以反饋信號控制的步進(jìn)電機(jī)XY平臺選型

1.序言

半年沒寫過博客了，不過這對于我的博客來說似乎是常態(tài)？這半年來忙著做畢業(yè)論文，沒弄什么自己的研究，而實驗室的東西實在是不好泄露出來，所以我也是“雖欲言無可進(jìn)者”了。

上星期趁著論文提交的空擋，把一直拖著的一個小項目開了個頭，其實是朋友有個外快小項目要做，具體內(nèi)容不說，項目的基礎(chǔ)是XY平臺的視覺控制，因此在前期研究中主要要做平臺選型、控制購買、接線研究、模擬實驗等工作，這里記述下來以防忘記，順便也給其他人做個參考。

本次控制通過相機(jī)采集圖像，以此為反饋信號做控制，使平臺上的某個點(diǎn)位移到指定的位置。然后本文寫得更像隨筆形式，內(nèi)容可能有點(diǎn)雜亂，見諒了。

2.平臺選型與硬件接線

2.1 XY平臺選型

項目中需要做到精度較高的位移控制，且承重要求3kg以上，因此XY平臺選型時主要考慮步進(jìn)電機(jī)的XY平臺，淘寶上一搜就是一大片。

從中挑選了一臺二手日本平臺，由于價錢便宜店家不提供技術(shù)支持，接線什么的得自己搞。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動不需要購買，我手上有一塊前輩留下來的，正好可以用，同樣沒有任何資料。從其電路板上發(fā)現(xiàn)驅(qū)動芯片是TA8435H，于是查到其引腳功能表。

根據(jù)這個功能表可以確定驅(qū)動上幾個引腳的功能，并用一個四相步進(jìn)電機(jī)測試，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動板功能完好。

在電機(jī)供電上，考慮到要驅(qū)動兩臺步進(jìn)電機(jī)，并獲得足夠的驅(qū)動力，因此我試用了一個12V 4.5A的開關(guān)電源。

2.3采集卡

為了使計算機(jī)能夠控制電機(jī)驅(qū)動，這里還需要一個電腦IO卡，我用的依然是以前留下來mc100 USB Card，方便好用還便宜，淘寶上一搜一大把。這個東西IO口波紋比較大，而且沒做好隔離容易燒，不過既然是實驗用，那就將就一下了，實際產(chǎn)品中是肯定不能用這個的。

2.4平臺接線

平臺到貨后檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)型號查不到，只知道是三洋1.5A的步進(jìn)電機(jī)，沒辦法只好電機(jī)的線給撥了，用物理方法來測極性。撥開線后發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)是8相的，于是要測出四組通路，通過萬用表測通，發(fā)現(xiàn)相通的幾根線是這樣的：

紅-綠

藍(lán)-白

黃-棕

黑-灰

為了測出四組線的相性，需要進(jìn)行多次接線測試，并匯總結(jié)果得到下表（只保留了幾組數(shù)據(jù)，實際中我為了完全確認(rèn)相性，各種接線組合都測了）：

根據(jù)這個表，可以確定最終的接線方法，此處使用的是并聯(lián)接法，連線如下表。

8相步進(jìn)電機(jī)還有另外一種串聯(lián)接法如下圖：

2.5硬件組裝結(jié)果

最后把兩個電機(jī)都接到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動上，USB采集卡插好，XY平臺鎖死，相機(jī)固定。

得到了個凌亂的實驗現(xiàn)場，圖中上面那坨黑的是工業(yè)相機(jī)。

3.平臺控制算法

控制這一塊我已經(jīng)丟了差不多三年了，現(xiàn)在再撿起來發(fā)現(xiàn)PID都不會寫了，再加上步進(jìn)電機(jī)的控制我也沒做過，總之是不好弄啊。

首先極力回憶一下本科時微機(jī)原理課程設(shè)計里做步進(jìn)電機(jī)控制那題是什么做控制的，想起有兩種控制方式，一是控制步進(jìn)電機(jī)的步長，二是控制其步數(shù)。那么這里既然要控制的是位移量，那么控制步數(shù)應(yīng)該是比較好的選擇。但對步進(jìn)電機(jī)來說，每秒走1000步幾乎已經(jīng)是極限了，再快的話電機(jī)扭矩會不夠，而1000步轉(zhuǎn)換到XY平臺上實際也就位移了1cm，所以當(dāng)位移量較大時，控制的滯后環(huán)節(jié)可能會較大。但走幾步就再控制一下也不現(xiàn)實，畢竟相機(jī)的采樣時間擺在那，幾步就采樣控制一下那么控制花費(fèi)的時間可能會較長……

想來想去也沒想到一個最佳的控制方案，總之先用PID控制試試看。

于是搜索增量式PID公式，花十幾分鐘把C++版本的PID控制器寫出來：

然后設(shè)計控制周期為100ms，死區(qū)5個像素，胡亂設(shè)置一下PID參數(shù)，只做x方向的平臺控制。結(jié)果…好嘛，不管怎么樣調(diào)試系統(tǒng)震蕩都很嚴(yán)重，大概是這樣子的：

最后我實在是懶得整定PID參數(shù)了，于是重新設(shè)計控制算法。

當(dāng)誤差大于50像素，用PD控制快速移動平臺。

當(dāng)誤差在50像素以內(nèi)時，根據(jù)事先做好的標(biāo)定［注1］，查表獲得位移的步長進(jìn)行一次移動。

移動完成后再次檢查還有多少誤差，以1的步長慢慢消除該誤差。

［注1］這里目標(biāo)點(diǎn)的位置是固定的，因此可以實現(xiàn)進(jìn)行多次標(biāo)定，確定圖像上各個坐標(biāo)上的點(diǎn)要位移目標(biāo)點(diǎn)處需要走多少步，但考慮到相機(jī)畸變這個標(biāo)定是無法完全準(zhǔn)確的，因此為盡量減少畸變造成的誤差，位移的目標(biāo)點(diǎn)應(yīng)放在相機(jī)視野中心，且只做該點(diǎn)半徑50像素內(nèi)的點(diǎn)的位移步數(shù)標(biāo)定。

根據(jù)上述控制流程，能夠較為快速地完成控制，控制精度可在0.5像素以內(nèi)，具體可以達(dá)到多少由于現(xiàn)在相機(jī)的安裝位置角度都沒定下來，所以我暫時也沒仔細(xì)測了。

4.程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

XY平臺涉及到X方向與Y方向的控制，兩個控制是相互獨(dú)立的，因此我采用了兩個線程對它們分別控制，下面是隨手亂畫的結(jié)構(gòu)圖：

程序運(yùn)行后開辟三個線程，其中兩個分別負(fù)責(zé)驅(qū)動兩臺電機(jī)，主線程則負(fù)責(zé)計算控制量，該控制量也就是另外兩個控制線程的步數(shù)。

在架構(gòu)上尚未做設(shè)計，但為了提高程序的可拓展性（畢竟實用化后相機(jī)、采集卡都得換），項目內(nèi)的幾個操作類都通過基類設(shè)計好了統(tǒng)一的接口，以方便今后更換硬件。

5.圖像處理算法

這里圖像處理算法偷懶了，采用的是《相機(jī)位姿估計2：［應(yīng)用］實時位姿估計與三維重建相機(jī)姿態(tài)》中跟蹤紅點(diǎn)的方法，原理是差不多的，只是這里改成了追蹤黑點(diǎn)而已，就不詳細(xì)寫了。

實際項目里圖像算法當(dāng)然不會那么簡單，不過這里目前還是一片空白，是下一步的工作重點(diǎn)了。

6.實驗截圖

最后隨便給兩張程序運(yùn)行時的截圖，控制臺坐標(biāo)是當(dāng)前黑點(diǎn)坐標(biāo)，控制目標(biāo)是［500，500］，u1是x平臺的控制量，u2是y平臺的控制量。

運(yùn)行過程中

兩秒后完成位移，黑點(diǎn)被移動到設(shè)定位置。

完成控制