ODrive移植keil（九）—— 抗齿槽效应算法

 
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一、齿槽效应

1.1、齿槽效应的定义

• 在永磁电机中，即使定子中没有电流通过，也会存在一个电磁转矩，这个转矩叫齿槽力矩（Cogging Torque）。
• 用手转动电机，会感觉到它从当前点“跳跃”并“稳定”在另一个点，电机有“一格一格”的顿挫感（俗称颗粒感）。
• 当电机低速转动时，表现为“一顿一顿”，
• 当电机高速转动时，电机的振动和噪声会更大。某疆早期的2312电机齿槽效应非常大，后来的电机齿槽效应明显变小了。
  
   

1.2、产生原因

• 在磁极与铁心垂直的位置（0°和180°）磁阻最大，转矩为0，称之为“不稳定的平衡点”
• 在磁极与铁心正对的位置（90°和270°）磁阻最小，转矩为0，称之为“稳定的平衡点”，如果没有较大负载施加的话，转子可以永久保持在这个位置
• 在两个平衡点之间，磁阻转矩非线性变化，最大值一般是在趋近于定子齿的某一位置。

 

1.3、解决办法

1、斜槽

斜槽所带来的缺点有：会降低感应电动势的基波幅值，进而降低输出功率和输出转矩；电机的漏感和杂散损耗增加，降低电机效率；增加了工艺复杂度。
 

2、磁环代替磁片

早期云台电机有些使用的是磁片，有齿槽效应但比较微弱。现在的云台电机基本都已升级为磁环。
磁环的缺点：铁氧体材质磁性上限低，所以不能做大扭矩的电机，目前主要应用在云台电机上。
 
3、抗齿槽算法
通过编码器调制电机的电流驱动，以补偿一些齿槽转矩波动，并使用电子驱动技术对其进行平滑处理。
目前已知的并且开源的只有ODrive的技术，老外“人确实不错”！
 

4、网上看到一篇专业文章：《齿槽转矩削弱方法及多目标联合仿真优化》https://zhuanlan.zhihu.com/p/549569418
 
 

二、硬件接线

ODrive中默认的抗齿槽算法采样点3600个，AS5047P的ABZ接口只有4000cpr，分辨率太低，而SPI接口是14bit，相当于16384cpr，所以使用SPI接口。

驱动板 购买链接：https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=644329838237
电机 购买链接：https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=643573104607
 

三、ODrive官方代码操作

用官方代码操作，验证控制效果，并获取配置参数，

3.1、固件版本v0.5.1

因为v0.5.1的教程最丰富，所以我一般用v0.5.1的版本操作，
代码移植自v0.5.6，所以本文所有涉及源代码的地方都截图自v0.5.6，
0.5.1和0.5.6的抗齿槽算法功能完全一样，涉及到的抗齿槽源码也完全一样。

 

3.2、抗齿槽校准原理

• 功能很高大上，但出乎意料的是代码非常简单，核心代码就下面这点，
  算法设置了3600个采样点，电机转到指定位置后保存当前的vel_integrator_torque_，
  

• 使用的时候，直接把保存的采样值赋给力矩
  

• 简单的说，就是校准的时候让电机转到指定位置，保持稳定并记录下当前的力矩；使用的时候直接输出保存的力矩，电机快速稳定的转到指定位置。
   

3.3、校准注意事项

• 网上没有讲解抗齿槽操作的教程，我之前操作过很多次都没有成功，
• 阅读代码，可以看出抗齿槽效应的使用只针对位置模式的梯形轨迹模式，选择其它模式无效。
  
• 配置为对应模式，但抗齿槽校准的时候电机始终转不动，即使把位置环P参数和速度环PI参数设置很大还是转不动。后来想想，因为梯形轨迹有上升斜率，限制了每次的最大输出，所以电机转不动。
  
• 设置为直通模式，没有了输出限制，电机就能转动了。所以，在抗齿槽校准前配置为“直通模式”，校准完以后再配置回“梯形轨迹模式”。
  
• index初始化为0，所以抗齿槽校准是从位置0开始。为减少意外可以在配置完位置模式后先让电机转到位置0，再开始校准。
  

3.4、校准操作

//odrive固件版本v0.5.1，电源电压12V，5008电机+AS5047P编码器
//位置模式，梯形轨迹，抗齿槽校准操作
//20231207，loop222@郑州

odrv0.erase_configuration()
odrv0.config.dc_max_positive_current = 30
odrv0.config.dc_max_negative_current = -5.0
odrv0.axis0.motor.config.motor_type = MOTOR_TYPE_HIGH_CURRENT
odrv0.axis0.motor.config.pole_pairs = 7
odrv0.axis0.motor.config.calibration_current = 6
odrv0.axis0.encoder.config.mode = ENCODER_MODE_SPI_ABS_AMS
odrv0.axis0.encoder.config.abs_spi_cs_gpio_pin = 1
odrv0.axis0.encoder.config.cpr = 2**14
odrv0.axis0.controller.config.control_mode = CONTROL_MODE_POSITION_CONTROL
odrv0.axis0.controller.config.vel_limit = 20
odrv0.axis0.controller.config.pos_gain = 50
odrv0.axis0.controller.config.vel_gain = 0.05
odrv0.axis0.controller.config.vel_integrator_gain = 0.5
odrv0.axis0.controller.config.input_mode =INPUT_MODE_TRAP_TRAJ
odrv0.axis0.trap_traj.config.vel_limit = 10
odrv0.axis0.trap_traj.config.accel_limit = 20
odrv0.axis0.trap_traj.config.decel_limit = 20
odrv0.axis0.controller.config.anticogging.calib_pos_threshold = 72
odrv0.axis0.controller.config.anticogging.calib_vel_threshold = 72
odrv0.save_configuration()
odrv0.reboot()

odrv0.axis0.requested_state = AXIS_STATE_FULL_CALIBRATION_SEQUENCE
odrv0.axis0.error
odrv0.axis0.requested_state = AXIS_STATE_CLOSED_LOOP_CONTROL

odrv0.axis0.controller.input_pos = 0      //转到位置0
odrv0.axis0.controller.config.input_mode = INPUT_MODE_PASSTHROUGH  //设置为直通模式
odrv0.axis0.controller.start_anticogging_calibration()   //开始抗齿槽校准
odrv0.axis0.controller.config.input_mode =INPUT_MODE_TRAP_TRAJ   //校准完成，切换回梯形轨迹模式

odrv0.axis0.motor.config.pre_calibrated = True
odrv0.axis0.controller.config.anticogging.pre_calibrated = True
odrv0.axis0.config.startup_encoder_offset_calibration = True
odrv0.axis0.config.startup_closed_loop_control = True
odrv0.save_configuration()
odrv0.reboot()

odrv0.axis0.controller.input_pos = 0.5
odrv0.axis0.controller.input_pos = 0.2
odrv0.axis0.controller.input_pos = 1.8
odrv0.axis0.controller.input_pos = -0.3
odrv0.axis0.controller.input_pos = -1.5
odrv0.axis0.controller.input_pos = 0

 

四、移植后的代码操作

• 在MyProject.h文件中设置参数，下图：
  

• 编译烧写，

• 发送指令“C”，3秒钟后电机“嘀”一声，然后正转8个电角度，反转8个电角度，同时串口打印校准参数。

• 发送指令“G”，电机闭环，

• 发送指令“K0”，电机转到位置0,

• 发送指令“D”，开始抗齿槽校准。校准时间不确定，校完为止，校准完成后电机回到位置0，
  代码中已做了改进，校准时切换直通模式，校准完成后恢复梯形轨迹模式，电机不再“腾”的一下回到位置0，
  校准成功后LED指示灯开始闪烁，方便观察是否校准成功（上电后默认LED不亮）。
  

• 此时可以输入指令查看电机转动效果，“K0.5”或者“K0.9”。

• 如需保存参数，发送指令“A1”，表示已经校准；发送指令“B1”，表示上电进入闭环模式。
  移植后的代码可以跳过上电检测，直接进入闭环，上一节代码中有说明。

• 发送指令“F”，保存，

• 发送指令“R”，重启。

演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1XG411v7hM/?vd_source=33c70ef3713ea86e5385ac1e62223bcf

五、总结

• 5008电机的齿槽效应小，改善效果不明显，用齿槽效应大的电机测试，改善效果还是很明显的。
  
• 位置环P参数和速度环PI参数，影响了抗齿槽的校准速度和运行效果，如果效果不理想可以调试这3个参数，
• 对于齿槽效应大的电机可以放宽校准误差，特别是 ANTIcogging_pos_threshold 参数，以加快校准速度，
• 尽管如此，仍然存在有转到指定位置后电机左右摆动不稳定的情况，大概是当前算法还不够完美。

 
 
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（完）