STM32编码器测速_stm32电机测速

        本文是用STM32F103C8T6，通过磁电增量式编码器测量直流有刷电机速度的学习笔记。

编码器简介

        编码器是一种能将直线位移、角位移数据转换为脉冲信号、二进制编码的设备。它本质上就是一个传感器，可以把角位移或直线位移转换成电信号，并反馈给控制器，使控制器知道当前机械运动的位置、角度等信息。

        编码器按照检测原理可以分为光电式和磁电式；按照编码类型可分为增量式和绝对式。在实际的应用中，这四类编码器并不是相对独立的，它们经过组合后，就变成了光电绝对式、光电增量式、磁电绝对式和磁电增量式这四种编码器。

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。磁电增量式编码器的具体工作原理如图：

         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。

光电绝对式编码器

        原理：当码盘处于不同位置（角度）时，光敏元件根据受光与否转换出相应的电平信号，最后转换成二进制数输出。光电绝对式编码器的结构总体来说和光电增量式很类似，都是由光电码盘、光源、透镜、受光元件以及信号转换电路 5 个部分，但是它们码盘结构和输出信号含义不同。光电绝对式编码器的自然二进制码盘如图：

         光电绝对式编码器的二进制码盘上有很多圈线槽，我们称为码道。上图中的二进制码盘有 4 个码道，按照自然二进制的方式排列，这个码盘一共被分为 2^4 = 16 个区域，这些区域中，黑块不透光，代表 1；白块透光，代表 0。当码盘随着电机转轴旋转，光线会照射到不同的区域，受光元件就能感受到不同的光线情况，最后经过信号的处理，就可以直接输出该区域对应的二进制码了，而我们通过这个二进制码即可得出码盘（电机转轴）的当前位置（角度）。大家需要注意：二进制码盘的每一个位置对应一个确定的二进制码，因此这一类编码器常被应用于位置以及角度测量。上述的自然二进制码盘读数很方便直观，但是它在实际应用中容易造成读数偏差很大，例如：当码盘停止旋转时，光线照射在 0000 和 1111 这两个相邻的区域之间，此时输出的二进制数可能是 0000~1111 中的任何一个，此时的读数和码盘的实际位置可能就相差很远了。为了避免读数和实际位置出现巨大偏差，我们可以改进一下二进制码的排列方式，使用格雷码形式，如图：

        格雷码盘有 4 个码道，同样的也能表示 16 个二进制数，但是任意相邻的两个区域之间的二进制码只有一位不同。当我们采用格雷码盘时，如果码盘停止旋转，光线照射到码盘相邻两个区域之间，其最终输出的二进制数最多只会相差一位，此时位置的偏差范围就很小了。

STM32的编码器接口

        直流有刷电机的编码器有 A、B 两相，它们会输出两个相位差为 90°的脉冲。当电机正转时，A 相脉冲在前；当电机反转时，则是 B 相脉冲在前。有了 A、B 两相脉冲信号之后，我们应该如何去处理这些信号，把它们转换成电机的转速呢？这里就涉及到一个非常重要的功能：定时器编码器接口模式。STM32 定时器的编码器接口模式就相当于带有方向选择的外部时钟，也就是说，在此模式下，外部输入的脉冲信号可以作为计数器的时钟，而计数的方向则是由脉冲相位的先后所决定的。定时器编码器接口模式的原理如图：

         当电机（编码器）正转时，输出两相脉冲信号，A 相脉冲在前，此时编码器接口把脉冲信号作为计数器的脉冲，计数方式为递增计数；当电机（编码器）反转时，计数方式就变成了递减计数。

编码器接口框图

         A、B 两相脉冲信号从 TIMx_CH1 和 TIMx_CH2 这两个通道输入，经过滤波器和边沿检测器（可以设置滤波和反相）的处理，进入到编码器接口控制器中，生成CK_PSC，成为定时器的时钟。大家需要注意，定时器共有四个通道，通道3和通道4是不支持编码器模式的，只有通道1和通道2支持编码器模式，基本定时器TIM6和TIM7没有编码器模式。

输入滤波器：主要用于对输入信号进行滤波，例如设置输入滤波器为10，则会采样十次，如果这十次采样电平都是高或都是低则为有效电平，如果在高低电平之间波动，则为无效电平，直接过滤掉

边沿检测器：主要用于设置输入捕获边沿是否反相，如果设置反相，采集到的脉冲会和实际的脉冲相反，比如实际脉冲是上升沿，会采集成下降沿，一般设置不反相。

编码器接口计数原理

        编码器的计数方向与脉冲信号的关系如下：

        下面以一个例子来讲解上图， 假设我们把 A 相接在 TI1，B 相接在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：

         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 7.2.2，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 7.2.2，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 7.2.2，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 7.2.2，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。

        注意：选择仅在 TI1 或者 TI2 处计数，就相当于对脉冲信号进行了 2 倍频（两个边沿），此时如果编码器输出 10 个脉冲信号，那么就会计数 20 次。如果选择的是在 TI1 和 TI2 处均计数，就相当于对脉冲信号进行了 4 倍频（四个边沿），此时如果编码器输出 10 个脉冲信号，那么就会计数40 次。

编码器速度换算方法

        先来了解几个必要参数：

①、电机减速比：在对电机输出扭矩（即输出的力）有高要求的场景，我们会给直流有刷电机加上减速齿轮组，以增大输出扭矩，因为电机扭矩和转速成反比，因此可以降低转速来提高扭矩，本实验采用的电机减速比是1：30，也就是说电机输出转轴转一圈，内部线圈，也就是编码器转轴转了30圈。

②、编码器线数：编码器的线数指编码器的转轴每旋转一圈所输出的脉冲数，本实验采用的编码器线数是11，也就是说编码器转轴转一圈，输出11个脉冲，结合减速比可得电机转轴转一圈，输出30*11 = 330个脉冲。可以据此来计算电机的瞬时速度。

③、定时器重装载值ARR：编码器输出的脉冲作为定时器的输入，每采集到一个脉冲，定时器的计数器就加一，当加到重装载值ARR时会产生溢出，如果是正转会向上溢出，反转会向下溢出，一般设置ARR为65535。

④、预分频系数：编码器输出的脉冲作为定时器的输入，预分频分的就是脉冲数，如果预分频系数为2，假设电机旋转一圈产生100个脉冲，则此时你单片机只能记录50个脉冲，一般不分频。

        综上所述，电机转一圈，编码器采集到330*4/PCS个脉冲，再用定时器定时m秒，记录m秒内溢出的次数为n次，得到速度为 v=( n * ARR+当前的计数值) / （330 * 4 / PSC ）/ m 。

        上式中的330是减速比乘上线数，4是设置在 TI1 和 TI2 处均计数时，采集到的脉冲会乘4，PSC是分频值，ARR是重装载值，得到的结果单位是转每秒。

实验代码

        以下代码是通过定时器3的通道1（PA6）和通道2（PA7）设置为编码器模式以采集脉冲数。

整体流程如下：

①、使能定时器3时钟和GPIOA时钟

②、初始化两个IO为浮空输入

③、初始化定时器参数

④、配置定时器为编码器模式

⑤、初始化输入捕获通道

⑥、初始化NVIC中断

⑦、使能定时器更新中断，使能定时器

extern int    Encoder; //当前速度
void MotorEncoder_Init(u16 arr,u16 psc)
{
    GPIO_InitTypeDef            GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef     TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef           TIM_ICInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef            NVIC_InitStructure;
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);//使能定时器3时钟 
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA , ENABLE);  //使能GPIO外设时钟使能
    
    //配置定时器复用GPIO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; //TIM3_CH1
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;  //浮空输入，输入编码器脉冲
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7; //TIM3_CH2
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;  //浮空输入，输入编码器脉冲
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    //初始化定时器
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 65535; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值     80K
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =0; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值  不分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //一般不使用，默认TIM_CKD_DIV1
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); 
    //编码器模式配置，定时器3，双边沿检测，也就是四倍频，输入极性不反向
    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
    
    //输入捕获通道设置
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel     = TIM_Channel_1;//通道1
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity  = TIM_ICPolarity_Rising;//上升沿捕获       
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;//TI1直接连到IC1
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;//捕获不分频，每个上升沿都捕获
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter    = 0x06;//输入比较滤波器
    TIM_ICInit(TIM3,&TIM_ICInitStructure);
    
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel     = TIM_Channel_2;//通道2
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity  = TIM_ICPolarity_Rising;       
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;                   
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter    = 0x06;
    TIM_ICInit(TIM3,&TIM_ICInitStructure);
    
    //NVIC中断配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;                                  
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;    
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;                   
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;                               
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
 
    TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update  );//清除中断和捕获标志位
    TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);//清除中断标志位
 
    /*开启编码器溢出中断*/
    TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
 
    TIM3->CNT = 0;	//定时器计数归零
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);   //启动定时器
}

//读取编码器
int Read_Encoder(void)
{
    uint16_t value_1;
    int16_t value_2;
    value_1=TIM_GetCounter(TIM3);//获取当前计数值
    TIM_SetCounter(TIM3,0);//将当前计数值清零
    value_2 = TIM3_Circle_Count;//获取溢出次数
    TIM3_Circle_Count = 0;//溢出次数清零
		return value_1 + value_2*65535;//计算总计数值
}
void TIM3_IRQHandler()
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)  //判断如果是定时器溢出中断
	{
//DIR==0，判断当前计数方向，如果是向上计数表示正转，则溢出次数++		
        if((((TIM3->CR1)>>4) & 0x01)==0)TIM3_Circle_Count++;
//DIR==1，向下计数表示反转，溢出次数--
		else                            TIM3_Circle_Count--;
	}
    TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update  ); //清除中断标志
 
}

关于编码器测速计算的坑

        使用上述代码计算编码器脉冲时遇到了以下问题，当电机反转时，计数器会向下计数，然而每次计数器都会从0开始计数，所以就会直接溢出，从65535向下计数，TIM_GetCounter返回值的类型是uint16_t，也就是无符号，只有正数，如果用int型接收，32767到65535的部分会变成-32767到-1，加上溢出次数乘65535就会变成很大的负值，导致出错，所以value1必须用uint16_t接收，另外计算溢出次数时，如果是反转溢出次数会变成负数，所以value2必须用有符号类型int接收。

        下面用通用定时器2产生定时中断，在中断中周期性采集编码器脉冲并打印，定时周期等于1000*（7200/72000000） = 0.1s，两个通道都采集，采集到的脉冲数是正常的四倍，所以要除以4，线数是11，减速比是30，所以还要除以330，要求1s的转数还要乘10，最后转速为speed = (float)Encoder*10/4/11/30，单位为转每秒。

/**************************************************************************
函数功能：通用定时器2初始化函数，
入口参数：自动重装载值 预分频系数 默认定时时钟为72MHZ时，两者共同决定定时中断时间
返回  值：无
**************************************************************************/
void EncoderRead_TIM2(u16 arr, u16 psc)
{
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStrue; //定义一个定时中断的结构体
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStrue; //定义一个中断优先级初始化的结构体
	
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); //使能通用定时器2时钟
	
	TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_Period=1000; //计数模式为向上计数时，定时器从0开始计数，计数超过到arr时触发定时中断服务函数
	TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_Prescaler=7199; //预分频系数，决定每一个计数的时长
	TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //计数模式：向上计数
	TIM_TimeBaseInitStrue.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; //一般不使用，默认TIM_CKD_DIV1
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStrue); //根据TIM_TimeBaseInitStrue的参数初始化定时器TIM2
	
	TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE); //使能TIM2中断，中断模式为更新中断：TIM_IT_Update
	
	NVIC_InitStrue.NVIC_IRQChannel=TIM2_IRQn; //属于TIM2中断
	NVIC_InitStrue.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE; //中断使能
	NVIC_InitStrue.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1; //抢占优先级为1级，值越小优先级越高，0级优先级最高
	NVIC_InitStrue.NVIC_IRQChannelSubPriority=1; //响应优先级为1级，值越小优先级越高，0级优先级最高
	NVIC_Init(&NVIC_InitStrue); //根据NVIC_InitStrue的参数初始化VIC寄存器，设置TIM2中断
	
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能定时器TIM2
}
 
/**************************************************************************
函数功能：TIM2中断服务函数 定时读取编码器数值并进行速度闭环控制 10ms进入一次
入口参数：无
返回  值：无
**************************************************************************/
void TIM2_IRQHandler()
{
  if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update)==1) //当发生中断时状态寄存器(TIMx_SR)的bit0会被硬件置1
	{
	  Encoder=Read_Encoder();   //读取当前编码器读数
        //因为定时器周期是0.1s，要得到1s的速度需要乘10，4是因为两个通道都采集，采集到的是四倍频，需要除以4，11是线数，30是减速比。
		Encoder = (float)Encoder*10/4/11/30;
         printf("编码器收到的值为：%d\r\n",Encoder);
			
		TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); //清除中断标志
	}
}

关于编码器初始化的坑

        在初始化过程中必须要清除定时器溢出中断标志位，此标志位默认置1，如果不清除标志位会默认进入一次溢出中断，第一次采集到的编码器脉冲数会加上65535，导致测速错误。

TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);//清除中断标志位