电机驱动开发学习7. 编码器的使用

电机驱动开发学习7. 编码器的使用

• 一、编码器介绍
• • [1. 什么是编码器](#1. 什么是编码器)
  • • [1.1 工作原理](#1.1 工作原理)
    • [1.2 在 BLDC 系统中的两类位置反馈](#1.2 在 BLDC 系统中的两类位置反馈)
    • [1.3 野火驱动板「编码器接口」](#1.3 野火驱动板「编码器接口」)
  • [2. 编码器的分类](#2. 编码器的分类)
  • • [2.1 按工作原理分类](#2.1 按工作原理分类)
    • • （1）光电增量式编码器（本接口可外接的类型）
      • （2）绝对式编码器
      • （3）磁编码器
    • [2.2 霍尔传感器（换相用，本实验借其测速）](#2.2 霍尔传感器（换相用，本实验借其测速）)
    • [2.3 本实验配置（霍尔测速，非外接编码器）](#2.3 本实验配置（霍尔测速，非外接编码器）)
    • [2.4 测速的两种方式：M 法与 T 法](#2.4 测速的两种方式：M 法与 T 法)
    • • [（1）M 法（频率法 / 测频法）](#（1）M 法（频率法 / 测频法）)
      • [（2）T 法（周期法 / 测周法）](#（2）T 法（周期法 / 测周法）)
• 二、霍尔传感器测速与位置反馈原理
• • [1. 霍尔信号与换相状态](#1. 霍尔信号与换相状态)
  • [2. 转速测量原理](#2. 转速测量原理)
  • • [2.1 从一次跳变到 RPM 的推导](#2.1 从一次跳变到 RPM 的推导)
    • [2.2 代入本工程参数](#2.2 代入本工程参数)
    • [2.3 公式中各因子的物理含义](#2.3 公式中各因子的物理含义)
  • [3. 位置与方向](#3. 位置与方向)
• [三、TIM5 Hall 接口配置](#三、TIM5 Hall 接口配置)
• • [1. 引脚与定时器](#1. 引脚与定时器)
  • [2. Hall 模式工作机制](#2. Hall 模式工作机制)
• 四、软件实现
• • [1. 关键宏定义（`bsp_motor_tim.h`）](#1. 关键宏定义（bsp_motor_tim.h）)
  • [2. 霍尔反馈 API](#2. 霍尔反馈 API)
  • [3. 触发回调核心逻辑](#3. 触发回调核心逻辑)
  • [4. 波形帧扩展（`bsp_adc.c`）](#4. 波形帧扩展（bsp_adc.c）)
  • [5. 主循环（`main.c`）](#5. 主循环（main.c）)
• 五、实验操作与现象
• • [1. 接线](#1. 接线)
  • [2. 串口控制](#2. 串口控制)
  • [3. 输出数据](#3. 输出数据)
  • [4. 调试提示](#4. 调试提示)
• 六、小结

本系列教程学习资源来自野火官方电机教程，部分代码及博客内容摘自官方教程。本系列教程使用野火骄阳 F407 开发板及野火有刷/无刷驱动板。

在上一篇（lesson6）中，我们完成了三相电流采集、软件过流保护。本篇在 lesson6 基础上，利用 TIM5 霍尔接口 ，实现电机转速、位置、方向 的测量，并与温度、电压、电流合并为 22 字节同一帧输出。

概念说明

• 霍尔传感器 ：电机内部 U/V/W（HU/HV/HW） ，仅 6 个离散状态，首要用途是六步换相 ，精度远低于编码器。
  本实验配套电机只有霍尔、没有另装光电编码器 ；代码沿用野火官方例程，借霍尔跳变间隔估算转速，属于低成本速度反馈。下文先介绍真正的编码器，再说明本实验实际用的是霍尔。

一、编码器介绍

1. 什么是编码器

编码器（Encoder）是一种将机械位移（角位移或直线位移）转换为电信号的传感器，用于测量电机的转速、位置和方向。在伺服、FOC 等闭环控制中，专用编码器是核心反馈元件。

1.1 工作原理

编码器通过检测转轴旋转，输出脉冲或数字码。控制器可得到：

• 转速：单位时间内的脉冲数（或捕获周期）
• 位置：累计脉冲数（增量式）或绝对码（绝对式）
• 方向：A/B 正交相位，或绝对码变化趋势

1.2 在 BLDC 系统中的两类位置反馈

类型	典型信号	分辨率	主要用途
增量式/绝对式编码器	A、B、Z（EA/EB/EZ）	高（数百~数千线/转）	速度环、位置环、FOC 电角度
霍尔传感器	HU、HV、HW	低（6 状态/电周期）	六步换相、堵转检测、粗测速

二者不要混称。霍尔不是编码器 ；口语里的「霍尔编码器」容易误导，工程上应称 霍尔位置传感器 或 换相霍尔。

1.3 野火驱动板「编码器接口」

驱动板编码器接口（J4）经光耦隔离后接到 MCU，原理图信号双命名：

端子信号	接增量式编码器时	接本电机霍尔线时
EA	A 相脉冲	HU
EB	B 相脉冲	HV
EZ	Z 相零位脉冲	HW

J3 跳线可选 5 V / 12 V 给外设供电。若外接 2500 线增量编码器 ，应使用 TIM 编码器模式 对 EA/EB 计数；本系列 lesson4~7 配套电机只接霍尔线，未使用外接编码器。

2. 编码器的分类

2.1 按工作原理分类

（1）光电增量式编码器（本接口可外接的类型）

• 原理：码盘透光/遮光，输出 A、B 正交方波 + Z 零位脉冲
• 特点：分辨率高、适合速度/位置闭环
• MCU 用法 ：HAL_TIM_Encoder_Init()，对 A/B 边沿计数
• 应用：野火 FOC 例程、伺服、CNC

（2）绝对式编码器

• 每个机械角对应唯一码值，断电保持
• 成本高，用于高精度定位

（3）磁编码器

• 磁阻/霍尔阵列，精度介于霍尔开关与光电编码器之间
• 与电机内 3 个换相霍尔不是同一类器件

2.2 霍尔传感器（换相用，本实验借其测速）

• 原理：3 个开关型霍尔检测转子磁场，组合为 6 个有效状态（每 60° 电角度）
• 首要作用：确定换相时刻（lesson4 已用）
• 本实验附加作用：用 TIM5 Hall 模式捕获跳变间隔 → 估算 RPM、累计扇区位置
• 局限 ：机械一圈仅 12 次 跳变（2 对极 × 6 状态），不能做精确定位
• 引脚：PH10(HU)、PH11(HV)、PH12(HW)

2.3 本实验配置（霍尔测速，非外接编码器）

参数	配置值
传感器	电机内置霍尔 HU/HV/HW（非外接 EA/EB/EZ 编码器）
主要功能	换相 + 借跳变测速/方向/粗位置
定时器	TIM5（Hall Sensor 模式，非 Encoder 模式）
预分频系数	128
计数周期	0xFFFF (65535)
输入滤波	IC1Filter = 10
中断优先级	0 (最高)
换相状态数	6 个有效状态

霍尔 3 路组合成状态 1~6，既用于 bldcm_commutate() 换相，也在 HAL_TIM_TriggerCallback() 中更新 RPM/POS/DIR。

2.4 测速的两种方式：M 法与 T 法

无论信号来自光电编码器脉冲 还是霍尔跳变 ，测转速的常用思路都可以归纳为两类。野火《电机应用开发实战指南》编码器章节对二者有完整介绍；本实验的霍尔测速属于其中的 T 法。

（1）M 法（频率法 / 测频法）

思路 ：在固定时间窗口 (T_0) 内，统计传感器输出的脉冲（或霍尔跳变）个数 (M_0)，用「单位时间内的脉冲数」换算转速。

对增量式编码器，设单圈总脉冲数为 (C)（含倍频后的计数，如 600 线 4 倍频则 (C=2400)），则：

n = 60 ⋅ M 0 C ⋅ T 0 n = \frac{60 \cdot M_0}{C \cdot T_0} n=C⋅T060⋅M0

对本电机霍尔，机械转一圈共 12 次 跳变（(C_{hall}=12)），若在 ( T 0 = 0.05   s ) (T_0=0.05\,\text{s}) (T0=0.05s) 内测得 (M_0=5) 次跳变，则：

R P M = 60 × 5 12 × 0.05 = 500 RPM = \frac{60 \times 5}{12 \times 0.05} = 500 RPM=12×0.0560×5=500

特点：

优点	缺点
实现简单，主循环里计数即可	低速时 (T_0) 内脉冲很少，误差大、波动大
高速时 (M_0) 大，相对平稳	结果有 (T_0) 量级的滞后（需等窗口结束才更新）

伪代码示例（本工程未采用，仅供对比）：

/* 每 50 ms 统计一次霍尔跳变次数 delta_pos */
rpm = (60UL * delta_pos) / (12UL * T0_SEC);

（2）T 法（周期法 / 测周法）

思路 ：测量相邻两次传感器事件之间的时间间隔 (T_e)（或等价地，用定时器捕获计数值 (N)），由「转一圈需要多久」反推转速。

对编码器： ( n = 60 C ⋅ T e ) (n = \dfrac{60}{C \cdot T_e}) (n=C⋅Te60)。

对本实验霍尔：每次跳变对应 60° 电角度，相邻跳变间隔 (T_{step}) 与 CCR1 捕获值 (N) 的关系见 §2.1，最终：

R P M = 60 ⋅ f t i m 6 ⋅ P p ⋅ P S C ⋅ N RPM = \frac{60 \cdot f_{tim}}{6 \cdot P_p \cdot PSC \cdot N} RPM=6⋅Pp⋅PSC⋅N60⋅ftim

特点：

优点	缺点
低速时 (T_e) 长，单次测量相对更准	高速时 (T_e) 极短，捕获分辨率受限，误差变大
每来一次跳变即可更新，响应快	对噪声、抖动更敏感，需滤波（如 IC1Filter、最小捕获阈值）

本工程在 HAL_TIM_TriggerCallback() 中读取 CCR1，即 T 法；TIM5 Hall 硬件在每次霍尔变化时自动锁存间隔，无需在主循环里开固定窗口。

二、霍尔传感器测速与位置反馈原理

1. 霍尔信号与换相状态

本电机内置 3 个霍尔传感器（HU、HV、HW），5V 供电，2 对极。三路信号按位组合成 6 个有效状态（排除 000 与 111）：

状态值	HU	HV	HW	电角度区间
1	0	0	1	0° ~ 60°
3	0	1	1	60° ~ 120°
2	0	1	0	120° ~ 180°
6	1	1	0	180° ~ 240°
4	1	0	0	240° ~ 300°
5	1	0	1	300° ~ 360°

正转时状态按 1 → 3 → 2 → 6 → 4 → 5 → 1 循环；反转则相反。机械转一圈（360° 机械角）共产生 12 次霍尔跳变（6 状态 × 2 对极）。

2. 转速测量原理

STM32 的 Hall Sensor 模式 将 HU/HV/HW 异或后接入 TIM5 通道 1。每当霍尔组合变化，定时器将两次跳变之间的计数值 锁存到 CCR1 并清零计数器。该计数值对应 60° 电角度 的旋转时间。

2.1 从一次跳变到 RPM 的推导

第一步：确定单次跳变对应的时间

本工程 TIM5 配置为：

• 定时器计数时钟 (f_{tim} = 84,\text{MHz})（系统 168 MHz，APB1 四分频得 42 MHz，定时器倍频后为 84 MHz）
• 预分频寄存器写入 128 - 1，实际分频系数 (PSC = 128)
• 每次霍尔跳变捕获到的计数值为 (N)（即 CCR1）

计数器每加 1 所需时间为：

T c n t = P S C f t i m T_{cnt} = \frac{PSC}{f_{tim}} Tcnt=ftimPSC

相邻两次霍尔跳变的时间间隔（即转子转过 60° 电角度所需时间）为：

T s t e p = N ⋅ T c n t = N ⋅ P S C f t i m T_{step} = N \cdot T_{cnt} = \frac{N \cdot PSC}{f_{tim}} Tstep=N⋅Tcnt=ftimN⋅PSC

第二步：电周期与电频率

BLDC 电机每 60° 电角度对应一次霍尔状态变化，一个完整电周期（360° 电角度）包含 6 次跳变：

T e = 6 ⋅ T s t e p = 6 ⋅ N ⋅ P S C f t i m T_e = 6 \cdot T_{step} = \frac{6 \cdot N \cdot PSC}{f_{tim}} Te=6⋅Tstep=ftim6⋅N⋅PSC

电频率（每秒转过的电周期数）为：

f e = 1 T e = f t i m 6 ⋅ N ⋅ P S C f_e = \frac{1}{T_e} = \frac{f_{tim}}{6 \cdot N \cdot PSC} fe=Te1=6⋅N⋅PSCftim

第三步：电频率换算为机械转速

本电机极对数 (P_p = 2)，即转子机械转 1 圈，定子磁场完成 2 个电周期。因此：

f m = f e P p = f t i m 6 ⋅ P p ⋅ N ⋅ P S C f_m = \frac{f_e}{P_p} = \frac{f_{tim}}{6 \cdot P_p \cdot N \cdot PSC} fm=Ppfe=6⋅Pp⋅N⋅PSCftim

其中 (f_m) 为机械频率（单位：转/秒，rps）。

第四步：换算为 RPM

每分钟转数：

R P M = 60 ⋅ f m = 60 ⋅ f t i m 6 ⋅ P p ⋅ P S C ⋅ N RPM = 60 \cdot f_m = \frac{60 \cdot f_{tim}}{6 \cdot P_p \cdot PSC \cdot N} RPM=60⋅fm=6⋅Pp⋅PSC⋅N60⋅ftim

整理后可记为：

R P M = 10 ⋅ f t i m P p ⋅ P S C ⋅ N RPM = \frac{10 \cdot f_{tim}}{P_p \cdot PSC \cdot N} RPM=Pp⋅PSC⋅N10⋅ftim

对应代码中的实现（bsp_motor_tim.c）：

rpm = (60UL * MOTOR_HALL_TIMER_CLK_HZ) /
      (6UL * MOTOR_POLE_PAIRS * MOTOR_HALL_PRESCALER_COUNT * capture);

2.2 代入本工程参数

符号	本工程取值	含义
(f_{tim})	84 000 000 Hz	TIM5 计数时钟
(PSC)	128	预分频系数
(P_p)	2	极对数
(N)	CCR1 捕获值	相邻两次霍尔跳变的计数值

验算示例：若 (N = 1094)，则

R P M = 60 × 84 × 10 6 6 × 2 × 128 × 1094 ≈ 3017 RPM = \frac{60 \times 84\times10^6}{6 \times 2 \times 128 \times 1094} \approx 3017 RPM=6×2×128×109460×84×106≈3017

即约 3000 RPM，与空载运行时的观测值一致。

2.3 公式中各因子的物理含义

因子	含义
60	秒 → 分钟的单位换算
6	一个电周期（360° 电角度）内的霍尔跳变次数
(P_p)	极对数，将电频率降为机械频率
(PSC)	定时器预分频，降低计数频率以扩大可测最慢转速范围
(N)	两次跳变间隔的计数值，越大表示转速越慢

当 (N) 过小（本工程 < MOTOR_HALL_CAPTURE_MIN，即 10）时视为噪声不予计算；超过 200 ms 无新跳变则 RPM 归零（motor_hall_speed_poll()）。

3. 位置与方向

• 位置 ：每次检测到合法的霍尔状态跳变，位置计数 ±1（正转 +1，反转 −1）。数值表示累计的霍尔扇区数，可换算为电角度：电角度 ≈ 位置 × 60° (mod 360°)。
• 方向 ：比较相邻两次状态是否符合正转序列 1→3→2→6→4→5；符合则为正转（DIR=1），反之为反转（DIR=2）。超过 200 ms 无跳变则 DIR=0（停止）。
• 当前霍尔状态：实时读取的 1~6 换相状态，便于调试换相是否正确。

三、TIM5 Hall 接口配置

1. 引脚与定时器

项目	配置
定时器	TIM5
霍尔 U/V/W	PH10 / PH11 / PH12
复用功能	AF2_TIM5
预分频	128
计数周期	0xFFFF
输入滤波	IC1Filter = 10
捕获边沿	双边沿 TIM_ICPOLARITY_BOTHEDGE
中断优先级	0（换相最高优先级）

2. Hall 模式工作机制

HAL_TIMEx_HallSensor_Init() 配置 TIM5 为霍尔接口模式：

1. 三路霍尔异或后接 TI1，任一霍尔变化产生触发中断；
2. 触发时将 CCR1 锁存为上次跳变至本次跳变的计数值；
3. 在 HAL_TIM_TriggerCallback() 中读取 CCR1 计算转速，并执行六步换相。

与 lesson4 相同，换相逻辑仍在 bldcm_commutate() 中根据当前霍尔状态切换 TIM8 PWM 与下桥臂 GPIO。

四、软件实现

1. 关键宏定义（bsp_motor_tim.h）

#define MOTOR_HALL_TIMER_CLK_HZ         84000000UL
#define MOTOR_POLE_PAIRS                2U
#define MOTOR_HALL_CAPTURE_MIN          10U
#define MOTOR_RPM_MAX                   20000U
#define MOTOR_HALL_SPEED_TIMEOUT_MS     200U

#define MOTOR_HALL_DIR_STOP             0U
#define MOTOR_HALL_DIR_FWD              1U
#define MOTOR_HALL_DIR_REV              2U

2. 霍尔反馈 API

函数	说明
motor_hall_get_rpm()	机械转速（RPM）
motor_hall_get_position()	累计霍尔扇区位置（有符号，正转增）
motor_hall_get_direction()	0=停，1=正转，2=反转
motor_hall_get_state()	当前霍尔状态 1~6
motor_hall_speed_poll()	主循环调用，超时将 RPM/DIR 归零

3. 触发回调核心逻辑

在 HAL_TIM_TriggerCallback() 中：

capture = __HAL_TIM_GET_COMPARE(&motor_htimx_hall, TIM_CHANNEL_1);
motor_hall_update_speed(capture);          /* 由 CCR1 计算 RPM */

delta = hall_transition_dir(prev, step);   /* 判断正/反转 */
if (delta > 0)  { motor_position++; motor_actual_dir = MOTOR_HALL_DIR_FWD; }
if (delta < 0)  { motor_position--; motor_actual_dir = MOTOR_HALL_DIR_REV; }

bldcm_commutate(step);                     /* 六步换相 */

正转序列表 fwd_next[] 按 1→3→2→6→4→5 建立，用于判断跳变方向。

4. 波形帧扩展（bsp_adc.c）

在 lesson6 的 12 字节帧基础上扩展为 22 字节，同一时刻输出全部观测量：

偏移	长度	字段	说明
0	2	帧头	0xAA 0x55
2	2	VBUS	uint16，×100，单位 V
4	2	TEMP	uint16，×10，单位 ℃
6	2	IU	uint16，mA
8	2	IV	uint16，mA
10	2	IW	uint16，mA
12	2	RPM	uint16，机械转速
14	4	POS	int32 小端，霍尔累计位置
18	2	DIR	uint16：0停 / 1正 / 2反
20	2	HALL	uint16，当前状态 1~6

所有多字节字段均为小端序 。每 50 ms 调用 adc_send_waveform_frame() 发送一帧。

解析示例：24.5 V、25.3 ℃、U=120 mA、V=130 mA、W=110 mA、RPM=3000、POS=+42、DIR=1（正转）、HALL=3

AA 55 92 09 FD 00 78 00 82 00 6E 00 B8 0B 2A 00 00 00 01 00 03 00

可用下面Python代码段辅助解析数据：

import struct
data = bytes.fromhex("AA559209FD00780082006E00B80B2A00000001000300")
assert data[0:2] == b'\xAA\x55'
vbus, temp, iu, iv, iw, rpm, pos, dir_, hall = struct.unpack_from('<6H i 2H', data, 2)
print(vbus/100, temp/10, iu, iv, iw, rpm, pos, dir_, hall)

5. 主循环（main.c）

在 lesson6 基础上增加 motor_hall_speed_poll()，其余逻辑不变（按键/串口控制、堵转检测、过流保护、50 ms 发帧）：

while (1)
{
    deal_key_input();
    deal_serial_data();
    motor_stall_poll();
    motor_hall_speed_poll();
    motor_overcurrent_poll();

    if (HAL_GetTick() % 50 == 0 && print_flag == 0) {
        print_flag = 1;
        adc_send_waveform_frame();
    } else if (HAL_GetTick() % 50 != 0 && print_flag == 1) {
        print_flag = 0;
    }
}

五、实验操作与现象

1. 接线

与 lesson4~6 相同：三相线 U/V/W、霍尔 HU/HV/HW（PH10~12）、SD（PE6）、TEMP/VBUS/IU/IV/IW 接驱动板接口 2。NTC 贴于电机表面。

2. 串口控制

指令	作用
d 0	正转
d 1	反转
v 1000	设置占空比/速度
v 0	停转

K1/K2 加减速，K3/K4 正反转（按下为高）。

3. 输出数据

设置查看串口数据：

通过串口输出速度波形：

可以看到转速并不稳定 。

查看霍尔值，即看转子位置：

4. 调试提示

• 若 RPM 跳变过大：检查 MOTOR_POLE_PAIRS 是否与电机一致（本电机为 2 对极）。
• 若 DIR 与指令相反：霍尔线序或 fwd_next[] 需按实际接线调整。
• 若 HALL 只在 1~6 中某个值不变：检查 HU/HV/HW 接线或电机是否堵转。
• 转速在停转后约 200 ms 自动归零，避免残留值。

六、小结

本实验使用电机内置霍尔（HU/HV/HW），在 lesson4 换相基础上复用 TIM5 Hall 接口实现：

1. 转速：由霍尔跳变间隔（CCR1）估算机械 RPM（精度有限）；
2. 位置：累计霍尔扇区次数（粗位置，非编码器脉冲计数）；
3. 方向：由 6 状态序列判断正/反转；
4. 统一输出：22 字节 HEX 帧同时携带 VBUS、温度、三相电流与霍尔观测量。

若需高精度速度/位置环或 FOC，应外接增量式编码器并使用 TIM 编码器模式；霍尔测速仅适合本阶段开环 + 粗反馈。下一篇可在霍尔 RPM 反馈基础上加入速度 PI 环，或另行实验外接编码器。