编码器校准
FOC 编码器零点与偏移量标定笔记
1. 初始位置定位 (Rotor Alignment)
1.1 初始位置定义
对电机进行矢量控制（FOC）的前提，是必须明确转子的初始位置，或将其直接定位到已知的初始位置。在 FOC 坐标系中，各轴的定义如下：
| 坐标系 | 轴 | 说明 |
|---|---|---|
| \(\alpha\beta\) 静止坐标系 | \(\alpha\) 轴 | 固定，与定子 A 相轴线重合 |
| ABC 三相静止坐标系 | A（U）轴 | 固定，与 \(\alpha\) 轴重合 |
| 转子永磁体 | N 极 | 固定于转子本体 |
| \(dq\) 同步旋转坐标系 | \(d\) 轴 | 随转子同步旋转，与转子磁极（N 极）方向一致 |
1.2 零点校准
将 \(dq\) 坐标系下的 \(d\) 轴（转子磁极方向）转到与 \(\alpha\beta\) 坐标系下的 \(\alpha\) 轴（定子 A 相轴线）重合，此时的电角度 \(\theta = 0°\) ，称为电机的电气零点。
1.3 转子对齐条件
当电角度 \(\theta = 0°\) 时，注入电流满足 \(I_d = I_m\) ， \(I_q = 0\) 。根据克拉克（Clarke）和帕克（Park）变换可知，这会在 A 相轴线方向产生一个方向固定不变的恒定磁场，从而将转子永磁体（N 极）吸引并最终对齐至 \(\alpha\) 轴方向，实现零角度的初始定位。
1Id ≠ 0 // 注入 d 轴电流，产生固定方向的磁场
2Iq = 0 // q 轴电流为零，不产生转矩，转子不会旋转
2. 编码器校准原理
2.1 安装偏差 \(\theta_{\text{offset}}\)
编码器安装完成后，电机 A 相轴线与编码器 Z 相（零点标志位）的相对物理位置便已固定。然而，由于编码器通常由人工手动安装，其初始 0° 位置很难与电机转子磁极（ \(d\) 轴）的 0° 位置完美重合，必然存在安装偏差：
编码器 0° ≠ 电机 d 轴 0°
为了修正这一偏差，引入 \(\theta_{\text{offset}}\) （电角度偏移量），它是电角度零点与编码器机械零点之间的偏移量。该偏差由机械安装决定，只要后续不拆卸编码器，该值就是恒定不变的。因此，只需在初次标定后将 \(\theta_{\text{offset}}\) 写入控制器程序进行软件补偿。
2.2 角度关系
| 符号 | 含义 | 说明 |
|---|---|---|
| \(\theta_{\text{mech}}\) | 编码器读出的机械角度 | 已知量，单位：rad 或 ° |
| \(\theta_{\text{elec}}\) | 电角度 | \(\theta_{\text{elec}} = \theta_{\text{mech}} \times p\) （ \(p\) = 极对数） |
| \(\theta_d\) | 实际注入 FOC 的电角度 | \(\theta_d = \theta_{\text{elec}} - \theta_{\text{offset}}\) |
补充公式：
电角度 = 机械角度 × 极对数
2.3 增量式编码器的上电预定位
增量式编码器不具备断电位置记忆功能，每次系统上电时，控制器无法确知转子的绝对物理位置（转子初始角度是随机的）。因此，断电重启后必须进行初始相位对齐（预定位）。通常采用以下两种方式：
| 方式 | 说明 |
|---|---|
| 手动定位 | 通过人工手动旋转电机轴，将其对齐到已知的零度物理标记处。 |
| \(I_d\) 直流注入定位（强拉） | 在未知真实电角度的情况下，向电机注入特定的直流电流（ \(I_d > 0, I_q = 0\) ），产生一个固定方向的定子磁场。该磁场会强制将转子拖拽并锁定至预设的"假电角度"。待转子稳定后，控制器即可将当前位置标定为基准的"真电角度"，完成零位初始化。 |
注意： 绝对式编码器自带绝对位置信息，上电即可直接读取真实角度，无需预定位校准。增量式编码器则必须重新校准。
3. 校准与启动步骤
3.1 前提假设
- 编码器可以正常读取角度。
- 电机旋转一圈，编码器读数能在 0° ~ 360° 之间线性变化。
3.2 核心原理
把转子强制拉到电气零点，此时编码器告诉你的电角度，就是偏移量 \(\theta_{\text{offset}}\) 。
强制对齐操作：注入 \(V_d > 0, V_q = 0\) ，定子线圈会产生一个方向固定不变的恒定磁场，转子被磁力拉到 \(d\) 轴 = 0° 的位置，此过程不需要电机转圈。
3.3 ABZ 编码器校准流程
核心思路：D 轴注入 → 锁定转子并清零 → 旋转找 Z → 读取 Offset
| 步骤 | 操作 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | D 轴强定位 | 给电机注入直流电（ \(I_d = I_{\text{test}}, I_q = 0\) ），此时转子被强行吸合到电角度 \(0°\) 的位置。 |
| 2 | 等待稳定 | 延时等待转子完全静止（通常 100ms ~ 300ms）。 |
| 3 | 强行清零 | 在转子被锁死、完全静止后，软件直接将单片机里的编码器计数器清零（设为起点）。 |
| 4 | 旋转找 Z | 撤销直流电，让电机开环转动起来（例如通过 V/F 控制慢速旋转，或者用手拨动转子）。 |
| 5 | 捕获 Z 相 | 当电机转到某个位置，触发 Z 相脉冲中断，单片机立刻读取那一瞬间的编码器读数。 |
| 6 | 记录 Offset | 此时读出来的角度值，直接就是偏移角 \(\theta_{\text{offset}}\) ，写入 Flash 保存。 |
绝对式编码器 无需步骤 4~5，在步骤 2 转子锁定后，直接读取编码器角度即可得到 \(\theta_{\text{offset}}\) 。
3.4 关键参数设置
| 参数 | 推荐值 | 说明 |
|---|---|---|
| 对齐电流 \(I_d\) | 额定电流的 10% ~ 30% | 过小则吸合力不足，转子无法可靠对齐；过大则可能引起磁饱和或发热。 |
| 对齐延时 | 100ms ~ 300ms | 需等待转子振荡衰减至静止，确保读数稳定。 |
| 开环慢转速度 | 30 ~ 60 RPM | 速度足够慢，确保能可靠捕获 Z 相脉冲，同时避免错过中断。 |
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