基于STM32F407的直流減速電機(jī)編碼器方案

首先，什么是編碼器？

編碼器是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。在這里，編碼器就是能夠?qū)㈦姍C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息（比如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)角度等）轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)的設(shè)備。按照原理可分為（常見的）光電編碼器（光學(xué)式）和霍爾編碼器（磁式）。

編碼器的作用以及為什么要用編碼器？

如上所述，編碼器能夠?qū)㈦姍C(jī)的機(jī)械幾何位移轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)或數(shù)字量。也就是說，有了編碼器，我們通過檢測(cè)編碼器輸出的脈沖信號(hào)，就能獲取電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)速等相關(guān)信息。這樣我們不但能定性的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速，還能定量的測(cè)量。

編碼器的原理是什么以及怎么運(yùn)用呢？

簡(jiǎn)單來說，就是電機(jī)帶動(dòng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤的結(jié)構(gòu)使得當(dāng)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生A、B兩相的脈沖信號(hào)，且這兩路脈沖信號(hào)的相位差為90度（即正交）。如下圖：



由于A、B信號(hào)正交，因此可以根據(jù)兩個(gè)信號(hào)哪個(gè)先哪個(gè)后來判斷方向，根據(jù)每個(gè)信號(hào)脈沖數(shù)量的多少及每圈電機(jī)產(chǎn)生多少脈沖數(shù)就可以算出當(dāng)前行走的距離，如果再加上定時(shí)器的話還可以計(jì)算出速度。

好了，現(xiàn)在我們的處境是，我們有一個(gè)帶編碼器的直流減速電機(jī)，我們知道當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，它會(huì)產(chǎn)生A、B兩相正交脈沖信號(hào)，通過檢測(cè)脈沖信號(hào)我們就可以獲取電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況。

我們通過什么手段來檢測(cè)脈沖數(shù)呢？

其中一種思路是，我們通過定時(shí)器的輸入捕獲或者GPIO引腳的外部中斷來檢測(cè)邊沿變化，以此來檢測(cè)脈沖數(shù)。這方法好像沒毛病，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)行得通。但是如果電機(jī)輸出的脈沖信號(hào)出現(xiàn)了毛刺呢？這樣誤差就來了，怎么辦？通過軟件編寫算法來濾去毛刺似乎有點(diǎn)困難，于是我們想到通過硬件來處理這個(gè)毛刺。（而STM32正好有硬件編碼器，nice?。?br />
這里的脈沖輸入是一種特殊的輸入捕獲情況，因此stm32專門在定時(shí)器中提供了編碼器模式，可大大簡(jiǎn)化解析過程。

STM32的編碼器接口模式

在該模式下能計(jì)算電機(jī)輸出脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，且stm32根據(jù)其內(nèi)部機(jī)制能夠消除毛刺的干擾。

配置過程：

由于編碼器接口模式是一種特殊的輸入捕獲，所以要先配置一下輸入捕獲（畢竟你要通過捕獲邊沿來檢測(cè)脈沖）。在輸入捕獲過程中，我們把A6、A7復(fù)用為TIM3，作為輸入捕獲的引腳，對(duì)電機(jī)的A、B相脈沖進(jìn)行輸入捕獲。

輸入捕獲配置完成之后再配置一下編碼器模式就可以開始工作了。

于是緊接著我們來看看編碼器模式的配置函數(shù)TIM_EncoderInterfaceConfig：



其輸入?yún)?shù)中，TIMx就是輸入捕獲時(shí)設(shè)置的TIM3，polarity就分別是TI1和TI2的捕獲極性（TI1是定時(shí)器輸入通道1，TI2同理），即A、B兩相信號(hào)的捕獲極性（上升沿捕獲或者下降沿捕獲），重點(diǎn)來說說編碼器的模式TIM_EncoderMode：

當(dāng)模式選為TIM_EncoderMode_TI1時(shí)，計(jì)數(shù)器僅在TI1的邊沿處計(jì)數(shù)

當(dāng)模式選為TIM_EncoderMode_TI2時(shí)，計(jì)數(shù)器僅在TI2的邊沿處計(jì)數(shù)

當(dāng)模式選為TIM_EncoderMode_TI12時(shí)，計(jì)數(shù)器在TI1和TI2邊沿處均計(jì)數(shù)

也就是說，模式1，我只以A相的脈沖信號(hào)為我的檢測(cè)信號(hào)，TI2我就不管了。（B只是相對(duì)A滯后了90度，其它都是一樣的，所以檢測(cè)A就夠了）。其它同理。

模式1和模式2顯然就沒什么差別了，那模式3前者有何不同呢？

這就涉及到網(wǎng)友們所說的編碼器軟件四倍頻技術(shù)了：

如圖，A、B兩相正交信號(hào)，如果根據(jù)模式1或模式2對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，假設(shè)我們上升沿捕獲一次，那么圖中的信號(hào)我們只檢測(cè)到3個(gè)上升沿，也就是三個(gè)脈沖。但是如果采用模式3，對(duì)TI1和TI2檢測(cè)上升沿，那么同一段時(shí)間我們檢測(cè)到6個(gè)上升沿。如果下降沿也檢測(cè)，那么一共就是12個(gè)邊沿跳變。每個(gè)實(shí)際來的脈沖會(huì)被檢測(cè)4次，同樣是12/4=3個(gè)脈沖，但是這樣的話精度大大提高了。

入口參量：(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising ,TIM_ICPolarity_Rising);

通過這樣配置，我們就完成了編碼器軟件的初始化。通過以上配置，我們完成了TIM3輸入捕獲的初始化以及編碼器接口模式的相關(guān)配置，每來一個(gè)跳變沿，計(jì)數(shù)值變化一次。

至此，為了避免我們忘了初衷，現(xiàn)在我們來回顧一下我們最開始用編碼器的初衷，前面我們說要用編碼器來干嘛來著？獲取電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)速。

現(xiàn)在的處境是，我們通過STM32的TIM3的編碼器模式，能夠測(cè)出任意時(shí)刻的脈沖值了?，F(xiàn)在要解決的就是如何將這個(gè)脈沖值轉(zhuǎn)換成我們所要得到的信息（即轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)速）。

首先，根據(jù)帶編碼器的直流減速電機(jī)的原理，顯然無論電機(jī)的轉(zhuǎn)速如何，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)是固定的。這里假設(shè)電機(jī)每轉(zhuǎn)產(chǎn)生260個(gè)脈沖（具體數(shù)據(jù)各位自行查看自己的電機(jī)參數(shù)啦），那么只要我們用‘電機(jī)已產(chǎn)生的脈沖數(shù)’除以‘260個(gè)/轉(zhuǎn)’，就可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)了多少圈，一圈即為360度，由此便可將脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)角度聯(lián)系起來。

這里要注意一點(diǎn)，由于我們用的是編碼器模式3（也就是TIM_EncoderMode_TI12），我們得到的脈沖數(shù)是電機(jī)實(shí)際產(chǎn)生的脈沖數(shù)的四倍。則電機(jī)實(shí)際產(chǎn)生的脈沖數(shù)應(yīng)為‘得到的計(jì)數(shù)值’除以4。于是，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為脈沖數(shù)除以260再除以4。

轉(zhuǎn)動(dòng)角度算出來了，轉(zhuǎn)速呢？則是根據(jù)計(jì)數(shù)方向（遞增計(jì)數(shù)或遞減計(jì)數(shù)）來判斷的，所以我們接下來的工作就是要搞清楚計(jì)數(shù)方向和編碼器信號(hào)的關(guān)系。

讓我們來看一下STM32的中文參考手冊(cè):



網(wǎng)上幾乎在這張表的講解上都是一帶而過，真正能把這張表講清楚的幾乎沒有。后來看到一個(gè)人在表格上做了類似上圖的注釋，我才終于搞懂了。

大家還記得我們前面提到的TIM_EncoderInterfaceConfig函數(shù)嗎，里面有個(gè)參量就是選擇模式的，對(duì)吧。讓我們?cè)賮砘仡櫼幌拢?br />
注意到各模式后面的“xx edge depending on xx level”了嗎？這就是上面這個(gè)表里的第二縱列所提到的“相反信號(hào)的電平”。

TIM_EncoderMode_TI1: Counter counts on TI1FP1 edge depending on TI2FP2 level，意思就是當(dāng)選擇模式1時(shí)，計(jì)數(shù)器根據(jù)TI2的電平高低來記錄TI1的邊沿信號(hào)。

這樣說可能不好理解，我們來舉個(gè)具體的例子：



如上圖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生A、B兩相信號(hào)通過TI1、TI2輸入到TIM3。

假設(shè)我們選擇的是模式1，即計(jì)數(shù)器僅在TI1的邊沿處計(jì)數(shù)。我們觀察TI1的上升沿，若此時(shí)對(duì)應(yīng)的TI2信號(hào)處于低電平（下圖紅框），于是根據(jù)表格我們可以得到計(jì)數(shù)方向?yàn)檫f增，假設(shè)計(jì)數(shù)器遞增時(shí)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，則可判斷此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。



再譬如，假設(shè)我們選擇模式2，即計(jì)數(shù)器僅在TI2的邊沿處計(jì)數(shù)。我們觀察TI2的下降沿，若此時(shí)對(duì)應(yīng)的TI1信號(hào)為高電平（下圖藍(lán)框），于是根據(jù)表格我們可以得到計(jì)數(shù)方向?yàn)檫f減，假設(shè)計(jì)數(shù)器遞減時(shí)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，則可判斷此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。



也就是說，當(dāng)以TI1為計(jì)數(shù)信號(hào)時(shí)，需要根據(jù)TI2的電平（也就是第二縱列的“相對(duì)信號(hào)的電平”）來進(jìn)行判斷是向上計(jì)數(shù)還是向下計(jì)數(shù)。TI2也同理。

e.g.如果“僅在TI1計(jì)數(shù)”，當(dāng)TI1為“上升”沿（表中第三縱列），此時(shí)要根據(jù)TI2的電平來做判斷。根據(jù)下圖，可知當(dāng)TI1為上升沿的時(shí)候TI2為低電平，則根據(jù)上表可得知計(jì)數(shù)器為向上計(jì)數(shù)。這在下圖得到了驗(yàn)證。



再例如，如果“僅在TI2計(jì)數(shù)”時(shí)，當(dāng)TI2為下降沿時(shí)，如果TI1為低電平，則為向上計(jì)數(shù)（上圖左側(cè)）；當(dāng)TI2為下降沿時(shí)，如果TI1為高電平，則為向下計(jì)數(shù)（上圖中部）；當(dāng)TI2為上升沿時(shí)，如果TI1為高電平，則為向上計(jì)數(shù)（上圖左部）；當(dāng)TI2為上升沿時(shí)，如果TI1為低電平，則為向下計(jì)數(shù)（圖中中部）；
至此為止，我們便實(shí)現(xiàn)了這樣的操作：通過使用帶編碼器的直流減速電機(jī)產(chǎn)生正交脈沖，通過STM32的TIM的編碼器模式對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)方向和編碼器信號(hào)的關(guān)系來判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，利用脈沖計(jì)數(shù)值來計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位移。

接下來是代碼部分，有些容易讓人迷惑的地方：

輸入捕獲初始化時(shí)Period和Prescaler的作用：

這里的period即為計(jì)數(shù)器的重裝載值，prescaler即為預(yù)分頻系數(shù)。注意在編碼器模式時(shí)，要把TIM理解為計(jì)數(shù)器，而不是定時(shí)器，這樣的話，時(shí)鐘信號(hào)就不是系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的，而是通過PA6、PA7輸入到TIM3的TI1和TI2的。

有了這么個(gè)理解，再來看Period和Prescaler就不難理解了。Period就是計(jì)數(shù)器每一次能檢測(cè)脈沖的最大值，每來一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)值就加一，當(dāng)計(jì)數(shù)值超過period就溢出中斷。Prescaler就是對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行分頻的分頻系數(shù)。比如當(dāng)分頻系數(shù)為2時(shí)，每當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，stm32才認(rèn)為接收到一個(gè)有效脈沖，計(jì)數(shù)值才加一。

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