乘。因?yàn)閗p與error_reg都是32位數(shù)據(jù)，相乘則造成數(shù)據(jù)溢出。所以采用截位的方法保留乘積結(jié)果的16位，即pTerm_tmp[47:16]，然后保存到寄存器pTerm_reg中。完成微分項(xiàng)計(jì)算。

(3)i_kd與error_ctemp_dState進(jìn)行乘法運(yùn)算，截位后得運(yùn)算結(jié)果dTerm_tmp_0[47:16]。存入寄存器dTerm_tmp_0_reg。

(4)計(jì)算積分項(xiàng)中間變量temp_iState存入寄存器temp_iState_reg。由當(dāng)前差值項(xiàng)error_reg與前一次積分中間變量i_temp_iState_reg_ex相加得出。

(5)判斷信號(hào)min_pid_out_reg，max_pid_out_reg。在比較差值參數(shù)pid_functional_range后，如果滿足在差值參數(shù)范圍內(nèi)，則繼續(xù)進(jìn)行PID運(yùn)算。如果不滿足，則將判斷信號(hào)置1。信號(hào)min_pid_out_reg置1，則PID運(yùn)算五個(gè)周期后輸出最小值。信號(hào)max_pid_out_reg置1，則PID運(yùn)算五個(gè)周期后輸出最大值。

3)第三個(gè)周期所完成的運(yùn)算：

(1)將第二周期寄存器數(shù)據(jù)current_temp_2_reg保存到寄存器current_temp_3_reg中；將第二周期寄存器數(shù)據(jù)max_pid_out_reg和min_pid_out_reg分別保存到寄存器max_pid_out_3_reg和min_pid_out_3_reg；將第二周期寄存器數(shù)據(jù)pTerm_reg保存到寄存器pTerm_3_reg。將第二個(gè)周期寄存器數(shù)據(jù)valid2_reg保存到寄存器valid3_reg，表示第三周期。

(2)計(jì)算積分累加項(xiàng)temp_iState_constrain。判斷temp_iState_reg是否何在約束范圍內(nèi)。如果超過(guò)i_temp_iState_max，則賦值i_temp_iState_max。如果小于0，則賦值0。如果在約束范圍內(nèi)，則賦值數(shù)據(jù)temp_iState_reg。

(3)計(jì)算積分項(xiàng)iTerm。Ki與temp_iState_constrain相乘，截位的結(jié)果保存到寄存器iTerm_reg。

(4)微分項(xiàng)dTerm保存到寄存器dTerm_reg。

4)第四個(gè)周期所完成的運(yùn)算：

(1)將第三周期寄存器數(shù)據(jù)current_temp_3_reg保存到寄存器current_temp_4_reg中；將第三周期寄存器數(shù)據(jù)max_pid_out_3_reg和min_pid_out_3_reg分別保存到寄存器max_pid_out_4_reg和min_pid_out_4_reg；將第三周期寄存器數(shù)據(jù)temp_iState_constrain_reg保存到寄存器temp_iState_constrain_4_reg；將第三周期寄存器數(shù)據(jù)dTerm_reg保存到寄存器dTerm_4_reg。將第三個(gè)周期寄存器數(shù)據(jù)valid3_reg保存到寄存器valid4_reg，表示第四周期。

(2)計(jì)算PID輸出結(jié)果的加法項(xiàng)。因?yàn)镻ID運(yùn)算輸出結(jié)果是由pTerm+iTerm–dTerm計(jì)算而來(lái)。然后為了獲得更快的處理速度，一般將較長(zhǎng)的公式拆分，進(jìn)行分開計(jì)算可以增加處理速度。所以，先將pTerm_3_reg和iTerm_reg相加，將結(jié)果保存到寄存器pid_out_4_reg中。

5)第五個(gè)周期所完成的運(yùn)算：

(1)將第四周期寄存器數(shù)據(jù)current_temp_4_reg保存到寄存器current_temp_5_reg中；將第四周期寄存器數(shù)據(jù)temp_iState_constrain_4_reg保存到寄存器temp_iState_constrain_5_reg；將第四周期寄存器數(shù)據(jù)dTerm_reg保存到寄存器dTerm_4_reg。將第四個(gè)周期寄存器數(shù)據(jù)valid4_reg保存到寄存器valid5_reg，表示第五周期。

(2)計(jì)算PID運(yùn)算結(jié)果pid_out_tmp。pid_out_4_reg和dTerm_4_reg做差得出結(jié)果項(xiàng)pid_out_5。在PID運(yùn)算中，設(shè)置了約束范圍，即小于PID_MAX，大于0。如果超出約束范圍，超過(guò)則輸出最大PID_MAX，小于則輸出最小值0。

(3)判斷PID運(yùn)算模塊得出運(yùn)算結(jié)果o_pid_out。根據(jù)min_pid_out_4_reg，max_pid_out_4_reg信號(hào)，來(lái)判斷PID的最終輸出結(jié)果。如果兩個(gè)信號(hào)皆是低電平，則輸出pid_out_tmp/2。否則，min_pid_out_4_reg高電平，輸出0；max_pid_out_4_reg,高電平輸出PID_MAX。

6)第六個(gè)周期所完成的運(yùn)算

(1)輸出o_valid有效信號(hào)，表示PID運(yùn)算計(jì)算完成。

(2)輸出PID運(yùn)算結(jié)果，輸出當(dāng)前積分累加值o_temp_iState_constrain_ex和當(dāng)前溫度值o_current_temp_ex到加熱模塊作為暫存數(shù)據(jù)。

本實(shí)施例中，PID運(yùn)算模塊每6個(gè)周期即可輸出一次PID運(yùn)算結(jié)果，提高了溫度控制的實(shí)時(shí)性及精度。PID硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用PID算法，PID算法結(jié)合了Bang-Bang控制來(lái)計(jì)算控制量(bang-bang控制是如果實(shí)時(shí)溫度小于目標(biāo)溫度則全功率加熱，如果實(shí)時(shí)溫度大于目標(biāo)溫度則停止加熱)，即目標(biāo)溫度與實(shí)時(shí)溫度做差，如果差值較大且超過(guò)閾值則采用Bang-Bang控制，不然則進(jìn)行PID運(yùn)算計(jì)算控制量。在硬件設(shè)計(jì)中，也涉及到Bang-Bang控制，設(shè)置了溫度差約束。如果目標(biāo)溫度和實(shí)時(shí)溫度差值大于溫度差約束則全功率加熱，如果目標(biāo)溫度和實(shí)際溫度小于0，則輸出0，即停止加熱。溫度采集模塊持續(xù)提供實(shí)時(shí)溫度給PID運(yùn)算模塊，PID運(yùn)算模塊計(jì)算出控制量輸出給加熱模塊完成加熱。由于PID運(yùn)算周期比溫度采集時(shí)間短，會(huì)造成采集新的數(shù)據(jù)未完成而計(jì)算結(jié)果再一次輸出的情況，此時(shí)增加i_valid輸入信號(hào)，表示輸入的溫度數(shù)據(jù)有效，并且保持到六個(gè)周期后輸出o_valid表示PID運(yùn)算輸出有效。將計(jì)算出的控制量輸出給加熱模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)加熱或關(guān)閉加熱。

圖4為本實(shí)施例3D打印機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中加熱模塊結(jié)構(gòu)示意圖。加熱模塊主要功能為輸入控制量，采用PWM方式來(lái)驅(qū)動(dòng)加熱。加熱模塊根據(jù)信號(hào)PID運(yùn)算有效信號(hào)，接受來(lái)自PID運(yùn)算模塊的三個(gè)參數(shù)：積分中間量、上一次實(shí)時(shí)溫度和PID運(yùn)算量。積分中間量連接到PID運(yùn)算模塊的輸出端o_temp_iState_constrain_ex，上一次實(shí)時(shí)溫度連接到PID運(yùn)算模塊的輸出端o_current_temp_ex。PID處理模塊計(jì)算的結(jié)果連接到端口i_pid_out，是一個(gè)大于等于0，小于256的整數(shù)。通過(guò)PID加熱完成一次計(jì)算后，將這一次用到的實(shí)時(shí)溫度和積分項(xiàng)保存到加熱模塊，等待PID運(yùn)算的結(jié)果驅(qū)動(dòng)加熱模塊，完成整個(gè)溫度調(diào)節(jié)過(guò)程后，再將兩個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送給PID運(yùn)算模塊用于下一次溫度PID計(jì)算中。

加熱模塊包括上次采集溫度寄存器、偏差寄存器以及控制量寄存器，控制量寄存器連接計(jì)數(shù)器和邏輯判斷電路。上次采集溫度寄存器與偏差寄存器用于分別儲(chǔ)存上次采集溫度數(shù)據(jù)和偏差數(shù)據(jù)，并返回PID模塊參數(shù)。計(jì)數(shù)器用來(lái)控制加熱端口高電平還是電平，以此來(lái)控制加熱時(shí)間。溫度和偏差數(shù)據(jù)通過(guò)判斷PID有效信號(hào)和控制量是否為0來(lái)控制是否鎖存信號(hào)。當(dāng)一次PID運(yùn)算完畢，輸出有效信號(hào)和控制量，則開始一次加熱周期。PID控制量鎖存到控制量寄存器中。計(jì)數(shù)器工作期間判斷加熱端口是否加熱，如果加熱則持續(xù)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)序滿足一毫秒時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。在計(jì)數(shù)器工作時(shí)，通過(guò)邏輯判斷電路進(jìn)行邏輯判斷PWM和控制量之間的大小，輸出加熱信號(hào)，以此驅(qū)動(dòng)加熱端口。