抗齿槽转矩算法的一次实现(Cogging Compensation)

Mon, 10 Aug 2026 00:00:00 +0000

先来看实现低速跟踪效果，同一组PID参属下的两种形式：

关闭齿槽转矩补偿	开启齿槽转矩补偿

给 FOC 加上抗齿槽转矩：一次从“原地抖动”到成功标定的实践

最近在 P-NUCLEO-IHM03、MS4015 云台电机和 MT6701 磁编码器组成的 FOC 平台上，因为前期写完了FOC驱动代码，电流环性能调的非常好了已经，但是低速控制下速度环参数不知道什么问题整定一直没调好，故引入了一套抗齿槽转矩的功能，实测对低速下的优化效果非常不错，故分享一下。

为什么要做抗齿槽转矩补偿

永磁电机在低速运行时，常能感觉到转子在某些角度更容易停住。这种与机械角度相关的周期性转矩，会带来一些典型问题：

低速运行不均匀；
速度环容易出现周期性波动；
位置环在目标附近轻微振荡；
为克服局部阻力而提高积分后，又容易发生过冲。

单纯继续提高 PI 或 PD 参数通常不能真正解决问题，因为齿槽转矩是一种与转子位置相关、可重复出现的扰动。

更合适的方法是提前学习这种扰动，然后根据转子的机械角度增加一个补偿电流，也就是前馈补偿：

`1`	`最终 Iq = 闭环控制器输出 + 当前角度对应的前馈补偿`

闭环控制器继续负责稳定和纠正误差，查表前馈则负责提前抵消周期性的齿槽转矩。查表法也是一种工程上被最广泛使用的方法吧，抑制齿槽转矩其实还有更好的方案，例如使用数学方法，如谐波函数补偿，学术界更是有很多牛上天的方法，但是此处就先使用工程上被验证过多次的查表法。

算法设计来源

主要思路参考了 ODrive 开源固件中的 Anticogging 功能。

ODrive 的基本思想是：让电机依次到达一圈内的各个位置，记录维持该位置所需要的转矩，然后生成一张与机械角度对应的补偿表。正常运行时，再根据编码器角度查表并叠加前馈。

本项目同样采用了 3600 个采样点，也就是每 0.1° 一个补偿值。

不过，我最终没有完全照搬“每个位置停稳后采样”的运动方式。原因是不同电机和机械系统的摩擦特性差别很大，适合 ODrive 原始应用场景的方法，并不一定能直接用于当前电机。

参考资料：

最终方案：低速连续扫描

最终采用的是低速、单方向、连续扫描一整圈：

使用一套独立且比较保守的速度控制器；
缓慢增加驱动电流，让电机平稳克服静摩擦；
确认电机已经连续转动后，再锁定正式扫描起点；
让电机以很低的速度单方向旋转一整圈；
每经过一个 0.1° 区间，就记录该区间内的平均 q 轴电流；
完成 3600 点后停止电机并保存结果；
正常运行时，根据 MT6701 的单圈角度查表并进行插值。

flowchart LR
    A["缓慢起转"] --> B["确认连续运动"]
    B --> C["低速扫描一圈"]
    C --> D["按角度区间记录平均 Iq"]
    D --> E["去除整表平均值"]
    E --> F["保存补偿表"]
    F --> G["运行时查表前馈"]

连续扫描不再要求电机精确停在每个 0.1° 目标点，因此绕开了最容易发生粘滑振荡的工作状态。

为了避免电机在扫描过程中再次正反抖动，还加入了几个保护思路：

驱动电流缓慢建立；
减小电流时可以更快，但反向制动力受到严格限制；
控制器包含抗积分饱和；
只有确认电机已经连续起转，才开始正式记录数据；
如果长时间没有新的角度进度，就自动停止并报告失败。

为什么要对补偿表去均值

连续单方向旋转时，测得的电流不仅包含齿槽转矩，还包含轴承摩擦和其他近似恒定的负载。

如果直接保存，就会在所有角度都附加一个固定方向的电流，这并不是我们想要的结果。

因此完成一圈采样后，需要先计算整张表的平均值，再让每个采样点减去这个平均值：

`1`	`最终补偿值 = 原始采样值 - 全部采样点的平均值`

这样可以去掉大部分恒定摩擦和直流偏置，保留随角度周期变化的部分。

严格来说，这张表学习到的不一定只有纯粹的齿槽转矩。磁铁偏心、编码器安装误差和位置相关摩擦等可重复扰动，也可能被记录进去。但只要这些扰动与机械角度稳定对应，查表前馈仍然能够改善实际控制效果。

最终效果

改成连续扫描后，电机不再停留在第一个点正反抖动，而是能够平稳地完成一整圈标定，并自动保存补偿结果。

实际启用补偿后，低速和位置控制效果有了明显改善。这也说明查表前馈的方向是有效的，而最初失败的主要原因并不是算法思想错误，而是采集方式没有适配这台电机的静摩擦特性。

这次调试得到的经验

1. 不要只照搬算法流程

同一个算法在不同电机、轴承、负载和编码器结构上，可能需要完全不同的标定运动方式。应保留核心思想，同时根据真实机械特性调整实现。

2. 电机抖动不一定是增益太小

当电流已经频繁达到正负限幅时，继续提高 Kp 或 Ki 往往只会让抖动更激烈。此时应检查控制结构是否已经变成近似的正反开关控制。

3. 静摩擦是低速标定的重要限制

如果目标位移小于突破静摩擦后的自然位移，逐点定位就很难稳定。连续扫描通常比反复停止更适合这种系统。

4. 诊断数据比主观观察更可靠

同时观察目标位置、实际位置、速度和 Iq，可以快速判断究竟是方向错误、编码器异常，还是控制器饱和。

5. 前馈补偿不能替代闭环

抗齿槽表只是帮助闭环控制器减轻周期扰动，电流环、速度环和位置环本身仍然必须保持稳定。启用补偿后，也应该重新检查外环是否需要小幅调整。

结语

这次实现最重要的改进，不是找到了一组更大的控制参数，而是把标定方式从“每隔 0.1° 停下来”改成了“低速连续扫描”。

核心经验可以概括为：

当控制器无法在极小位置步长上战胜静摩擦时，不要继续强行提高增益；换一种不需要反复突破静摩擦的采集方式，往往更有效。

最终保留了 ODrive 查表前馈的核心思想，又针对当前电机的实际特性完成了适配。这也正是开源算法落地到真实硬件时最有价值的部分。

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