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ODrive配置云台电机GIMBLE_TYPE

全栈程序员站长

发布于 2022-07-26 00:31:05

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代码可运行

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代码可运行

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

文章目录
0.前言
1.硬件介绍
1.1.硬件
1.2.接线
2.配置参数
2.1.基本配置
2.2.电机配置
2.3.编码器配置
2.4.控制器配置
2.5.保存配置
3.校准工作
3.1.校准电机
3.2.编码器校准
3.3.保存校准结果
4.切换电机类型
5.控制电机运行
6.重新启动自动进入闭环控制
7.PID参数调节
7.1.官网教程
7.2.云台电机自己调参总结
8.总结
8.1.遇到的错误
1.MOTOR_ERROR_PHASE_RESISTANCE_OUT_OF_RANGE
2.ENCODER_ERROR_CPR_POLEPAIRS_MISMATCH
3.CONTROLLER_ERROR_OVERSPEED
4.ENCODER_ERROR_ABS_SPI_COM_FAIL
5.ENCODER_ERROR_INDEX_NOT_FOUND_YET
6.AXIS_ERROR_INVALID_STATE
8.2.注意事项
1.错误解决方式
2.设置参数后经常save_configuration()

0.前言

ODrive比较适合大电流的无刷电机使用，对于云台电机（小电流低转速）并没有使用电流环（好像SimpleFOC也没有电流环）。并且网上仅有少数的大电流无刷电机的配置例程，没有小电流无刷电机的配置例程。今天踏了一遍这个坑，遇到了很多错误，最后也逐渐摸索出了解决方法。

主要配置流程参考博客

1.硬件介绍

1.1.硬件

ODrive 硬件版本：ODrive v3.6 56v电压版本固件版本：fw-v0.5.1。这是目前（2021.04.04）最新版本的固件，也仅仅从0.5版本的固件开始才支持SPI接口的绝对值编码器。
云台无刷电机 GB4315云台电机配置24N28P，因此极对数是14；额定电压24V；额定转速150RPM（注意ODrive中的转速单位是r/s，不是r/min）；额定电流0.92A；线电阻16.5欧姆。
编码器 AS5048A，SPI接口的绝对值编码器。注意该电机配套两种编码器，还有一个是AS5600，但是不支持SPI接口，因此ODrive不能用。另外，编码器有Interface和Output两种外接方式：Interface是通信接口，比如SPI、IIC等，ODrive直接通过通信协议读取编码器芯片内部的寄存器值得到数据；而Output属于脉冲输出，比如AB、ABZ、PWM等，ODrive通过定时器的编码器模式读取这些脉冲并计算数据。
功率耗散电阻(可选) 50W 2R 黄金壳功率耗散电阻。

1.2.接线

电机直接随意接三相即可。

买来的电机上AS5048A编码器只给焊接了PWM接口的三根线，SPI接口没给焊，需要自己焊接。并且间距比较小，焊接的线要细一点。焊接后，接线注意：

将编码器的VCC、GND、MOSI、MISO、CLK连接到ODrive对应的相同的引脚上；
编码器的CS引脚接到1-8中的任意一个引脚上（但是默认1/2引脚是串口引脚，所以最好接到3-8上）；
AS5048A是3.3V和5V电平兼容的，编码器的VCC接到ODrive的3.3V或者5V都可以。但是我最初接了3.3V，好像噪声有点大，又改成了5V（这个我也不确定有没有影响）
编码器信号容易受到电机电源线的干扰，所以需要一定的处理。在ODrive官网和社区上，给出了几个方法：参考：官网编码器官网社区帖1 官网社区帖2 官网商店
- 避免：尽可能避免编码器线太靠近电机线；尽量减小编码器和ODrive之间的连线长度；尽量不要使用带状电缆
- 使用差分信号传输，但是需要在两端添加RS422收发器，比较麻烦
- 使用屏蔽电缆，如屏蔽双绞线
- 使用铁氧体磁环：铁氧体磁环可减少电容耦合噪声。可以帮助减少耦合回编码器线的噪声，并可以减少EMI辐射。我们建议通过此方法将相线（共）绕3圈，但如果不合适，也可以绕2圈。
- SPI的编码器，请在CLK上串联一个20-50欧姆的电阻，该噪声更容易受到影响。

另外：

对于SPI的编码器，可以通过输入命令odrv0.<axis>.encoder.spi_error_rate来查看SPI信号的相关特性。如果它是1.0或接近1.0，则可能存在接线或电源问题。如果它是0.0或非常接近，那么您将获得良好的数据。如果介于两者之间，则您的数据断断续续。您可能需要使用示波器或逻辑分析仪，以检查编码器上是否未设置错误标志，以及波形是否正常。
最后我使用的是绕铁氧体磁环的方法，因为手头刚好有一个，而且也最简单。没使用磁环之前，输入命令odrv0.<axis>.encoder.spi_error_rate，得到的数值是0.6左右；使用磁环之后再输入此命令得到的值就是0.0了。（但是实际使用中电机不同，看位置的曲线，噪声还是比较大，虽然值比较小，但是波动很频繁，但是并没有影响电机的控制）

2.配置参数

注意：进行配置前建议首先执行一遍擦除配置odrv0.erase_configuration()，然后odrv0.reboot()重启 ODrive 以确保配置恢复为固件默认配置。

2.1.基本配置

这部分属于整个ODrive板子的配置，和电机无关，所以云台电机和大电流电机配置一样。

2.2.电机配置

这里需要注意，虽然说使用的是小电流的云台电机，但是经过我的测试，电机类型如果配置成云台电机的话，编码器校准总是失败。并且电机类型是云台电机，那么运行电机校准指令是没有任何反应的，而去看错误也不会报任何错误，此时就会很迷惑。实际是因为对于云台电机没使用电流环，所以就不用运行电机校准来检测电机的电阻和电感了。所以这里先配置成大电流电机，把电机的限制电流设小一点即可。最后等都配置好了，再把电机类型改成云台电机。

resistance_calib_max_voltage > calibration_current*电机相电阻
resistance_calib_max_voltage <  0.5*电源电压

因为电机的线电阻16.5欧姆，所以相电阻8欧姆左右，所以校准电压要大于0.5*8=4V。电池电压12V，同时校准电压要小于0.5 *12=6V，所以这里设置为5V。

  odrv0.axis1.motor.config.resistance_calib_max_voltage = 5

配置电机电流采样范围，注意：此值设置后需要重新启动才能生效。

  odrv0.axis1.motor.config.requested_current_range = 60

2.3.编码器配置

2.4.控制器配置

2.5.保存配置

保存配置参数并重启 ODrive ，已使某些配置参数生效。

odrv0.save_configuration()
odrv0.reboot()

3.校准工作

注意：进行参数校准前请确保电机转子能够自由旋转而且不能有偏载，即负载均匀和较弱的摩擦负载才行，重载或类似弹簧载荷不行，否则将影响参数自动校准

3.1.校准电机

3.2.编码器校准

注意由于使用的AS5048A是绝对编码器，没有索引信号，所以不用进行索引校准，直接进行偏移校准即可。

3.3.保存校准结果

将自动检测的电机参数保存并重启，等待 ODrive 重新连接到 odrivetool。

odrv0.save_configuration()
odrv0.reboot()

4.切换电机类型

这一步非常重要。因为之前为了成功进行编码器校准将电机设置成了大电流电机，这个时候如果直接进入闭环控制的话，电机的电流声音特别大，能明显听出来。估计这也是Odrive对云台电机不使用电流环的原因，因为电流的噪声太大了，加上电流环还不如不加。所以此时要把电机类型改为云台电机，然后保存配置，重启。此时再进入闭环，就会发现电机的电流声小了很多。

5.控制电机运行

6.重新启动自动进入闭环控制

注意由于使用的是绝对值编码器，所以每次重新启动后不需要进行编码器的索引校准（即无须寻找零点的位置）。如果使用的是ABZ的增量式编码器，那么每次开机后都需要进行编码器索引校准，就是一直朝着一个方向转直到找到Z相信号。

可以添加自动进入闭环模式的功能，配置 ODrive 启动后自动进入闭环控制模式，然后保存配置，这样每次重新启动后电机自动进入闭环运行模式，我们只需要发送位置控制指令即可。

odrv0.axis1.config.startup_closed_loop_control = True
odrv0.save_configuration()

7.PID参数调节

7.1.官网教程

调整电动机控制器是释放ODrive潜力的必不可少的步骤。通过调整，控制器可以快速响应系统中的干扰或变化（例如施加的外力或设定值的变化）而不会变得不稳定。正确设置三个调整参数（称为增益）可确保ODrive能够以最有效的方式控制电动机。这三个值是：

<axis>.controller.config.pos_gain = 20.0 [（转/秒）/转]
<axis>.controller.config.vel_gain = 0.16[Nm /（转/秒）]
<axis>.controller.config.vel_integrator_gain = 0.32 [Nm /（（（圈/秒）* s）]

即将推出的功能将启用自动调整。在此之前，这里是一个粗略的调整过程：

将vel_integrator_gain增益设置为0
确保您的系统稳定。如果不是，请减少所有收益，直到获得收益为止。
vel_gain每次迭代增加约30％，直到电机出现振动。
退回vel_gain至振动值的50％。
pos_gain每次迭代增加大约30％，直到您看到一些过冲。
退缩，pos_gain直到不再有超调为止。
积分器可以设置为0.5 * bandwidth * vel_gain，其中bandwidth是系统的总跟踪带宽。假设您的调整使它以100ms的建立时间（从设定值更改到系统到达新设定值的时间）跟踪命令；这意味着带宽为1 /（100ms）= 1 /（0.1s）= 10hz。在这种情况下，您应该设置vel_integrator_gain = 0.5 * 10 * vel_gain。

liveplotter工具在拨入这些值时可能会非常有用。要显示绘制位置设定值与测量位置值之间关系的图形，请在ODrive工具中运行以下命令：

start_liveplotter(lambda:[odrv0.axis1.encoder.pos_estimate, odrv0.axis1.controller.pos_setpoint])

7.2.云台电机自己调参总结

按照官网步骤，先把速度环Ki设置为0，把位置环的Kp设置成一个比较小的值，比如5。
逐渐增大速度环的Kp，直到电机出现震动。实际随着Kp的增大，电流声越来越大，最后会高频震动。
将速度环Kp减小，然后按照公式设置速度环的Ki。
逐步调大位置环的Kp，直到达到要求。调试中可以给一个Kp，再给一个位置目标，看阶跃响应。

注意：

我测试发现电流声的大小和位置环的Kp无关，和速度环的Kp有关，把速度环Kp减小，电流声就会小很多。
按理说应该位置环的Kp越大越有超调，可实际发现Kp比较小的时候，电机很软，此时反而有超调。感觉是因为此时电机太软了，到了目标位置有点控制不住。实际此时我把位置环的Kp调的比较大（100左右），电机很硬，位置环的超调反而很小。

8.总结

8.1.遇到的错误

1.MOTOR_ERROR_PHASE_RESISTANCE_OUT_OF_RANGE

电机相电阻超出范围。多数是因为电机的接线有问题，此时可以关闭ODrive，用万用表测量ODrive上的端子的线电阻和电机参数中的是否一致。可以使用以下命令查看电阻和电感：

odrv0.axis1.motor.config.phase_resistance
odrv0.axis1.motor.config.phase_inductance

2.ENCODER_ERROR_CPR_POLEPAIRS_MISMATCH

编码器CPR值和电机极对数匹配错误。这里首先检查设置的编码器值和电机极对数值是否正确。我一开始遇到这个问题，查看后发现这两个值并没有错误。后来发现还是编码器校准没有成功的原因。因为一开始我把电机配成了云台电机，然后进行编码器偏移校准的时候，电机只会左右转很小的范围（几度那样），相当于抖几下。这时候电机其实并没有正确完成编码器的校准。正常的编码器校准，电机会左右转动大概半圈，这样基本上就是完成了编码器校准。

这个时候的解决办法就是如前所述把电机先配置为大电流电机，当所有的校准都完成后，再把电机的类型改成云台电机。

3.CONTROLLER_ERROR_OVERSPEED

电机超速。原因我猜是因为启动时SPI类型的编码器的噪声很大导致的，解决方法前面配置的时候就说过，就是把电机的最大转速设置的非常高，但是最大电流有限制，所以电机也不会转的很快。

4.ENCODER_ERROR_ABS_SPI_COM_FAIL

SPI编码器失败。这个具体什么原因不知道，感觉还是因为SPI的编码器不稳定，因为我时常会出现原来正常，后来突然不能用了，就是报出了这个错误。大体可以从一下几个方面检查：

检查SPI编码器接线。因为ODrive上SPI编码器接口不是连在一起的，很容易导致线松动。最好的方式是确认连线无误后就用少量的热熔胶将编码器和ODrive的接线固定住。
可以通过输入命令odrv0.<axis>.encoder.spi_error_rate来查看SPI信号的相关特性。如果它是1.0或接近1.0，则可能存在接线或电源问题。如果它是0.0或非常接近，那么您将获得良好的数据。如果介于两者之间，则您的数据断断续续。
编码器校准原因，重启，再次进行编码器校准。
清除错误，重启再试一试