stm32：编码电机原理

1. 编码电机的整体结构

有刷直流电机（DC Motor）
- 定子产生恒定磁场（永久磁铁）
- 转子绕组通电产生电磁力矩，使电机旋转
- 轴端通常固定一块多极磁铁，用于编码检测
减速箱（Gearbox）
- 通过齿轮传动降低输出转速、提升扭矩
- 减速比越大 → 输出轴更慢 → 扭矩越大
霍尔编码器（Hall Encoder）
- 位于电机尾部
- 一块圆形多极磁钢固定在电机轴上
- 两个霍尔开关器件间隔 90° 电角度布置
- 随着旋转产生两路方波输出（A、B相）

2. 编码器内部结构

(1) 磁钢

电机后端的磁钢经过多级磁化，如：

➡ N S N S N S ...（通常 6、8、12 极）

每转过一个极性，霍尔传感器的输出会发生一次跳变（高/低转换）。

(2) 霍尔传感器对（A、B 相）

两个霍尔开关之间的中心位置错开 90° 电角度（不是几何角度）。

当磁钢旋转时，A 相、B 相分别输出一系列方波
由于位置错开 90°，两个信号呈**正交（Quadrature）**关系

3. 90° 相位差的意义：方向判断

➤ 正转时

A 相领先 B 相（A 在前，B 在后）

➤ 反转时

B 相领先 A 相

4. 位置与速度的测量原理

(1) 位置（位移）测量

每一个 A/B 相的跳变称为脉冲。

例：

磁钢 = 6 对磁极（12 个高低变化）
经过减速箱 1:30
则输出轴每转产生：

12×30=360 脉冲12 \times 30 = 360 \text{ 脉冲}12×30=360 脉冲

各厂家会给出一个 PPR（Pulse Per Revolution），表示编码器每转的脉冲数。

(2) 速度测量

编码器本质上测"位移"，但通过定时读取脉冲数即可转换为速度。

两种常见测速方式：

方法 A：定时计数法

每隔 T 秒读取一次过去的脉冲数 N：

举例：设置一个1ms的定时器中断，在中断里读取编码器的值，读完后清零。在主函数里除0.001即可。

方法 B：周期测量法

测量相邻脉冲间时间 Δt：

高速电机一般用周期法，更准确。

5. 为什么加减速箱会提升测量精度？

编码器装在电机轴上，而不是输出轴上。

减速箱让输出轴转一圈时，电机轴其实转了很多圈。

例：

减速比 1:50

编码器原本每转 12 脉冲

输出轴的有效分辨率：

➡ 分辨率显著提高，位置控制更精准

6. 编码电机工作流程总结

电机轴带动磁钢旋转
两个霍尔传感器检测磁场变化
输出两路方波 A/B，相位相差 90°
MCU 通过计数 A/B 的上升沿/下降沿得到转角
通过 A/B 先后顺序判断方向
通过计时统计脉冲数得到速度

所以编码电机能实现：

速度反馈（闭环）
位置控制
正反转识别
距离测量

七.编码器驱动编写（基于stm32）

1. Encoder_Init：初始化编码器接口

① 开时钟

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RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

给 TIM3 和 GPIOA 开时钟
编码器信号 A/B 接在：PA6 / PA7 → TIM3_CH1 / TIM3_CH2

② GPIO 配置为上拉输入

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GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;          // 输入上拉
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; // PA6, PA7
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

编码器 A/B 相一般是 开集电极/推挽输出+上拉电阻 ，所以 MCU 端设为 上拉输入 很合适
只做输入捕获，不用复用推挽

③ 定时器基本参数（计数范围）

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TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65536 - 1;   // 0~65535
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 1 - 1;    // 预分频=0
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);

这里设置 CNT 计数范围为 16 位 (0 ~ 65535)
预分频为 0，即编码器每来一个有效沿，定时器就+1 或 -1（不被分频）

注意：虽然这里写了 TIM_CounterMode_Up，但进了编码器模式后，方向是由 A/B 相相位关系自动控制的，硬件会自动 Up/Down，不用你管。

④ 输入捕获通道（滤波）

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TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

给 CH1/CH2（也就是 A/B 相）配置输入捕获
TIM_ICFilter = 0xF：开启最大数字滤波，能滤掉抖动和毛刺（对机械式编码器很有用）

⑤ 关键一步：编码器接口模式

复制代码

TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3,
                           TIM_EncoderMode_TI12,
                           TIM_ICPolarity_Rising,
                           TIM_ICPolarity_Falling);

TIM_EncoderMode_TI12：使用 TI1 和 TI2 两路信号（正交编码器 A/B）
后两个参数是两路输入的极性：
- CH1：上升沿有效
- CH2：下降沿有效

一般常见写法是两个都用 TIM_ICPolarity_Rising，你这个写法也可以工作，只是对边沿的选择方式不同。

作用：

硬件自动根据 A/B 相相位关系判断转向（正反转）

自动对 CNT 做 加/减计数

⑥ 使能定时器

复制代码

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

至此，TIM3 已经变成一个硬件正交编码器计数器：

A/B 相接进来 → CNT 自动 +1 / -1
不用中断、不用软件判断方向

2. Encoder_Get：获取编码器"增量"

复制代码

int16_t Encoder_Get(void)
{
	int16_t Temp;
	Temp = TIM_GetCounter(TIM3);
	TIM_SetCounter(TIM3, 0);
	return Temp;
}

这段非常常见，是一个 "读增量+清零" 的写法。

机制解释：

TIM_GetCounter(TIM3) 读取的是 当前 CNT 值（无符号 16 位）
然后立刻执行 TIM_SetCounter(TIM3, 0) 归零
你把这个无符号的值放进 int16_t，产生一个小技巧：

✅ 情况 1：编码器正向转动，CNT 比较小

比如 CNT = 100：

读到 100，cast 成 int16_t → 100
清零 → 下次从 0 继续计

→ 表示这段时间 向前转了 +100 个脉冲

✅ 情况 2：编码器反向转动（CNT 会往下数）

在定时器内部是 0~65535 环形：

假设你从 0 开始往反方向动了一点，CNT 可能变成 65535、65534、...
例如 CNT = 65535，读出来放进 int16_t：
- 65535 的二进制是 0xFFFF
- 解释为 int16_t 就是 -1
  
  → 表示这段时间 向后转了 -1 个脉冲

只要确保两次读取之间的脉冲数小于 32768，就能正确区分正负方向。

所以 Encoder_Get() 函数的含义是：

"从上一次调用到现在，编码器增量的脉冲数（有符号，正负表示方向）"

你要算总位移，就累加它：

复制代码

int32_t Position = 0;

void Loop(void)
{
    int16_t delta = Encoder_Get();
    Position += delta;
    // Position 就是当前位置对应的总脉冲数
}