STM32 ABZ编码器模式详解

        本文旨在记录和说明STM32CubeIde中ABZ编码器的配置。本人作为STM32新手，在使用STM32时，太多的意义不明的配置项让我摸不着头脑，查阅资料并在这里记录，如果有不对的，欢迎各位大佬指正。

        本文硬件使用ST官方提供的NUCLEO-G474RE+X-NUCLEO-IHM16M1，记录ABZ的配置过程。

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ABZ编码器

本文使用的是磁电增量式编码器

原理：利用霍尔效应，将位移转换成计数脉冲，用脉冲个数计算位移和速度。具体原理如下图所示

图中，磁电增量式编码器的结构包含：磁盘、霍尔传感器以及信号转换电路 3 个部分，其中，磁盘是由一个个交替排布的 S 极和 N 极磁极组成；霍尔传感器可以把磁场的变化转换成电信号的变化，它通常有 A、 B 两相（有的还有 Z 相），这两相的安装位置形成一定的夹角，这使得输出的 A、 B 两相信号有 90°的相位差；信号转换电路可以把电信号转换成脉冲信号。
在实际应用中，磁盘会装在电机的转轴上，它会随着电机的转轴旋转，而磁盘上面的 S 极和 N 极就会交替地经过霍尔传感器的 A、 B 两相，霍尔传感器就可以把磁盘上的磁场变化转换为电信号的变化，输入到信号转换电路中，经过信号的转换之后，我们就可以得到 A、B 两相脉冲信号了。从上图中可以看到， A、 B 两相脉冲信号存在 90°的相位差，而磁盘的正反转方向就决定了是 A 相信号在前还是 B 相在前。

定时器模式

编码器模式

我们选择定时器1，配置Combined Channels为Encoder Mode +Index。

编码器模式简单来说就是一个带方向的外部时钟，根据方向从0增加到ARR寄存器的值或者从ARR寄存器的值减少到0。

具有index的编码器有三个输出:A和B，用于控制计数器和索引的递增/递减；index,也就是Z信号，在每转一圈触发一次。在时序图中，当轴到达特定位置时产生零脉冲。

Encoder Mode + Index：就是有AB两相进行计算的变化，将Z相接入tim_etr_in，发出信号时会自动将计数重置，不需要我们手动增添计数重置的代码。同时，Index检测事件根据计数方向的不同而不同，以确保在速度反转期间对称操作：

在计数增加时，重置为0；

在计数减小时，重置为ARR寄存值；

One Pulse Mode

简单来说，该模式通过PWM mode、CCR、ARR的值生成一个脉冲后停止定时器计数。

具体参考：

STM32 - 定时器的设定 -高级- 08 - One-pulse mode - 触发波的实现 - 可变长度和相位_one pulse mode-CSDN博客

定时器配置

Count Settings AND Trigger Output(TRGO) Parameters

之前我们提到，编码器模式就像外部时钟一样，所有捕捉，比较，分频，重复计数，触发都和定时器一样。具体可以参考我写的另一篇PWM配置文章

STM32CubeIde中互补PWM配置项的详细解读_chn ldle state-CSDN博客

Encoder

Index Position

这个选择是指出现Index信号时，检测到AB两相处于什么状态时，进行计数重置，如下图为检测到AB都为高电平，才对编码器计数进行重置。

Index Direction

该值修改IDIR[1:0]的值，表示index信号被激活仅在指定的方向。电机有正反转，所以我们这里选择无论方向都重置。具体的图例如下。

Encoder Mode

该模式选择编码器时钟的计数方式，计数模式分为3种，分别为正交编码器模式、时钟加方向模式、定向时钟模式。

正交编码器模式：

Encoder Mode TI1：只通过TI1计数，计数2分频

Encoder Mode TI2：只通过TI2计数，计数2分频

Encoder Mode TI1 and TI2：通过TI1和TI2计数，计数4分频

Encoder Mode x1_TI1：只通过TI1计数，计数1分频

Encoder Mode x1_TI2：只通过TI2计数，计数1分频

示例如图所示

接下来我们讲解一下正交编码器计数原理

编码器接口可以利用输入脉冲的边沿进行计数，我们通过计数值的变化量，就可以算出输入脉冲信号的变化量，也就可以进一步计算出电机的转速了。接下来我们看一下编码器接口是如何根据脉冲边沿计数的，它的计数方向与输入脉冲信号的关系如表所示：
 

表来自于《STM32G4xx 参考手册_V7（英文版） .pdf》中的表 75（第 415 页），上表中的有效边沿我们可以通过代码去配置，一共有 3 种边沿检测方式，其中仅在 TI1 处计数表示只检测 TI1 上的脉冲边沿变化，这时候的计数方向需要结合 TI2FP2 上的电平情况来确定，其他的两种边沿检测方式原理也是一样的，下面我们以一个实例来理解这个表格的内容：
假设我们把 A 相接在 CH1（TI1）， B 相接在 CH2（TI2），选择仅在 TI1 处计数（仅检测A 相边沿）。此时编码器接口计数方向和输入脉冲信号的关系如下表：

编码器输出的 A、 B 两相脉冲信号如图所示：

图 中， A、 B 两相输出的脉冲信号有两种情况：当编码器正转， A 相在前；当编码器反转， B 相在前，我们选择仅在 TI1 处计数，也就是只检测 A 相的边沿。接下来我们分别介绍这两种情况下的计数方向：
正转：当 A 相上升沿到来时（图中①处），我们需要关注 B 相的电平高低，从图中可看到 B 相此时是低电平，结合表，可以得知此时计数方向为递增计数；当 A 相下降沿到来时（图中②处），从图中可以看到 B 相此时是高电平，结合表，可以得知此时计数方向为递增计数；当 A 相上升沿再次到来时（图中③处），同理可得此时计数方向为递增计数。综上所得，我们可以知道此时编码器正转对应的计数方向就是递增计数。
反转：当 A 相上升沿到来时（图中④处），我们需要关注 B 相的电平高低，从图 中可看到 B 相此时是高电平，结合表，可以得知此时计数方向为递减计数；当 A 相下降沿到来时（图中⑤处），从图中可以看到 B 相此时是低电平，结合表 ，可以得知此时计数方向为递减计数；当 A 相上升沿再次到来时（图中⑥处），同理可得此时计数方向为递减计数。综上所得，我们可以知道此时编码器反转对应的计数方向就是递减计数。
上述的就是仅在 TI1 处计数的实例分析，其他两种边沿计数方式的原理是一样的，大家可以举一反三，我们这里就不再展开分析。

其他编码器模式

除了正交编码器模式，定时器提供支持其他两种类型的编码器。在顶部时序图所示的“时钟加方向”模式中，时钟提供在TI2上的单线上，而方向是使用TI1输入强制的。在下面时序图所示的“定向时钟”模式下，时钟在两条线上，根据方向，同时有一条单时钟线，这样就有一条上行时钟线和一条下行时钟线。

实例

下图为编码器更新的函数，通过__HAL_TIM_GET_COUNTER()获取ABZ计数值

int UpdataEncoderCnt(void)
{
	//获取电机读数
	encoderDef.preCnt = encoderDef.cnt;
	encoderDef.cnt = (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim4);
	//计算电机偏移量
	encoderDef.incCnt = ModifyIncCnt(encoderDef.cnt - encoderDef.preCnt);
	// 获取真实的编码器计数值
	int realCnt = encoderDef.cnt - encoderDef.offsetCnt;
	// 当计数值为负数时，加上一圈的计数数
	while(realCnt<0)
	{
		realCnt += ABZ_PULSE * 4;
	}
	// 计算真实的角度值
	encoderDef.angle=realCnt*2*3.1415926f / ABZ_PULSE / 4;
	// 计算电角度
	encoderDef.elecAngle = encoderDef.angle * MOTOR_POLE;
	// 返回编码器读数
	return encoderDef.cnt;
}