ODrive移植keil（七）—— 插值算法和偏置校准

 
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一、角度读取

1.1、硬件接线

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电机 购买链接：https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=643573104607，图锐科技

 

1.2、程序演示

• 目前支持四种编码器：ABZ、AS5047P、MT6701、MA730，本例以ABZ信号为例，

• ENCODER_cpr 为接口对应的cpr，比如AS5047P的ABZ接口cpr=4000，SPI接口的cpr=16384，注意区分。

• 使用这个代码，下图：
  

• 在MyProject.h文件中设置参数，下图：
  

• 编译烧写，

• 发送指令“P”（不需要回车换行），同时用手转动电机，查看角度打印，
  

• 打印的角度为累加角度，转动过程中不清零。

 

1.3、代码说明

• 角度读取在TIM1更新中断中被调用，
• 更新中断的同时触发ADC，所以进入中断后ADC并未完成，此时读取角度，也是在等待ADC完成，
• ODrive的代码执行时间非常紧凑，所以不支持I2C接口的编码器，当然也就不支持AS5600（I2C接口的读取速度比较慢）。

• 官方代码中，读取数据使用了SPI收发DMA模式，我觉得SPI的速度已经很快，没有必要再用DMA，
• 官方代码中，SPI读取角度都是一个16bit指令完成（比如读取AS5047P的指令是0xFFFF）。所以移植后的代码不再支持TLE5012B编码器，TLE5012B的指令包含了收发切换和延时，效率较低。
• 官方代码支持多种SPI接口编码器，大部分型号在国内比价冷门，所以没有移植，
• 移植后的代码很容易添加 符合这些规则的编码器。

 

二、锁相环和插值算法

读取后的角度为原始数据，再在encoder_update() 中处理，数据处理包含了两部分：锁相环和插值，


 

2.1、锁相环

• 能百度到的关于锁相环的介绍，都是关于无线电通信的，本人上学的时候刚好还做过这个实验，所以我一直以为锁相环就是用于通信的。

• 用锁相环来滤波角度超出了我的想象，我也没在网上找到任何理论依据，国内电机论坛上也从没人讲过这事（至少我没看到过）。

• 我猜测它是用读出的角度做为目标值，估算值最终和目标值同步。当读出角度有较大波动或者干扰时，估算值能够保证一定的平滑性，起到滤波的作用。

• 有读者在评论区讲了这个算法，并给出了官方的网址，有兴趣的同学可以看看，感谢这位读者！
  “根据odrive作者的意思，PLL估计位置和速度实质上是搭建了一个二维的状态观测器，https://discourse.odriverobotics.com/t/rotor-encoder-pll-and-velocity/224/7“
  

• 上图是ODrive中无感电机启动的锁相环，都是锁相环，原理应该差不多。就是一开始有误差，最终消除误差，实际值和估算值保持一致。

 

2.2、插值

• 插值算法我没有看明白，我觉得应该是和偏置校准方案相关的一个处理方法，
• 可以提前透漏下，在闭环速度控制的时候，把插值算法屏蔽了，电机转动的效果丝毫不受影响，
• 不知道这个算法什么时候起作用，也可能是我的测试不够多，

 

2.3、角度补偿

• 从发出读编码器指令，到获取角度再用于反Park变换，中间会有一段时间的延迟。同样的延迟时间，电机转速越高影响就越大，所以需要角度补偿。

• 我在调试SimpleFOC的时候就遇到了这一问题，SimpleFOC代码支持的最大转速基本只能到3000RPM（7对极），我曾通过增加补偿角的方法把转速提高到8000RPM（效果并不好，电机有咔咔的噪声）。补偿角不是固定值，而且随着转速提高逐渐增大。

• 有些公司把补偿角称之为：“进角”或者“攻角”。
  国内一般的做法是通过事先测试获取不同转速时的补偿角，分段补偿或者设定系数根据速度线性补偿。
  手动添加补偿角的方式有两个缺点：第一事先需要大量测试以得到最佳值，第二这种方法看起来不太灵活，毕竟电机转动时速度是有波动的，补偿角过于呆板。

• ODrive中就没有补偿角，我觉得要么是它的算法精确，很好的解决延迟问题；要么就是锁相环可以起到补偿的作用。
  我尝试把锁相环部分屏蔽了，测试高转速时的效果，以确定它是否有补偿效果，但是没有屏蔽成功，这个稍后再测试。

• 角度“ 锁相环” 在国内闻所未闻，我觉得是ODrive代码中最有价值的一项技术！
   

三、偏置校准

3.1、硬件接线

使用SPI接口，SPI读出角度为绝对值，更容易找到规律，

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电机 购买链接：https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=643573104607，图锐科技

 

3.2、官方代码操作

请先将驱动板刷机v0.5.6版本，当然也可以v0.5.1版本，结果是一样的，
ODrive操作，下图：

odrv0.erase_configuration()
odrv0.vbus_voltage                                             //读电源电压
odrv0.axis0.motor.config.motor_type = MOTOR_TYPE_HIGH_CURRENT  //5008电机 + AS507P
odrv0.axis0.motor.config.pole_pairs = 7                        //电机极对数
odrv0.axis0.motor.config.calibration_current = 5               //可根据情况调整大小
odrv0.axis0.encoder.config.mode = ENCODER_MODE_SPI_ABS_AMS     //设置编码器类型
odrv0.axis0.encoder.config.abs_spi_cs_gpio_pin = 1             //选择CS引脚
odrv0.axis0.encoder.config.cpr = 2**14                         //16384
odrv0.save_configuration()
odrv0.reboot()                                                 //v0.5.6不用这一句

odrv0.axis0.requested_state = AXIS_STATE_MOTOR_CALIBRATION        //检测电机的电阻和电感，3秒钟后“嘀”一声结束
odrv0.axis0.requested_state = AXIS_STATE_ENCODER_OFFSET_CALIBRATION //检测偏置，电机约正转一圈反转一圈，回到起点，结束
odrv0.axis0.error

odrv0.axis0.motor.config.direction        //读校准的方向
odrv0.axis0.encoder.config.offset         //读校准的偏置角
odrv0.axis0.encoder.config.offset_float   //读校准的偏置角小数部分

 
1、只配置校准相关的参数，当然也可以完整配置，
2、测量的电机可以是Hign_Current类型，也可以是MOTOR_TYPE_GIMBAL（云台电机），
3、校准电流如果设置太大，电机可能会发热严重；设置太小，电机无力，转不动。
 

 
云台电机的配置如下：

//云台电机配置如下：
odrv0.erase_configuration()
odrv0.vbus_voltage
odrv0.axis0.motor.config.motor_type = MOTOR_TYPE_GIMBAL         //2804电机 + AS5047P
odrv0.axis0.motor.config.pole_pairs = 7                         //电机极对数
odrv0.axis0.motor.config.calibration_current = 2                //此时为校准电压
odrv0.axis0.encoder.config.mode = ENCODER_MODE_SPI_ABS_AMS      //设置编码器类型
odrv0.axis0.encoder.config.abs_spi_cs_gpio_pin = 1              //选择CS引脚
odrv0.axis0.encoder.config.cpr = 2**14                          //16384
odrv0.save_configuration()
odrv0.reboot()                                                  //v0.5.6不用这一句

odrv0.axis0.requested_state = AXIS_STATE_MOTOR_CALIBRATION      //云台电机虽然不检测电阻电感，但也要发送这个指令
odrv0.axis0.requested_state = AXIS_STATE_ENCODER_OFFSET_CALIBRATION   //检测偏置
odrv0.axis0.error

odrv0.axis0.motor.config.direction
odrv0.axis0.encoder.config.offset
odrv0.axis0.encoder.config.offset_float

 

 

3.3、移植后的代码操作

• 使用提供的第二个代码，下图：
  
   

• 在MyProject.h文件中设置参数，下图：
  

• 编译烧写，

• 发送指令“C”（不需要回车换行），3秒钟后电机“嘀”一声，打印测量结果，同时打印整定后的电流环PI参数。

• 再发送指令“F”（不需要回车换行，回车换行了也没错，以后不再说明），电机正转八个电角度，然后再反转八个电角度，回到起点，打印偏置校准结果，下图：
  

 

3.4、偏置校准原理

偏置角就是电角度和机械角度的差值，
偏置校准，就是测出电角度为0时机械角度的值。
 
3.4.1、理想状态下，电机为1对极，电角度的0度刚好是编码器的0度，电角度与机械角度完全重合，此时是不用校准的，

 
3.4.2、但这没有可操作性，
首先一个磁铁根本就无法分辨出来哪个方向是0度，
其次，即使可以，这也要求极高的安装精度，误差为0，
实际生产中，磁铁随意安装在电机上，靠后期使用时校准获取偏置角，这样更适合工业化批量生产的特点，

 
3.4.3、SimpleFOC的偏置校准对比

• 想要理解ODrive的偏置校准，建议先理解SimpleFOC的偏置校准。
  请看这篇教程：SimpleFOC移植STM32（四）—— 闭环控制，零点校准部分。

• SimpleFOC的偏置校准是用简单的方法实现简单的功能，
  ODrive的偏置校准是用复杂的方法实现简单的功能，当然ODrive的适应性可能会更好。

• SimpleFOC中，设置电角度为0，读取此时的机械角度，再把读到的角度限制在[ 0, 2Pi/PP ]范围内，得到的就是偏置角。因为被限制了范围，所以同一个电机无论上电位置如何，计算结果都是相同的。

• ODrive中，可以理解为设置电角度为0，读取到的角度就是偏置角，不限制范围，所以偏置角的个数和电机极对数对应。比如电机是7对极，那么这个电机就最多有7个不同的偏置角。下面我们解释为什么有7个。
   

3.5、代码说明

3.5.1、校准代码，下图：

代码中有注释，我们只说难点，
encvaluesum，每1ms累加一次角度，最后再除以累加次数，这是求平均值的算法，得到的是中点的角度，
校准时转过了16Pi的距离，中点位置就是8Pi，所以phase_offset是8Pi电角度时对应的机械角。
之所以要正反转8对极，就是为了尽可能的平均误差，保证校准的可靠性。
 
3.5.2、查看校准结果

7对极的电机，每对极对应的cpr = 16384/7=2340.57，它的偏置值有7个，上面检测的其中一个偏置角=4071，可以推测出其它6个偏置角为：6411、-610，-2951，-5291，-7632，1731。ODrive的角度取值范围是 [-Pi, Pi]，对应[-8192, 8192]。
每次校准前转动约一个电角度，检测值如下：

与计算值完全相同，
按照simpleFOC的算法，这7个值其实本应该是一个值。
提前透漏习下，在下一节的闭环控制中，保存其中任一个偏置角，上电跳过检测，都可以让电机稳定转动。
ODrive官方代码上电无法跳过检测，这个我们下一节再解释。
 
SPI接口读出的是绝对值，所以同一个电机，偏置值是固定的，可以保存下来，以后上电跳过检测；
ABZ是增量编码器，每次上电都从0开始，所以偏置值不确定，需要每次上电都先检测，这点在SimpleFOC中已经说明过。

 
 
 
 
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（完）