直流电机编码器测速

1：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。编码器的实物图如图 7.1.1 所示：

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。

2：编码器原理

2.1磁电增量式：

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所示：

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。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。

核心逻辑：编码器码盘上有均匀分布的透光 / 遮光条纹，A、B 两个光电检测单元在空间上错开一定的 "条纹间隔比例"，而非直接对应机械角度的 90 度。
常见布局：实际安装中，两个检测单元的空间夹角通常对应 "1/4 个条纹周期"。假设码盘一圈有 N 个条纹，每个条纹对应的机械角度是 360°/N，那么 1/4 条纹周期对应的机械夹角就是 90°/N。只有当 N=1 时，这个安装夹角才是 90 度，但实际编码器的 N 值通常很大（比如几百到几千），因此安装夹角远小于 90 度。
最终相位差：当码盘旋转时，两个检测单元输出的原始信号会因空间错开 1/4 周期，经过后续电路处理后，最终形成相位差 90° 的方波信号（A 相和 B 相），用于判断旋转方向和计算转速。

2.2光电增量式：

原理：利用光电系统，将位移转换成计数脉冲，用脉冲个数计算位移和速度。光电增量式编码器的具体工作原理如图所示：

光电增量式编码器的结构包含：光电码盘、光源、透镜、受光元件以及信号转换电路 5 个部分，其中，光电码盘上有一个个均匀排布的透光孔；光源和透镜形成一个聚光系统；受光元件可以把光线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，光电码盘会装在电机的转轴上，它会随着电机的转轴旋转，而码盘上面的透光孔会间歇性地经过 A、B 两相，受光元件就可以把光线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，而码盘的正反转方向就决定了是 A 相信号在前还是 B 相在前。

**① 分辨率：编码器每个计数单位之间产生的距离，它是编码器可以测量到的最小的距离。对于增量式 编码器，分辨率表示为编码器的转轴每旋转一圈所输出的脉冲数（****PPR），**也称为多少线，直流有刷电机教程中所使用的编码器是 11 线的。

② 精度：编码器分辨率和精度是两个独立的概念，精度**是指编码器输出的信号数据与实际位置之间的误差，常用角分′、角秒″表示。

③ 最大响应频率：编码器每秒能输出的最大脉冲数，单位 Hz，也称为 PPS。

④ 最大转速：指编码器机械系统所能承受的最高转速。

3 编码器测速原理

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。

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 7.2.2 所示：

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。大家需要注意，TIMx_CH3 和 TIMx_CH4 是不支持编码器接口模式的。

编码器接口计数原理

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 7.2.1 所示：

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 7.2.4 所示：

单相信号，单沿触发：无倍频（1 倍）；
单相信号，双沿触发：2 倍频；
双相信号，每相双沿触发：4 倍频（A 相双沿 + B 相双沿，合计 4 次 / 周期）。

上图中属于的就是单相信号，双沿触发，相当于2倍频。倍频后会使得精度更加准确。假设编码器转一圈，A 相原本输出 1000 个完整脉冲（即 1000 线）。

不倍频（单沿计数） ：只检测 A 相的上升沿，每转一圈计数 1000 次。这意味着，编码器每转动 360°÷1000 = 0.36°，计数才会 + 1。如果实际转动了 0.1°，因为没达到 0.36° 的最小单位，计数不会变化，相当于 "测不出来"。
2 倍频（A 相双沿计数） ：检测 A 相的上升沿 + 下降沿，每转一圈计数 2000 次。此时最小检测单位变成 360°÷2000 = 0.18°。哪怕转动 0.2°，也能被检测到（超过 0.18°），计数会 + 1。
4 倍频（A、B 相双沿计数） ：检测 A 相双沿 + B 相双沿，每转一圈计数 4000 次。最小单位进一步缩小到 360°÷4000 = 0.09°，更小的转动角度也能被捕捉到。

但是倍频是 "电子细分"，提升的是检测电路对信号的解析精度，但无法突破编码器物理结构的极限（比如码盘的条纹精度）。

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 7.2.4 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 7.2.4 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。

这里还需要注意：1、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。2、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，此时如果编码器输出 10 个脉冲信号，那么就会计数40 次。因此，我们通过计数次数来计算电机速度的时候，需要除以相应的倍频系数。

电机转速 = 一分钟内计数变化量 / 倍频系数 / 编码器线数 / 减速比

单位推导：
假设公式为：电机转速 = （一分钟内计数变化量） / （倍频系数 × 编码器线数 × 减速比）
计数变化量：单位是 "次"（编码器输出的脉冲计数，经倍频后的总次数）；
倍频系数：无单位（如 2 倍频、4 倍频，用于还原原始脉冲数）；
编码器线数（PPR）：单位是 "脉冲 / 转"（每转一圈输出的原始脉冲数）；
减速比：无单位（减速箱的转速比，如 100:1 表示电机转 100 圈，负载轴转 1 圈）。
推导过程：计数变化量 ÷ 倍频系数 = 原始脉冲数（去除电子细分的影响）；原始脉冲数 ÷ 编码器线数 = 编码器轴的转动圈数（因为每转 1 圈对应线数个脉冲）；编码器轴转动圈数 ÷ 减速比 = 电机实际转动圈数（因为减速箱会降低转速，需还原电机侧的真实圈数）；最终结果是 "每分钟内电机转动的圈数"，即 r/min。
为什么需要减速比？
因为在实际系统中，编码器通常安装在减速箱的输出轴（负载侧），而非电机轴上（除非直接连接）。例如：
电机转速很高（如 3000 r/min），通过减速比 100:1 的减速箱后，负载轴转速为 30 r/min；
编码器检测的是负载轴的转速（30 r/min），若要计算电机本身的转速，必须乘以减速比（30 × 100 = 3000 r/min）。
公式中 "除以减速比" 的本质是：从 "负载轴的圈数" 反推 "电机轴的圈数"（因为计数变化量反映的是负载轴的转动，需还原到电机侧）。