用STM32F103和GRBL 0.9j改造9G舵机实现精准笔控

在创客圈里，用CNC写字机实现自动书写一直是个热门项目。但很多朋友在搭建过程中都会遇到一个共同难题：Z轴的抬笔/落笔控制。专业方案通常使用步进电机，但对于预算有限或空间受限的项目，9G舵机是个更经济实惠的选择。今天我们就来彻底解决这个问题，通过修改GRBL 0.9j源码，让普通舵机完美适配写字机的笔控需求。

1. 硬件准备与环境搭建

1.1 所需材料清单

• STM32F103开发板（推荐正点原子战舰版）
• 9G微型舵机（SG90等常见型号）
• CNC SHIELD V3电机扩展板
• A4988步进电机驱动模块×2
• CoreXY结构写字机框架
• GRBL Controller 3.6.1控制软件

1.2 开发环境配置

首先确保你的开发环境已经准备好：

bash复制# 安装ARM开发工具链
sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi
# 克隆GRBL 0.9j源码
git clone -b v0.9j https://github.com/grbl/grbl.git

提示：建议使用PlatformIO进行项目管理，可以自动处理依赖关系

2. GRBL源码结构解析

2.1 核心控制流程

GRBL的控制逻辑主要围绕以下几个关键函数展开：

1. protocol_main_loop：主循环函数，持续监听串口指令
2. protocol_execute_line：解析并执行单行G代码
3. gc_execute_line：处理G代码的具体参数

c复制// 典型调用链示例
main() → protocol_main_loop() → protocol_execute_line() → gc_execute_line()

2.2 Z轴控制关键点

在原始GRBL中，Z轴控制是通过步进电机实现的。我们需要重点关注以下代码段：

c复制// stepper.c中的定时器中断处理
void TIM3_IRQHandler(void) {
    if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) {
        // 步进电机脉冲生成逻辑
        ...
    }
}

3. 舵机控制改造实战

3.1 PWM信号生成原理

9G舵机通常使用50Hz PWM信号（周期20ms），其中：

• 0.5ms脉宽 → 0度位置
• 2.5ms脉宽 → 180度位置

我们需要修改定时器配置来生成适合舵机的PWM信号：

c复制// 定时器配置示例（针对STM32F103）
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

// 设置72MHz时钟，分频后1MHz计数频率
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 19999; // 20ms周期
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71; 
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

// PWM模式配置
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 1500; // 初始1.5ms脉宽
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

3.2 Z轴指令映射改造

GRBL默认使用绝对坐标，我们需要将其映射到舵机角度：

修改gc_execute_line函数中的Z轴处理逻辑：

c复制// 修改后的Z轴处理逻辑
if(axis_command == AXIS_COMMAND_MOTION_MODE) {
    if(bit_istrue(axis_words,bit(Z_AXIS))) {
        float z_value = gc_block.values[Z_AXIS];
        if(z_value > 0) {
            // 抬笔位置
            TIM_SetCompare1(TIM3, 2500); // 2.5ms脉宽
        } else {
            // 落笔位置
            TIM_SetCompare1(TIM3, 500);  // 0.5ms脉宽
        }
    }
}

4. 实战调试与优化

4.1 常见问题排查

1. 舵机抖动问题：

   • 检查电源是否稳定（建议单独供电）
   • 确保PWM信号接地与舵机共地

2. 响应延迟问题：

   • 适当减小$30参数（最大步进速率）
   • 在plan_buffer_line()函数中添加延时补偿

4.2 性能优化技巧

• 在st_prep_buffer函数中添加预判逻辑，提前准备舵机动作
• 使用二分法查找最优PWM值，减少机械振动

c复制// 舵机平滑移动算法示例
void servo_smooth_move(uint16_t target_ccr) {
    uint16_t current = TIM_GetCapture1(TIM3);
    while(abs(current - target_ccr) > 10) {
        current += (target_ccr > current) ? 10 : -10;
        TIM_SetCompare1(TIM3, current);
        delay_ms(20);
    }
}

5. 完整代码实现

以下是关键修改点的完整代码示例：

c复制// 在stepper.c中添加舵机控制函数
void servo_init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 配置PA6为PWM输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 定时器3 PWM初始化
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 19999;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 1500;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
    
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3, ENABLE);
}

// 在motion_control.c中修改Z轴处理
void mc_line(float *target, plan_line_data_t *pl_data) {
    if(target[Z_AXIS] > 0) {
        TIM_SetCompare1(TIM3, 2500); // 抬笔
    } else {
        TIM_SetCompare1(TIM3, 500);  // 落笔
    }
    // 原有运动控制逻辑...
}

6. 机械结构适配建议

虽然本文聚焦电子改造，但机械适配同样重要：

• 舵机安装：使用3D打印支架固定舵机，确保笔的垂直运动
• 连杆设计：采用四连杆机构增加笔的稳定性
• 笔压调节：通过弹簧预紧力微调落笔压力

注意：舵机扭矩有限，建议笔的重量不超过50g

在实际项目中，我发现最经济的方案是用PVC板切割支架，配合热熔胶固定。测试时先用低粘度墨水，避免因机械振动导致墨水晕染。经过3-5次迭代后，书写效果可以接近专业级写字机。