戰(zhàn)：原理、步驟與踩坑指南)
1. 從轉(zhuǎn)輪上的幾根線說起正交編碼器到底解決了什么問題做電機(jī)控制、小車底盤、云臺角度反饋的朋友多半都遇到過同一個困惑怎么準(zhǔn)確知道電機(jī)現(xiàn)在轉(zhuǎn)了多少圈、轉(zhuǎn)向是正還是反用霍爾傳感器只能測個大概用光碼盤配合普通IO讀又得盯著電平邊沿?cái)?shù)脈沖稍微一轉(zhuǎn)快了程序就亂套。直到你接觸了正交編碼器Quadrature Encoder再配合STM32定時器自帶的編碼器模式這件事才真正變得優(yōu)雅起來。正交編碼器本質(zhì)上就是一種通過兩組相位相差90度的方波信號來傳遞位置和方向信息的傳感器。A相和B相各自輸出脈沖電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個固定角度就產(chǎn)生一個邊沿。因?yàn)閮上嘈盘栔g有90度的相位差所以控制器只需要判斷A相和B相誰先跳變、誰后跳變就能知道軸是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。更關(guān)鍵的是利用A、B兩相的共同邊沿可以把一圈的物理分辨率直接翻四倍這就是常說的4倍頻。比如編碼器一圈輸出500個脈沖4倍頻之后控制器每圈能分辨2000個計(jì)數(shù)單位。STM32的定時器外設(shè)在設(shè)計(jì)上就內(nèi)置了編碼器接口模式。也就是說硬件層面已經(jīng)幫你把A、B兩相的判向和計(jì)數(shù)邏輯做完了不需要外部判向電路也不需要占用CPU中斷去逐個邊沿判斷。你只需要把編碼器的A、B相接在定時器的兩個通道輸入上配置好工作模式計(jì)數(shù)器就會自動加一或減一整個過程零CPU負(fù)擔(dān)。對工程實(shí)踐來說這意味著三件事接線簡單、實(shí)時性好、分辨率高。接線方面只需兩根信號線加電源地實(shí)時性方面計(jì)數(shù)由硬件完成不會因?yàn)橹袛囗憫?yīng)延遲而丟脈沖分辨率方面天然支持4倍頻不用額外算法就能拿到更精細(xì)的位置信息。我最早接觸這個功能是在做一個雙輪差速小車的時候。當(dāng)時用的是500線增量式編碼器加直流減速電機(jī)MCU是STM32F103RCT6。最初的方案是用外部中斷讀A相再用GPIO判斷B相電平來定方向結(jié)果車速一快中斷頻繁觸發(fā)主循環(huán)直接卡死測速數(shù)據(jù)還時不時跳變。后來換用定時器的編碼器模式整個測速鏈路瞬間輕松了。本文就圍繞STM32CubeMX中的正交編碼器配置完整講一遍原理、配置步驟、代碼集成和實(shí)際踩坑經(jīng)驗(yàn)給正準(zhǔn)備做運(yùn)動控制的朋友一個可直接參考的路徑。2. 硬件層的關(guān)鍵判斷編碼器類型、接口電壓和定時器選型2.1 增量式編碼器與絕對式編碼器的區(qū)別談到正交編碼器第一件事是分清增量式和絕對式。STM32定時器的編碼器模式主要配合增量式編碼器使用。增量式編碼器輸出A、B兩相方波可能還有Z相零位脈沖它的特點(diǎn)是只輸出相對位置變化量斷電后無法記憶絕對位置。絕對式編碼器直接輸出當(dāng)前角度的二進(jìn)制編碼值一般走SPI、SSI或者并口不走定時器編碼器模式這條路。我自己項(xiàng)目里用過兩類增量式編碼器一種是光電式碼盤上刻著密密麻麻的柵格通過光柵透射產(chǎn)生方波信號另一種是磁式利用磁阻傳感器感知磁鐵旋轉(zhuǎn)角度變化輸出也同樣是A、B正交信號。光電式精度高但怕塵土油污磁式抗污染能力強(qiáng)價(jià)格相對便宜在小型機(jī)器人關(guān)節(jié)和電機(jī)尾軸上很常見。STM32的編碼器模式對這兩類都適用因?yàn)闅w根到底它只識別電平跳變和相位關(guān)系不在乎信號是光還是磁產(chǎn)生的。2.2 信號電平匹配3.3V與5V編碼器的處理編碼器供電電壓常見的有5V和3.3V兩種。許多工業(yè)級編碼器都是5V供電輸出高電平是5V這個電壓直接進(jìn)STM32的GPIO是有風(fēng)險(xiǎn)的。STM32F1系列的IO容忍5V輸入F4系列的部分IO也標(biāo)注了FTFive-volt tolerant屬性但不是所有引腳都支持。穩(wěn)妥的做法是在CubeMX里查看引腳定義表確認(rèn)選擇的通道引腳帶FT標(biāo)識否則串電阻分壓之后再進(jìn)MCU。我在一個項(xiàng)目中用的是歐姆龍E6B2-CWZ6C額定供電5V到24V輸出是開集電極方式必須外部加上拉電阻才能有明確的高電平。那時候?yàn)榱耸∈轮苯影演敵鲂盘栆紽103的PA0和PA1上實(shí)測能用但波形邊沿比較緩后來在信號線上并聯(lián)了100pF電容去毛刺波形立刻干凈了不少。如果你的編碼器是推挽輸出邊沿會比較陡直接接3.3V供電的編碼器則最簡單完全不用考慮電平轉(zhuǎn)換。下表是我判斷編碼器接口適配性時常用的參考編碼器輸出類型輸出電平是否可直接接STM32 F1是否可直接接STM32 F4處理方式推挽輸出3.3V0~3.3V是是直接連接推挽輸出5V0~5V多數(shù)引腳可僅FT引腳可確認(rèn)FT或電平轉(zhuǎn)換開集電極輸出需外部上拉視上拉到3.3V或5V視上拉到3.3V或5V上拉到3.3V最安全差分輸出RS-422差分信號否否需要差分轉(zhuǎn)單端電路2.3 定時器選型為什么優(yōu)先選帶編碼器模式的通用定時器STM32家族里高級定時器TIM1、TIM8通用定時器TIM2、TIM3、TIM4、TIM5等都支持編碼器接口模式。選型時主要看三點(diǎn)可用的通道引腳是否和你的PCB走線沖突、計(jì)數(shù)器位寬、以及是否有其他外設(shè)搶占同一引腳。F103這種老經(jīng)典TIM2和TIM3的通道引腳映射很常用。TIM2的CH1和CH2可以映射到PA0、PA1或者通過重映射到PA15、PB3TIM3的CH1和CH2可以映射到PA6、PA7或者重映射到PB4、PB5。如果你用了JTAG調(diào)試口PA15、PB3、PB4這些引腳默認(rèn)被調(diào)試功能占用需要先關(guān)閉JTAG才能當(dāng)普通IO用。不要小看這一步很多人配置了半天引腳就是沒反應(yīng)最后發(fā)現(xiàn)是JTAG占用的問題。計(jì)數(shù)器位寬方面F103的TIM2和TIM5是32位計(jì)數(shù)器TIM3和TIM4是16位。高速旋轉(zhuǎn)時16位計(jì)數(shù)器在極高分辨率下可能很快溢出需要額外處理溢出中斷。32位計(jì)數(shù)器則寬裕得多。同樣是500線4倍頻電機(jī)最高轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘每秒產(chǎn)生的脈沖數(shù)是500 × 4 × 50 10000016位計(jì)數(shù)器65535的上限在一秒內(nèi)一定會溢出。雖然可以通過溢出中斷配合擴(kuò)展位數(shù)但如果你同時做多路電機(jī)控制溢出中斷會時不時打斷主流程增加復(fù)雜度。這也是我后來做四輪小車時優(yōu)先選TIM2的原因32位計(jì)數(shù)器讓位置計(jì)數(shù)變得非常省心。另外CubeMX的引腳分配視圖里可以直接搜索TIM2_CH1、TIM2_CH2這樣的復(fù)用功能標(biāo)識誰和誰共用一個引腳會高亮顯示底層引腳沖突一目了然。選定時器時我習(xí)慣先在CubeMX里把引腳分配方案拖一遍確認(rèn)沒有沖突再回去畫PCB能省掉后面不少飛線改板的麻煩。3. 定時器編碼器模式的內(nèi)部機(jī)制計(jì)數(shù)方向判定的硬核邏輯3.1 為什么硬件判向比中斷判向更可靠軟件判向的思路通常是A相觸發(fā)外部中斷進(jìn)中斷后讀B相電平高電平代表正轉(zhuǎn)低電平代表反轉(zhuǎn)。這個方法在小車慢速運(yùn)行時沒問題但轉(zhuǎn)速起來之后中斷的響應(yīng)延遲會引入判斷誤差。更麻煩的是如果A相毛刺較多可能在極短時間內(nèi)觸發(fā)多次中斷造成計(jì)數(shù)錯誤。硬件編碼器模式?jīng)]有這個問題。STM32的編碼器接口邏輯同時監(jiān)視兩個輸入信號在每個信號邊沿處進(jìn)行一次采樣綜合兩個信號的電平狀態(tài)判斷方向。因?yàn)榕袛噙壿嬐耆捎布M合電路實(shí)現(xiàn)不依賴指令執(zhí)行速度所以只要信號頻率在定時器時鐘能處理的范圍內(nèi)就不會出錯。判斷方向和計(jì)數(shù)的本質(zhì)邏輯可以理解成一個兩輸入的狀態(tài)機(jī)。A、B兩相各有兩個電平狀態(tài)高、低組合起來有四種狀態(tài)。編碼器每轉(zhuǎn)過一個最小角度單位組合狀態(tài)就變化一次變化的方向則決定了計(jì)數(shù)器是加一還是減一。這有點(diǎn)像我們判斷一個人往哪邊走看到腳印從左邊挪到右邊就知道他往右走了。硬件在每個邊沿看的是上一個狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)的關(guān)系而不是單看一路信號。3.2 三種計(jì)數(shù)模式為什么不選X1和X2直接上X4STM32的編碼器模式可以在CubeMX里配置三種計(jì)數(shù)方式X1模式只在一個通道的邊沿計(jì)數(shù)X2模式在兩個通道的邊沿計(jì)數(shù)X4模式在四個邊沿計(jì)數(shù)也就是每個完整信號周期產(chǎn)生四個計(jì)數(shù)脈沖。三種模式的差異直接反映在分辨率上。X1模式一圈計(jì)500個數(shù)以500線編碼器為例X2模式一圈計(jì)1000個數(shù)X4模式一圈計(jì)2000個數(shù)。很多人會糾結(jié)選哪個好我的建議是只要計(jì)數(shù)器位數(shù)夠用直接X4模式。X4模式不光分辨率最高而且每個邊沿都在更新計(jì)數(shù)器角度變化信息更平滑低速時的測速表現(xiàn)也更細(xì)膩。代價(jià)僅僅是計(jì)數(shù)器溢出更快但在32位計(jì)數(shù)器面前這個代價(jià)基本可以忽略。CubeMX中的配置項(xiàng)叫做Encoder Mode下拉里會出現(xiàn)Encoder Mode TI1、Encoder Mode TI2、Encoder Mode TI1 and TI2三個選項(xiàng)。第一個對應(yīng)X1模式第二個對應(yīng)X1模式只是計(jì)數(shù)沿選擇的通道不同第三個才是X4模式。填的時候注意別選錯我早期就誤選過Encoder Mode TI1結(jié)果分辨率只到了一半查了半天資料才發(fā)現(xiàn)是這里的問題。3.3 計(jì)數(shù)方向、溢出中斷和Counter Period的配合邏輯編碼器模式下計(jì)數(shù)器是一個雙向計(jì)數(shù)器。有人說編碼器模式下定時器的ARPE自動重裝載預(yù)裝載和重裝載值沒有意義這句話是不準(zhǔn)確的。編碼器模式下計(jì)數(shù)器會在0和自動重裝載值之間來回計(jì)數(shù)上溢和下溢都會觸發(fā)更新事件。如果你把重裝載值設(shè)為默認(rèn)的65535計(jì)數(shù)范圍就是0到65535如果你設(shè)成2000計(jì)數(shù)范圍就變成0到2000計(jì)數(shù)器到2000后繼續(xù)正轉(zhuǎn)就回0反轉(zhuǎn)從0往下就跳到2000。這個特性非常有用。假設(shè)你的編碼器一圈4倍頻之后正好是2000個脈沖把Counter Period設(shè)為2000那么讀回來的CNT值就直接對應(yīng)當(dāng)前角度在0到2000之間的位置根本不需要額外做取模運(yùn)算。做云臺和機(jī)械臂角度控制時這個特性可以省掉大量運(yùn)算代碼。需要注意的一件事是CubeMX里Counter Period填的值對應(yīng)的是ARR寄存器它決定計(jì)數(shù)上限。有人把Encoder Mode配好了但Counter Period還沿用默認(rèn)值運(yùn)行起來發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)到65535就跳變還以為是程序問題。這其實(shí)是重裝載值沒有按編碼器一圈的脈沖數(shù)來設(shè)計(jì)的典型表現(xiàn)。下面我用一個表格梳理三種模式下的關(guān)鍵參數(shù)建議方便你配置時對照檢查配置項(xiàng)X1模式X2模式X4模式一圈計(jì)數(shù)脈沖500線50010002000Counter Period建議值499或500999或10001999或2000低速測速細(xì)膩度一般較好最佳溢出中斷頻率最低中等最高3.4 初始化時清零計(jì)數(shù)的兩種方式項(xiàng)目啟動時位置必須從一個已知的狀態(tài)開始。清零計(jì)數(shù)器常見有兩種做法一種是調(diào)用__HAL_TIM_SET_COUNTER(htim, 0)直接把計(jì)數(shù)器寫入0另一種是開啟定時器后向TIM_SR寄存器的UIF位寫0等待一次更新事件完成清零。實(shí)際上最方便的還是第一種因?yàn)镠AL庫提供現(xiàn)成宏一條語句搞定。如果你接的編碼器有Z相零位脈沖還可以把Z相接在另一個IO上通過外部中斷或者輪詢方式檢測到零位信號時清零計(jì)數(shù)器這樣每次上電后機(jī)器都能自動找到機(jī)械原點(diǎn)。對于不帶Z相的編碼器只能采用上電找限位開關(guān)的方式歸零或者在機(jī)械結(jié)構(gòu)上做一個固定參考點(diǎn)讓電機(jī)轉(zhuǎn)到參考點(diǎn)時執(zhí)行一次清零操作。4. STM32CubeMX配置實(shí)操一步步點(diǎn)出一份可用的工程4.1 新建工程與時鐘樹設(shè)置打開STM32CubeMX新建工程選擇你的具體芯片型號。這里以STM32F103RCT6為例如果你用的是其他型號流程大同小異。先到Pinout Configuration界面左側(cè)Categories欄里找到SYS把Debug設(shè)為Serial Wire。這一步很重要否則默認(rèn)的JTAG會占用部分引腳后面配置編碼器輸入時可能出現(xiàn)引腳灰色不可選的情況。接著配置RCCHSE選擇Crystal/Ceramic Resonator。然后進(jìn)Clock Configuration把系統(tǒng)時鐘設(shè)為72MHz。F103的編碼器定時器時鐘來自APB1APB1的最高頻率是36MHz但定時器時鐘會自動倍頻到72MHz這個細(xì)節(jié)不用手動干預(yù)。不過你需要知道編碼器模式下定時器能處理的最高信號頻率和這個時鐘有關(guān)72MHz的定時器時鐘足以覆蓋絕大多數(shù)編碼器的信號頻率。4.2 TIM2的Encoder Mode配置細(xì)節(jié)在Categories里找到TIM2點(diǎn)擊進(jìn)去在Mode一欄把Combined Channels設(shè)為Encoder Mode。此時下方會出現(xiàn)兩個輸入通道的配置選項(xiàng)Channel1和Channel2都會自動變成Input Capture Indirect Mode之類的顯示不需要手動修改CubeMX會自動關(guān)聯(lián)。接著在Configuration一欄里設(shè)置參數(shù)Counter Period根據(jù)上一章的公式計(jì)算如果500線編碼器用X4模式填1999。填1999的意思是從0數(shù)到1999共2000個值正好對應(yīng)一圈。Encoder Mode選Encoder Mode TI1 and TI2。Polarity默認(rèn)的Rising Edge即可不需要改動。只有在編碼器信號接反、方向反了的時候才考慮通過取反極性來修正方向。有個小技巧在配置完TIM2后到右側(cè)的Pinout視圖確認(rèn)一下TIM2_CH1和TIM2_CH2映射到了哪個引腳。如果不滿意默認(rèn)映射可以在芯片視圖里直接點(diǎn)擊引腳旁邊的復(fù)用功能文字下拉重新選擇。這樣不用改PCB布局也能靈活調(diào)整。4.3 打開中斷還是DMA實(shí)際場景的選擇依據(jù)編碼器模式單獨(dú)工作不需要中斷也不需要DMA。計(jì)數(shù)器是硬件自己跑的你想讀位置時直接讀CNT寄存器就行。但從工程實(shí)用性角度建議開啟更新中斷尤其是需要做測速或者位置溢出管理的時候。在NVIC Settings標(biāo)簽頁里勾選TIM2 global interrupt然后在代碼里實(shí)現(xiàn)定時器周期中斷回調(diào)就能實(shí)現(xiàn)定期采集位置值。如果你只是偶爾讀取一下當(dāng)前位置比如操作員按鍵觸發(fā)的機(jī)械臂點(diǎn)動就不必開中斷輪詢讀取CNT足夠。開了中斷反而會頻繁打斷主循環(huán)增加功耗和復(fù)雜度。選擇標(biāo)準(zhǔn)只有一個你是否需要在計(jì)數(shù)溢出邊界進(jìn)行處理或者需要恒定周期采集數(shù)據(jù)。需要就開不需要就不開。DMA在編碼器場景下的用途不大典型的DMA用法是配合ADC連續(xù)采樣模擬量或是配合串口收發(fā)數(shù)據(jù)編碼器計(jì)數(shù)本身沒有DMA的需求。如果你看到別人在編碼器項(xiàng)目里用DMA多半是用DMA搬運(yùn)周期采樣的位置數(shù)據(jù)到內(nèi)存數(shù)組做的是后級數(shù)據(jù)處理不是編碼器模式本身的要求。4.4 生成代碼前的最后檢查清單點(diǎn)擊Project Manager設(shè)置好工程名稱、存儲路徑和工具鏈。這里有幾個容易忽略的檢查點(diǎn)需要確認(rèn)IDE選項(xiàng)要和本機(jī)安裝的版本對應(yīng)MDK-ARM選對應(yīng)版本或者選STM32CubeIDE。代碼生成選項(xiàng)里Generated files框下勾選Generate peripheral initialization as a pair of .c/.h files per peripheral這樣每個外設(shè)單獨(dú)生成文件和頭文件后續(xù)維護(hù)方便。如果勾選了Initialize all peripherals with their default settings可能會把沒配置的外設(shè)也生成初始化代碼增加編譯時間建議不勾。確認(rèn)無誤后點(diǎn)擊GENERATE CODE。生成的工程放在你指定的路徑下打開MDK或者CubeIDE就能直接編譯。注意第一次編譯之前在魔術(shù)棒或項(xiàng)目屬性里檢查C/C編譯器選項(xiàng)是否選中了Use MicroLIB。STM32標(biāo)準(zhǔn)庫全功能時需要較少棧空間也會影響printf之類的重定向這些雖然不是編碼器專屬配置但能讓后續(xù)調(diào)試順暢不少。5. 生成代碼解讀與業(yè)務(wù)代碼集成怎么把CNT變成有用的速度5.1 HAL庫初始化流程里發(fā)生了什么打開生成的tim.c文件你會看到MX_TIM2_Init函數(shù)里面有幾段關(guān)鍵代碼。第一段是會話語句和結(jié)構(gòu)體賦值配置Prescaler、CounterMode、Period和ClockDivision。需要特別注意的是編碼器模式下ClockDivision位置和采樣控制有關(guān)一般默認(rèn)值即可不要去調(diào)整預(yù)分頻值。HAL_TIM_Encoder_Init這個函數(shù)比普通定時器初始化多做了什么它會調(diào)用定時器底層初始化函數(shù)把編碼器模式寫入到定時器的控制寄存器里并配置兩個輸入通道為映射模式。更重要的是它設(shè)置了輸入濾波器的相關(guān)參數(shù)。在CubeMX界面的Input Filter選項(xiàng)里你可以填0到15的數(shù)字。這個濾波器是數(shù)字信號濾波器用于濾除信號線上的窄毛刺。實(shí)際工程中如果編碼器線纜較長或者電機(jī)電磁干擾較重把輸入濾波調(diào)到2到4左右能大幅減少誤計(jì)數(shù)。調(diào)太高會讓有效信號的最小脈寬變長影響極限轉(zhuǎn)速下的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度。5.2 啟動編碼器接口HAL_TIM_Encoder_Start和Start_IT的區(qū)別代碼生成后不會自動啟動定時器。你需要在主程序的初始化階段調(diào)用HAL_TIM_Encoder_Start來啟動編碼器接口。這里有一個常見的坑有人用了編碼器模式但忘了啟動定時器CNT寄存器永遠(yuǎn)是0怎么轉(zhuǎn)電機(jī)都沒反應(yīng)查了老半天。如果開啟了更新中斷則要調(diào)用HAL_TIM_Encoder_Start_IT這樣才能在計(jì)數(shù)器溢出時觸發(fā)中斷回調(diào)。不帶_IT的版本永遠(yuǎn)進(jìn)不了中斷。不要記混這兩個接口的名字我在一個四軸機(jī)械臂的項(xiàng)目里就吃過這個虧只調(diào)了Start沒調(diào)Start_IT中斷服務(wù)函數(shù)里怎么調(diào)試都不進(jìn)最后對著手冊逐行查才發(fā)現(xiàn)是調(diào)用錯了API。啟動編碼器之后讀位置的接口是__HAL_TIM_GET_COUNTER(htim2)。這個宏返回當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值也就是編碼器從啟動或上次清零到現(xiàn)在的位置變化量。如果當(dāng)前方向是反轉(zhuǎn)讀回的值會從計(jì)數(shù)上限往下遞減你不需要判斷正負(fù)CNT值本身就是有方向性的位置信息。5.3 周期測速兩次采樣差值與M法測速編碼器最常見的應(yīng)用場景是測速度。M法測速的思路是在固定時間窗口內(nèi)統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)用計(jì)數(shù)差值除以時間得到速度。實(shí)現(xiàn)起來非常簡單開啟一個基礎(chǔ)定時器比如TIM6配置成1ms中斷在中斷回調(diào)里讀取CNT值減去上一次的CNT值差值就是1ms內(nèi)的脈沖變化量。用這個差值乘以一個換算系數(shù)就能得到轉(zhuǎn)速。換算系數(shù)怎么算舉個例子編碼器500線4倍頻后一圈2000個脈沖1ms采到100個脈沖那么每秒就是100000個脈沖除以2000就是50圈/秒也就是3000轉(zhuǎn)/分鐘。代碼里可以寫成 speed_rpm (delta_count * 60) / (2000 * 0.001) / 60簡化之后其實(shí)就是按比例算。為了防止計(jì)數(shù)器溢出帶來的跳變?nèi)绻麅纱尾钪到^對值超過計(jì)數(shù)范圍的一半就做一次補(bǔ)償修正。比如Counter Period設(shè)為1999如果這次讀到100上次讀到1900直接算差值是-1800但實(shí)際可能是正轉(zhuǎn)了200個脈沖發(fā)生了回繞需要判斷差值大于半周期就減掉一個滿周期。這個判斷邏輯是測速代碼里最容易出錯的地方務(wù)必處理。5.4 和PWM控制配合一個位置閉環(huán)的最簡樣例有了速度和位置信息就能做最簡單的閉環(huán)控制。比如你要讓電機(jī)轉(zhuǎn)到設(shè)定位置就可以寫一個比例控制器PID里只保留P項(xiàng)int32_t target 1000; // 目標(biāo)位置 int32_t current __HAL_TIM_GET_COUNTER(htim2); int32_t error target - current; int32_t output Kp * error; // 輸出限幅到PWM占空比范圍 __HAL_TIM_SET_COMPARE(htim3, TIM_CHANNEL_1, output);這里的Kp需要實(shí)際調(diào)試調(diào)小了響應(yīng)慢調(diào)大了會振蕩。通常的做法是先讓電機(jī)在一個固定占空比下運(yùn)行觀察編碼器讀數(shù)是否穩(wěn)定再逐步加大Kp觀察響應(yīng)曲線。完整的PID還要加上積分項(xiàng)消除靜差和微分項(xiàng)抑制超調(diào)這里只是演示閉環(huán)控制的框架足以說明編碼器數(shù)據(jù)如何注入到控制鏈路中。6. 實(shí)測踩坑記錄從波形毛刺到方向反了我遇到過的五個典型問題6.1 A、B相接反導(dǎo)致計(jì)數(shù)方向反轉(zhuǎn)這是新手最容易碰到的問題。STM32CubeMX中默認(rèn)的計(jì)數(shù)方向是A相超前B相為正轉(zhuǎn)如果你的編碼器線序恰巧反了電機(jī)正轉(zhuǎn)時計(jì)數(shù)器的值反而在減小。排查這個問題很簡單手動緩慢正轉(zhuǎn)電機(jī)打開調(diào)試器看CNT值的變化方向。如果發(fā)現(xiàn)反了有兩個解決辦法一是在硬件上把A、B兩相信號對調(diào)二是在CubeMX的Polarity設(shè)置里把其中一個通道的極性設(shè)為Falling Edge。從項(xiàng)目維護(hù)角度看改軟件極性更省事因?yàn)椴挥脛咏泳€。需要注意的是改極性不僅會影響計(jì)數(shù)方向還會影響計(jì)數(shù)邊沿的位置本質(zhì)上等于把采樣點(diǎn)平移了90度。如果你同時還用了Z相零位零位脈沖的位置和計(jì)數(shù)器的匹配關(guān)系可能會因此偏一位不過對大多數(shù)應(yīng)用沒有影響。6.2 布線太長導(dǎo)致波形邊沿抖動數(shù)字濾波器的正確設(shè)置編碼器線纜超過30厘米又沒有采用雙絞屏蔽線時A、B相波形邊沿容易出現(xiàn)振鈴和毛刺。毛刺導(dǎo)致的結(jié)果是異常計(jì)數(shù)有時正轉(zhuǎn)一下計(jì)數(shù)器跳好幾個數(shù)有時反轉(zhuǎn)時計(jì)數(shù)反而增加。逐一對硬件進(jìn)行改動可能比較麻煩但STM32定時器自帶的輸入濾波器能在軟件層面解決大部分問題。在CubeMX的Input Filter字段中填入合適值就可以開啟濾波。這個濾波器的原理是只有當(dāng)信號連續(xù)穩(wěn)定N個采樣周期后才確認(rèn)電平變化。Filter值越大抗干擾越強(qiáng)同時對真實(shí)信號的延遲也越大。編碼器轉(zhuǎn)速不高時直接把濾波值設(shè)到8都行但高速場合需要核算一下最大可接受延遲。以72MHz定時器時鐘為例Filter值為8時最短可識別的信號脈寬大約是8個采樣周期即大約110納秒的脈沖寬度要求。如果編碼器最高轉(zhuǎn)速下信號脈寬小于這個值就會丟脈沖。6.3 編碼器零點(diǎn)漂移Z相清零與CNT自動回繞的區(qū)別很多編碼器帶有Z相也叫Index信號每圈出一個脈沖。利用Z相可以精確確定機(jī)械零位。有人直接把Z相接在普通IO上在中斷里用軟件清零CNT。另一種實(shí)現(xiàn)方式是利用定時器的編碼器接口和Z相輸入的特性在硬件層面自動復(fù)位計(jì)數(shù)器但STM32的編碼器模式并不內(nèi)置Z相清零邏輯除非額外使用定時器的外部觸發(fā)復(fù)位功能。如果你需要Z相清零最常規(guī)的做法就是外部中斷加軟件清零。不過要小心Z相脈沖寬度和A相脈寬相關(guān)如果Z相信號在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時變得很窄外部中斷可能會漏觸發(fā)。我用的E6B2-CWZ6C編碼器Z相脈寬是A相脈寬的四分之一低速完全沒問題高速時最好用輸入捕獲來測量脈寬避免漏掉。6.4 計(jì)數(shù)器溢出處理在CubeMX里留足余量的設(shè)計(jì)思路如果你用的是16位定時器計(jì)數(shù)器溢出是一個繞不開的問題。以500線編碼器X4模式為例Counter Period設(shè)為1999那么它范圍只有0到1999遠(yuǎn)小于65535這種情況下計(jì)數(shù)器每隔一圈就會溢出一次。每次溢出都需要在中斷里把溢出計(jì)數(shù)值加到一個軟件擴(kuò)展變量里保證位置讀數(shù)的連續(xù)性。實(shí)際上處理溢出最簡單的方式是NVIC開啟更新中斷在中斷回調(diào)里判斷更新事件的方向。如果讀取SR中的DIR標(biāo)志位為0表示向下計(jì)數(shù)即反轉(zhuǎn)溢出為1表示向上計(jì)數(shù)即正轉(zhuǎn)溢出。根據(jù)方向給軟件計(jì)數(shù)變量加一或減一最終位置值等于擴(kuò)展變量乘以(Period 1)再加上當(dāng)前CNT值。這塊邏輯雖然不復(fù)雜但涉及臨界段保護(hù)的問題要在中斷里操作共享變量時注意加臨界區(qū)保護(hù)防止主循環(huán)讀數(shù)據(jù)時讀到一半被中斷改寫造成高字節(jié)和低字節(jié)屬于不同時刻的快照。6.5 機(jī)械安裝誤差造成的輕微零速抖動最后說一種比較隱蔽的情況電機(jī)靜止時計(jì)數(shù)器讀數(shù)卻在小幅跳動。這種情況多半是機(jī)械振動帶動編碼器碼盤微小擺動A、B相在臨界邊沿附近輕微顫抖導(dǎo)致硬件捕捉到多次跳變。解決方法和毛刺類似適當(dāng)增大輸入濾波值同時在應(yīng)用層做一個小范圍的死區(qū)判斷連續(xù)多次讀到同一位置才認(rèn)為電機(jī)靜止。這一類問題不會影響大范圍運(yùn)動控制但如果你在做云臺增穩(wěn)或精密定位就非常致命。我在做小型云臺時零速抖動導(dǎo)致畫面緩慢漂移排查了很久才發(fā)現(xiàn)是電機(jī)減速箱的微小回程間隙帶動編碼器碼盤抖動最后通過調(diào)高輸入濾波器值和增加死區(qū)閾值解決了。這類經(jīng)驗(yàn)很難在芯片手冊里找到只能靠現(xiàn)場調(diào)試總結(jié)。7. 數(shù)據(jù)鏈路之外為什么我強(qiáng)烈建議你把編碼器數(shù)據(jù)流單獨(dú)封裝7.1 底層寄存器操作與上層控制邏輯解耦寫編碼器相關(guān)代碼時我強(qiáng)烈建議把編碼器的讀取和處理封裝成獨(dú)立模塊不要在主循環(huán)里直接到處調(diào)用__HAL_TIM_GET_COUNTER。原因很簡單第一如果以后換了MCU平臺只需要修改底層封裝上層控制邏輯完全不用動第二相同的位置數(shù)據(jù)會在不同地方用到比如顯示、閉環(huán)控制、日志如果直接散落在各處代碼改起來苦不堪言。我自己習(xí)慣的封裝方式是這樣的單獨(dú)建一個encoder.c和encoder.h提供Encoder_Init、Encoder_GetPosition、Encoder_GetSpeed、Encoder_Clear等接口。在上層代碼里所有模塊都只調(diào)用這幾個接口看不到任何硬件寄存器操作。調(diào)試的時候也只需要在這幾個接口里加入日志打印就能看到全系統(tǒng)的位置變化情況。7.2 一種更可靠的位置累加方法定時采樣配合溢出補(bǔ)償對于需要長時間記錄位置的應(yīng)用單純依賴CNT寄存器是不夠的因?yàn)橐绯銮辶銜G數(shù)據(jù)。推薦的做法是用固定周期定時器中斷比如1kHz讀取一次CNT值并累加到軟件位置變量里同時處理溢出回繞。這樣即使主程序被其他任務(wù)阻塞位置也不會丟。舉個具體實(shí)現(xiàn)例子static int32_t last_count 0; static int32_t position_sum 0; #define COUNTER_PERIOD 1999 void Encoder_Tick_1ms(void) { int32_t cur __HAL_TIM_GET_COUNTER(htim2); int32_t delta cur - last_count; if (delta (COUNTER_PERIOD 1) / 2) delta - (COUNTER_PERIOD 1); else if (delta -(COUNTER_PERIOD 1) / 2) delta (COUNTER_PERIOD 1); position_sum delta; last_count cur; } int32_t Encoder_GetPosition(void) { return position_sum; }這個方法把溢出的判斷條件統(tǒng)一封裝在一個中斷函數(shù)里主程序在任何時刻讀取的都是連續(xù)的軟件累加位置徹底擺脫了計(jì)數(shù)回繞的困擾。而且position_sum是32位有符號變量即便長時間運(yùn)行也不容易溢出實(shí)際項(xiàng)目中一年半載跑下來都沒問題。7.3 使用場景擴(kuò)展從單軸測速到多軸同步如果你的項(xiàng)目不只是一個電機(jī)而是像機(jī)械臂、四輪小車這樣多個電機(jī)協(xié)同工作每個電機(jī)一個定時器測速頻率要保持一致控制周期也要盡量同步。最簡單的方法是利用同一個基礎(chǔ)定時器觸發(fā)所有電機(jī)的采樣中斷在同一個中斷回調(diào)里完成所有編碼器的數(shù)據(jù)采集和速度解算。這樣不同軸之間的數(shù)據(jù)天然同步控制解算不容易出現(xiàn)因?yàn)闀r間戳不一致導(dǎo)致的偏差。多軸系統(tǒng)里的另一個注意點(diǎn)是所有編碼器共用一個電源時多個電機(jī)同時啟動會造成電源電壓跌落可能讓編碼器輸出波形畸變。解決方法是每個編碼器電源附近都加一個去耦電容并且在MCU端的信號線上加RC濾波或施密特觸發(fā)器緩沖。這個細(xì)節(jié)是我們在做四輪小車時發(fā)現(xiàn)的當(dāng)時只給主控供電一個電機(jī)啟動瞬間編碼器讀數(shù)就亂跳排查了很久才發(fā)現(xiàn)是電源軌受到干擾。8. 從配置到穩(wěn)定運(yùn)行的最后一段路我最想讓你記住的三件事回頭再看整個STM32CubeMX正交編碼器方案其實(shí)主要就三件事。第一原理上要搞懂A、B兩相正交信號如何通過相位關(guān)系產(chǎn)生位置和方向信息硬件編碼器模式為什么能替代中斷判向方案。第二配置上要選對定時器、選對引腳、選對Encoder Mode和Counter Period這三樣決定了物理層能不能正常計(jì)數(shù)。第三工程上要做好溢出處理、信號濾波和模塊封裝這三件事決定了系統(tǒng)長時間跑下來穩(wěn)不穩(wěn)定。最后的建議是不要一上來就追求花哨的算法先把編碼器數(shù)據(jù)讀準(zhǔn)、讀穩(wěn)、讀連續(xù)再談后面的PID和運(yùn)動規(guī)劃。你把一個編碼器通道吃透了其他通道都是復(fù)制粘貼的事情。我自己第一次調(diào)通編碼器模式時看到電機(jī)轉(zhuǎn)一圈讀數(shù)從0走到2000再歸零那種踏實(shí)感是單純寫GPIO中斷判向完全體會不到的。希望這篇內(nèi)容能幫你少走幾個彎路一次就把編碼器這塊做利索。 STM32CubeMX正交編碼器配置實(shí)戰(zhàn)：原理、步驟與踩坑指南
1. 從轉(zhuǎn)輪上的幾根線說起正交編碼器到底解決了什么問題做電機(jī)控制、小車底盤、云臺角度反饋的朋友多半都遇到過同一個困惑怎么準(zhǔn)確知道電機(jī)現(xiàn)在轉(zhuǎn)了多少圈、轉(zhuǎn)向是正還是反用霍爾傳感器只能測個大概用光碼盤配合普通IO讀又得盯著電平邊沿?cái)?shù)脈沖稍微一轉(zhuǎn)快了程序就亂套。直到你接觸了正交編碼器Quadrature Encoder再配合STM32定時器自帶的編碼器模式這件事才真正變得優(yōu)雅起來。正交編碼器本質(zhì)上就是一種通過兩組相位相差90度的方波信號來傳遞位置和方向信息的傳感器。A相和B相各自輸出脈沖電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個固定角度就產(chǎn)生一個邊沿。因?yàn)閮上嘈盘栔g有90度的相位差所以控制器只需要判斷A相和B相誰先跳變、誰后跳變就能知道軸是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。更關(guān)鍵的是利用A、B兩相的共同邊沿可以把一圈的物理分辨率直接翻四倍這就是常說的4倍頻。比如編碼器一圈輸出500個脈沖4倍頻之后控制器每圈能分辨2000個計(jì)數(shù)單位。STM32的定時器外設(shè)在設(shè)計(jì)上就內(nèi)置了編碼器接口模式。也就是說硬件層面已經(jīng)幫你把A、B兩相的判向和計(jì)數(shù)邏輯做完了不需要外部判向電路也不需要占用CPU中斷去逐個邊沿判斷。你只需要把編碼器的A、B相接在定時器的兩個通道輸入上配置好工作模式計(jì)數(shù)器就會自動加一或減一整個過程零CPU負(fù)擔(dān)。對工程實(shí)踐來說這意味著三件事接線簡單、實(shí)時性好、分辨率高。接線方面只需兩根信號線加電源地實(shí)時性方面計(jì)數(shù)由硬件完成不會因?yàn)橹袛囗憫?yīng)延遲而丟脈沖分辨率方面天然支持4倍頻不用額外算法就能拿到更精細(xì)的位置信息。我最早接觸這個功能是在做一個雙輪差速小車的時候。當(dāng)時用的是500線增量式編碼器加直流減速電機(jī)MCU是STM32F103RCT6。最初的方案是用外部中斷讀A相再用GPIO判斷B相電平來定方向結(jié)果車速一快中斷頻繁觸發(fā)主循環(huán)直接卡死測速數(shù)據(jù)還時不時跳變。后來換用定時器的編碼器模式整個測速鏈路瞬間輕松了。本文就圍繞STM32CubeMX中的正交編碼器配置完整講一遍原理、配置步驟、代碼集成和實(shí)際踩坑經(jīng)驗(yàn)給正準(zhǔn)備做運(yùn)動控制的朋友一個可直接參考的路徑。2. 硬件層的關(guān)鍵判斷編碼器類型、接口電壓和定時器選型2.1 增量式編碼器與絕對式編碼器的區(qū)別談到正交編碼器第一件事是分清增量式和絕對式。STM32定時器的編碼器模式主要配合增量式編碼器使用。增量式編碼器輸出A、B兩相方波可能還有Z相零位脈沖它的特點(diǎn)是只輸出相對位置變化量斷電后無法記憶絕對位置。絕對式編碼器直接輸出當(dāng)前角度的二進(jìn)制編碼值一般走SPI、SSI或者并口不走定時器編碼器模式這條路。我自己項(xiàng)目里用過兩類增量式編碼器一種是光電式碼盤上刻著密密麻麻的柵格通過光柵透射產(chǎn)生方波信號另一種是磁式利用磁阻傳感器感知磁鐵旋轉(zhuǎn)角度變化輸出也同樣是A、B正交信號。光電式精度高但怕塵土油污磁式抗污染能力強(qiáng)價(jià)格相對便宜在小型機(jī)器人關(guān)節(jié)和電機(jī)尾軸上很常見。STM32的編碼器模式對這兩類都適用因?yàn)闅w根到底它只識別電平跳變和相位關(guān)系不在乎信號是光還是磁產(chǎn)生的。2.2 信號電平匹配3.3V與5V編碼器的處理編碼器供電電壓常見的有5V和3.3V兩種。許多工業(yè)級編碼器都是5V供電輸出高電平是5V這個電壓直接進(jìn)STM32的GPIO是有風(fēng)險(xiǎn)的。STM32F1系列的IO容忍5V輸入F4系列的部分IO也標(biāo)注了FTFive-volt tolerant屬性但不是所有引腳都支持。穩(wěn)妥的做法是在CubeMX里查看引腳定義表確認(rèn)選擇的通道引腳帶FT標(biāo)識否則串電阻分壓之后再進(jìn)MCU。我在一個項(xiàng)目中用的是歐姆龍E6B2-CWZ6C額定供電5V到24V輸出是開集電極方式必須外部加上拉電阻才能有明確的高電平。那時候?yàn)榱耸∈轮苯影演敵鲂盘栆紽103的PA0和PA1上實(shí)測能用但波形邊沿比較緩后來在信號線上并聯(lián)了100pF電容去毛刺波形立刻干凈了不少。如果你的編碼器是推挽輸出邊沿會比較陡直接接3.3V供電的編碼器則最簡單完全不用考慮電平轉(zhuǎn)換。下表是我判斷編碼器接口適配性時常用的參考編碼器輸出類型輸出電平是否可直接接STM32 F1是否可直接接STM32 F4處理方式推挽輸出3.3V0~3.3V是是直接連接推挽輸出5V0~5V多數(shù)引腳可僅FT引腳可確認(rèn)FT或電平轉(zhuǎn)換開集電極輸出需外部上拉視上拉到3.3V或5V視上拉到3.3V或5V上拉到3.3V最安全差分輸出RS-422差分信號否否需要差分轉(zhuǎn)單端電路2.3 定時器選型為什么優(yōu)先選帶編碼器模式的通用定時器STM32家族里高級定時器TIM1、TIM8通用定時器TIM2、TIM3、TIM4、TIM5等都支持編碼器接口模式。選型時主要看三點(diǎn)可用的通道引腳是否和你的PCB走線沖突、計(jì)數(shù)器位寬、以及是否有其他外設(shè)搶占同一引腳。F103這種老經(jīng)典TIM2和TIM3的通道引腳映射很常用。TIM2的CH1和CH2可以映射到PA0、PA1或者通過重映射到PA15、PB3TIM3的CH1和CH2可以映射到PA6、PA7或者重映射到PB4、PB5。如果你用了JTAG調(diào)試口PA15、PB3、PB4這些引腳默認(rèn)被調(diào)試功能占用需要先關(guān)閉JTAG才能當(dāng)普通IO用。不要小看這一步很多人配置了半天引腳就是沒反應(yīng)最后發(fā)現(xiàn)是JTAG占用的問題。計(jì)數(shù)器位寬方面F103的TIM2和TIM5是32位計(jì)數(shù)器TIM3和TIM4是16位。高速旋轉(zhuǎn)時16位計(jì)數(shù)器在極高分辨率下可能很快溢出需要額外處理溢出中斷。32位計(jì)數(shù)器則寬裕得多。同樣是500線4倍頻電機(jī)最高轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘每秒產(chǎn)生的脈沖數(shù)是500 × 4 × 50 10000016位計(jì)數(shù)器65535的上限在一秒內(nèi)一定會溢出。雖然可以通過溢出中斷配合擴(kuò)展位數(shù)但如果你同時做多路電機(jī)控制溢出中斷會時不時打斷主流程增加復(fù)雜度。這也是我后來做四輪小車時優(yōu)先選TIM2的原因32位計(jì)數(shù)器讓位置計(jì)數(shù)變得非常省心。另外CubeMX的引腳分配視圖里可以直接搜索TIM2_CH1、TIM2_CH2這樣的復(fù)用功能標(biāo)識誰和誰共用一個引腳會高亮顯示底層引腳沖突一目了然。選定時器時我習(xí)慣先在CubeMX里把引腳分配方案拖一遍確認(rèn)沒有沖突再回去畫PCB能省掉后面不少飛線改板的麻煩。3. 定時器編碼器模式的內(nèi)部機(jī)制計(jì)數(shù)方向判定的硬核邏輯3.1 為什么硬件判向比中斷判向更可靠軟件判向的思路通常是A相觸發(fā)外部中斷進(jìn)中斷后讀B相電平高電平代表正轉(zhuǎn)低電平代表反轉(zhuǎn)。這個方法在小車慢速運(yùn)行時沒問題但轉(zhuǎn)速起來之后中斷的響應(yīng)延遲會引入判斷誤差。更麻煩的是如果A相毛刺較多可能在極短時間內(nèi)觸發(fā)多次中斷造成計(jì)數(shù)錯誤。硬件編碼器模式?jīng)]有這個問題。STM32的編碼器接口邏輯同時監(jiān)視兩個輸入信號在每個信號邊沿處進(jìn)行一次采樣綜合兩個信號的電平狀態(tài)判斷方向。因?yàn)榕袛噙壿嬐耆捎布M合電路實(shí)現(xiàn)不依賴指令執(zhí)行速度所以只要信號頻率在定時器時鐘能處理的范圍內(nèi)就不會出錯。判斷方向和計(jì)數(shù)的本質(zhì)邏輯可以理解成一個兩輸入的狀態(tài)機(jī)。A、B兩相各有兩個電平狀態(tài)高、低組合起來有四種狀態(tài)。編碼器每轉(zhuǎn)過一個最小角度單位組合狀態(tài)就變化一次變化的方向則決定了計(jì)數(shù)器是加一還是減一。這有點(diǎn)像我們判斷一個人往哪邊走看到腳印從左邊挪到右邊就知道他往右走了。硬件在每個邊沿看的是上一個狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)的關(guān)系而不是單看一路信號。3.2 三種計(jì)數(shù)模式為什么不選X1和X2直接上X4STM32的編碼器模式可以在CubeMX里配置三種計(jì)數(shù)方式X1模式只在一個通道的邊沿計(jì)數(shù)X2模式在兩個通道的邊沿計(jì)數(shù)X4模式在四個邊沿計(jì)數(shù)也就是每個完整信號周期產(chǎn)生四個計(jì)數(shù)脈沖。三種模式的差異直接反映在分辨率上。X1模式一圈計(jì)500個數(shù)以500線編碼器為例X2模式一圈計(jì)1000個數(shù)X4模式一圈計(jì)2000個數(shù)。很多人會糾結(jié)選哪個好我的建議是只要計(jì)數(shù)器位數(shù)夠用直接X4模式。X4模式不光分辨率最高而且每個邊沿都在更新計(jì)數(shù)器角度變化信息更平滑低速時的測速表現(xiàn)也更細(xì)膩。代價(jià)僅僅是計(jì)數(shù)器溢出更快但在32位計(jì)數(shù)器面前這個代價(jià)基本可以忽略。CubeMX中的配置項(xiàng)叫做Encoder Mode下拉里會出現(xiàn)Encoder Mode TI1、Encoder Mode TI2、Encoder Mode TI1 and TI2三個選項(xiàng)。第一個對應(yīng)X1模式第二個對應(yīng)X1模式只是計(jì)數(shù)沿選擇的通道不同第三個才是X4模式。填的時候注意別選錯我早期就誤選過Encoder Mode TI1結(jié)果分辨率只到了一半查了半天資料才發(fā)現(xiàn)是這里的問題。3.3 計(jì)數(shù)方向、溢出中斷和Counter Period的配合邏輯編碼器模式下計(jì)數(shù)器是一個雙向計(jì)數(shù)器。有人說編碼器模式下定時器的ARPE自動重裝載預(yù)裝載和重裝載值沒有意義這句話是不準(zhǔn)確的。編碼器模式下計(jì)數(shù)器會在0和自動重裝載值之間來回計(jì)數(shù)上溢和下溢都會觸發(fā)更新事件。如果你把重裝載值設(shè)為默認(rèn)的65535計(jì)數(shù)范圍就是0到65535如果你設(shè)成2000計(jì)數(shù)范圍就變成0到2000計(jì)數(shù)器到2000后繼續(xù)正轉(zhuǎn)就回0反轉(zhuǎn)從0往下就跳到2000。這個特性非常有用。假設(shè)你的編碼器一圈4倍頻之后正好是2000個脈沖把Counter Period設(shè)為2000那么讀回來的CNT值就直接對應(yīng)當(dāng)前角度在0到2000之間的位置根本不需要額外做取模運(yùn)算。做云臺和機(jī)械臂角度控制時這個特性可以省掉大量運(yùn)算代碼。需要注意的一件事是CubeMX里Counter Period填的值對應(yīng)的是ARR寄存器它決定計(jì)數(shù)上限。有人把Encoder Mode配好了但Counter Period還沿用默認(rèn)值運(yùn)行起來發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)到65535就跳變還以為是程序問題。這其實(shí)是重裝載值沒有按編碼器一圈的脈沖數(shù)來設(shè)計(jì)的典型表現(xiàn)。下面我用一個表格梳理三種模式下的關(guān)鍵參數(shù)建議方便你配置時對照檢查配置項(xiàng)X1模式X2模式X4模式一圈計(jì)數(shù)脈沖500線50010002000Counter Period建議值499或500999或10001999或2000低速測速細(xì)膩度一般較好最佳溢出中斷頻率最低中等最高3.4 初始化時清零計(jì)數(shù)的兩種方式項(xiàng)目啟動時位置必須從一個已知的狀態(tài)開始。清零計(jì)數(shù)器常見有兩種做法一種是調(diào)用__HAL_TIM_SET_COUNTER(htim, 0)直接把計(jì)數(shù)器寫入0另一種是開啟定時器后向TIM_SR寄存器的UIF位寫0等待一次更新事件完成清零。實(shí)際上最方便的還是第一種因?yàn)镠AL庫提供現(xiàn)成宏一條語句搞定。如果你接的編碼器有Z相零位脈沖還可以把Z相接在另一個IO上通過外部中斷或者輪詢方式檢測到零位信號時清零計(jì)數(shù)器這樣每次上電后機(jī)器都能自動找到機(jī)械原點(diǎn)。對于不帶Z相的編碼器只能采用上電找限位開關(guān)的方式歸零或者在機(jī)械結(jié)構(gòu)上做一個固定參考點(diǎn)讓電機(jī)轉(zhuǎn)到參考點(diǎn)時執(zhí)行一次清零操作。4. STM32CubeMX配置實(shí)操一步步點(diǎn)出一份可用的工程4.1 新建工程與時鐘樹設(shè)置打開STM32CubeMX新建工程選擇你的具體芯片型號。這里以STM32F103RCT6為例如果你用的是其他型號流程大同小異。先到Pinout Configuration界面左側(cè)Categories欄里找到SYS把Debug設(shè)為Serial Wire。這一步很重要否則默認(rèn)的JTAG會占用部分引腳后面配置編碼器輸入時可能出現(xiàn)引腳灰色不可選的情況。接著配置RCCHSE選擇Crystal/Ceramic Resonator。然后進(jìn)Clock Configuration把系統(tǒng)時鐘設(shè)為72MHz。F103的編碼器定時器時鐘來自APB1APB1的最高頻率是36MHz但定時器時鐘會自動倍頻到72MHz這個細(xì)節(jié)不用手動干預(yù)。不過你需要知道編碼器模式下定時器能處理的最高信號頻率和這個時鐘有關(guān)72MHz的定時器時鐘足以覆蓋絕大多數(shù)編碼器的信號頻率。4.2 TIM2的Encoder Mode配置細(xì)節(jié)在Categories里找到TIM2點(diǎn)擊進(jìn)去在Mode一欄把Combined Channels設(shè)為Encoder Mode。此時下方會出現(xiàn)兩個輸入通道的配置選項(xiàng)Channel1和Channel2都會自動變成Input Capture Indirect Mode之類的顯示不需要手動修改CubeMX會自動關(guān)聯(lián)。接著在Configuration一欄里設(shè)置參數(shù)Counter Period根據(jù)上一章的公式計(jì)算如果500線編碼器用X4模式填1999。填1999的意思是從0數(shù)到1999共2000個值正好對應(yīng)一圈。Encoder Mode選Encoder Mode TI1 and TI2。Polarity默認(rèn)的Rising Edge即可不需要改動。只有在編碼器信號接反、方向反了的時候才考慮通過取反極性來修正方向。有個小技巧在配置完TIM2后到右側(cè)的Pinout視圖確認(rèn)一下TIM2_CH1和TIM2_CH2映射到了哪個引腳。如果不滿意默認(rèn)映射可以在芯片視圖里直接點(diǎn)擊引腳旁邊的復(fù)用功能文字下拉重新選擇。這樣不用改PCB布局也能靈活調(diào)整。4.3 打開中斷還是DMA實(shí)際場景的選擇依據(jù)編碼器模式單獨(dú)工作不需要中斷也不需要DMA。計(jì)數(shù)器是硬件自己跑的你想讀位置時直接讀CNT寄存器就行。但從工程實(shí)用性角度建議開啟更新中斷尤其是需要做測速或者位置溢出管理的時候。在NVIC Settings標(biāo)簽頁里勾選TIM2 global interrupt然后在代碼里實(shí)現(xiàn)定時器周期中斷回調(diào)就能實(shí)現(xiàn)定期采集位置值。如果你只是偶爾讀取一下當(dāng)前位置比如操作員按鍵觸發(fā)的機(jī)械臂點(diǎn)動就不必開中斷輪詢讀取CNT足夠。開了中斷反而會頻繁打斷主循環(huán)增加功耗和復(fù)雜度。選擇標(biāo)準(zhǔn)只有一個你是否需要在計(jì)數(shù)溢出邊界進(jìn)行處理或者需要恒定周期采集數(shù)據(jù)。需要就開不需要就不開。DMA在編碼器場景下的用途不大典型的DMA用法是配合ADC連續(xù)采樣模擬量或是配合串口收發(fā)數(shù)據(jù)編碼器計(jì)數(shù)本身沒有DMA的需求。如果你看到別人在編碼器項(xiàng)目里用DMA多半是用DMA搬運(yùn)周期采樣的位置數(shù)據(jù)到內(nèi)存數(shù)組做的是后級數(shù)據(jù)處理不是編碼器模式本身的要求。4.4 生成代碼前的最后檢查清單點(diǎn)擊Project Manager設(shè)置好工程名稱、存儲路徑和工具鏈。這里有幾個容易忽略的檢查點(diǎn)需要確認(rèn)IDE選項(xiàng)要和本機(jī)安裝的版本對應(yīng)MDK-ARM選對應(yīng)版本或者選STM32CubeIDE。代碼生成選項(xiàng)里Generated files框下勾選Generate peripheral initialization as a pair of .c/.h files per peripheral這樣每個外設(shè)單獨(dú)生成文件和頭文件后續(xù)維護(hù)方便。如果勾選了Initialize all peripherals with their default settings可能會把沒配置的外設(shè)也生成初始化代碼增加編譯時間建議不勾。確認(rèn)無誤后點(diǎn)擊GENERATE CODE。生成的工程放在你指定的路徑下打開MDK或者CubeIDE就能直接編譯。注意第一次編譯之前在魔術(shù)棒或項(xiàng)目屬性里檢查C/C編譯器選項(xiàng)是否選中了Use MicroLIB。STM32標(biāo)準(zhǔn)庫全功能時需要較少棧空間也會影響printf之類的重定向這些雖然不是編碼器專屬配置但能讓后續(xù)調(diào)試順暢不少。5. 生成代碼解讀與業(yè)務(wù)代碼集成怎么把CNT變成有用的速度5.1 HAL庫初始化流程里發(fā)生了什么打開生成的tim.c文件你會看到MX_TIM2_Init函數(shù)里面有幾段關(guān)鍵代碼。第一段是會話語句和結(jié)構(gòu)體賦值配置Prescaler、CounterMode、Period和ClockDivision。需要特別注意的是編碼器模式下ClockDivision位置和采樣控制有關(guān)一般默認(rèn)值即可不要去調(diào)整預(yù)分頻值。HAL_TIM_Encoder_Init這個函數(shù)比普通定時器初始化多做了什么它會調(diào)用定時器底層初始化函數(shù)把編碼器模式寫入到定時器的控制寄存器里并配置兩個輸入通道為映射模式。更重要的是它設(shè)置了輸入濾波器的相關(guān)參數(shù)。在CubeMX界面的Input Filter選項(xiàng)里你可以填0到15的數(shù)字。這個濾波器是數(shù)字信號濾波器用于濾除信號線上的窄毛刺。實(shí)際工程中如果編碼器線纜較長或者電機(jī)電磁干擾較重把輸入濾波調(diào)到2到4左右能大幅減少誤計(jì)數(shù)。調(diào)太高會讓有效信號的最小脈寬變長影響極限轉(zhuǎn)速下的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度。5.2 啟動編碼器接口HAL_TIM_Encoder_Start和Start_IT的區(qū)別代碼生成后不會自動啟動定時器。你需要在主程序的初始化階段調(diào)用HAL_TIM_Encoder_Start來啟動編碼器接口。這里有一個常見的坑有人用了編碼器模式但忘了啟動定時器CNT寄存器永遠(yuǎn)是0怎么轉(zhuǎn)電機(jī)都沒反應(yīng)查了老半天。如果開啟了更新中斷則要調(diào)用HAL_TIM_Encoder_Start_IT這樣才能在計(jì)數(shù)器溢出時觸發(fā)中斷回調(diào)。不帶_IT的版本永遠(yuǎn)進(jìn)不了中斷。不要記混這兩個接口的名字我在一個四軸機(jī)械臂的項(xiàng)目里就吃過這個虧只調(diào)了Start沒調(diào)Start_IT中斷服務(wù)函數(shù)里怎么調(diào)試都不進(jìn)最后對著手冊逐行查才發(fā)現(xiàn)是調(diào)用錯了API。啟動編碼器之后讀位置的接口是__HAL_TIM_GET_COUNTER(htim2)。這個宏返回當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值也就是編碼器從啟動或上次清零到現(xiàn)在的位置變化量。如果當(dāng)前方向是反轉(zhuǎn)讀回的值會從計(jì)數(shù)上限往下遞減你不需要判斷正負(fù)CNT值本身就是有方向性的位置信息。5.3 周期測速兩次采樣差值與M法測速編碼器最常見的應(yīng)用場景是測速度。M法測速的思路是在固定時間窗口內(nèi)統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)用計(jì)數(shù)差值除以時間得到速度。實(shí)現(xiàn)起來非常簡單開啟一個基礎(chǔ)定時器比如TIM6配置成1ms中斷在中斷回調(diào)里讀取CNT值減去上一次的CNT值差值就是1ms內(nèi)的脈沖變化量。用這個差值乘以一個換算系數(shù)就能得到轉(zhuǎn)速。換算系數(shù)怎么算舉個例子編碼器500線4倍頻后一圈2000個脈沖1ms采到100個脈沖那么每秒就是100000個脈沖除以2000就是50圈/秒也就是3000轉(zhuǎn)/分鐘。代碼里可以寫成 speed_rpm (delta_count * 60) / (2000 * 0.001) / 60簡化之后其實(shí)就是按比例算。為了防止計(jì)數(shù)器溢出帶來的跳變?nèi)绻麅纱尾钪到^對值超過計(jì)數(shù)范圍的一半就做一次補(bǔ)償修正。比如Counter Period設(shè)為1999如果這次讀到100上次讀到1900直接算差值是-1800但實(shí)際可能是正轉(zhuǎn)了200個脈沖發(fā)生了回繞需要判斷差值大于半周期就減掉一個滿周期。這個判斷邏輯是測速代碼里最容易出錯的地方務(wù)必處理。5.4 和PWM控制配合一個位置閉環(huán)的最簡樣例有了速度和位置信息就能做最簡單的閉環(huán)控制。比如你要讓電機(jī)轉(zhuǎn)到設(shè)定位置就可以寫一個比例控制器PID里只保留P項(xiàng)int32_t target 1000; // 目標(biāo)位置 int32_t current __HAL_TIM_GET_COUNTER(htim2); int32_t error target - current; int32_t output Kp * error; // 輸出限幅到PWM占空比范圍 __HAL_TIM_SET_COMPARE(htim3, TIM_CHANNEL_1, output);這里的Kp需要實(shí)際調(diào)試調(diào)小了響應(yīng)慢調(diào)大了會振蕩。通常的做法是先讓電機(jī)在一個固定占空比下運(yùn)行觀察編碼器讀數(shù)是否穩(wěn)定再逐步加大Kp觀察響應(yīng)曲線。完整的PID還要加上積分項(xiàng)消除靜差和微分項(xiàng)抑制超調(diào)這里只是演示閉環(huán)控制的框架足以說明編碼器數(shù)據(jù)如何注入到控制鏈路中。6. 實(shí)測踩坑記錄從波形毛刺到方向反了我遇到過的五個典型問題6.1 A、B相接反導(dǎo)致計(jì)數(shù)方向反轉(zhuǎn)這是新手最容易碰到的問題。STM32CubeMX中默認(rèn)的計(jì)數(shù)方向是A相超前B相為正轉(zhuǎn)如果你的編碼器線序恰巧反了電機(jī)正轉(zhuǎn)時計(jì)數(shù)器的值反而在減小。排查這個問題很簡單手動緩慢正轉(zhuǎn)電機(jī)打開調(diào)試器看CNT值的變化方向。如果發(fā)現(xiàn)反了有兩個解決辦法一是在硬件上把A、B兩相信號對調(diào)二是在CubeMX的Polarity設(shè)置里把其中一個通道的極性設(shè)為Falling Edge。從項(xiàng)目維護(hù)角度看改軟件極性更省事因?yàn)椴挥脛咏泳€。需要注意的是改極性不僅會影響計(jì)數(shù)方向還會影響計(jì)數(shù)邊沿的位置本質(zhì)上等于把采樣點(diǎn)平移了90度。如果你同時還用了Z相零位零位脈沖的位置和計(jì)數(shù)器的匹配關(guān)系可能會因此偏一位不過對大多數(shù)應(yīng)用沒有影響。6.2 布線太長導(dǎo)致波形邊沿抖動數(shù)字濾波器的正確設(shè)置編碼器線纜超過30厘米又沒有采用雙絞屏蔽線時A、B相波形邊沿容易出現(xiàn)振鈴和毛刺。毛刺導(dǎo)致的結(jié)果是異常計(jì)數(shù)有時正轉(zhuǎn)一下計(jì)數(shù)器跳好幾個數(shù)有時反轉(zhuǎn)時計(jì)數(shù)反而增加。逐一對硬件進(jìn)行改動可能比較麻煩但STM32定時器自帶的輸入濾波器能在軟件層面解決大部分問題。在CubeMX的Input Filter字段中填入合適值就可以開啟濾波。這個濾波器的原理是只有當(dāng)信號連續(xù)穩(wěn)定N個采樣周期后才確認(rèn)電平變化。Filter值越大抗干擾越強(qiáng)同時對真實(shí)信號的延遲也越大。編碼器轉(zhuǎn)速不高時直接把濾波值設(shè)到8都行但高速場合需要核算一下最大可接受延遲。以72MHz定時器時鐘為例Filter值為8時最短可識別的信號脈寬大約是8個采樣周期即大約110納秒的脈沖寬度要求。如果編碼器最高轉(zhuǎn)速下信號脈寬小于這個值就會丟脈沖。6.3 編碼器零點(diǎn)漂移Z相清零與CNT自動回繞的區(qū)別很多編碼器帶有Z相也叫Index信號每圈出一個脈沖。利用Z相可以精確確定機(jī)械零位。有人直接把Z相接在普通IO上在中斷里用軟件清零CNT。另一種實(shí)現(xiàn)方式是利用定時器的編碼器接口和Z相輸入的特性在硬件層面自動復(fù)位計(jì)數(shù)器但STM32的編碼器模式并不內(nèi)置Z相清零邏輯除非額外使用定時器的外部觸發(fā)復(fù)位功能。如果你需要Z相清零最常規(guī)的做法就是外部中斷加軟件清零。不過要小心Z相脈沖寬度和A相脈寬相關(guān)如果Z相信號在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時變得很窄外部中斷可能會漏觸發(fā)。我用的E6B2-CWZ6C編碼器Z相脈寬是A相脈寬的四分之一低速完全沒問題高速時最好用輸入捕獲來測量脈寬避免漏掉。6.4 計(jì)數(shù)器溢出處理在CubeMX里留足余量的設(shè)計(jì)思路如果你用的是16位定時器計(jì)數(shù)器溢出是一個繞不開的問題。以500線編碼器X4模式為例Counter Period設(shè)為1999那么它范圍只有0到1999遠(yuǎn)小于65535這種情況下計(jì)數(shù)器每隔一圈就會溢出一次。每次溢出都需要在中斷里把溢出計(jì)數(shù)值加到一個軟件擴(kuò)展變量里保證位置讀數(shù)的連續(xù)性。實(shí)際上處理溢出最簡單的方式是NVIC開啟更新中斷在中斷回調(diào)里判斷更新事件的方向。如果讀取SR中的DIR標(biāo)志位為0表示向下計(jì)數(shù)即反轉(zhuǎn)溢出為1表示向上計(jì)數(shù)即正轉(zhuǎn)溢出。根據(jù)方向給軟件計(jì)數(shù)變量加一或減一最終位置值等于擴(kuò)展變量乘以(Period 1)再加上當(dāng)前CNT值。這塊邏輯雖然不復(fù)雜但涉及臨界段保護(hù)的問題要在中斷里操作共享變量時注意加臨界區(qū)保護(hù)防止主循環(huán)讀數(shù)據(jù)時讀到一半被中斷改寫造成高字節(jié)和低字節(jié)屬于不同時刻的快照。6.5 機(jī)械安裝誤差造成的輕微零速抖動最后說一種比較隱蔽的情況電機(jī)靜止時計(jì)數(shù)器讀數(shù)卻在小幅跳動。這種情況多半是機(jī)械振動帶動編碼器碼盤微小擺動A、B相在臨界邊沿附近輕微顫抖導(dǎo)致硬件捕捉到多次跳變。解決方法和毛刺類似適當(dāng)增大輸入濾波值同時在應(yīng)用層做一個小范圍的死區(qū)判斷連續(xù)多次讀到同一位置才認(rèn)為電機(jī)靜止。這一類問題不會影響大范圍運(yùn)動控制但如果你在做云臺增穩(wěn)或精密定位就非常致命。我在做小型云臺時零速抖動導(dǎo)致畫面緩慢漂移排查了很久才發(fā)現(xiàn)是電機(jī)減速箱的微小回程間隙帶動編碼器碼盤抖動最后通過調(diào)高輸入濾波器值和增加死區(qū)閾值解決了。這類經(jīng)驗(yàn)很難在芯片手冊里找到只能靠現(xiàn)場調(diào)試總結(jié)。7. 數(shù)據(jù)鏈路之外為什么我強(qiáng)烈建議你把編碼器數(shù)據(jù)流單獨(dú)封裝7.1 底層寄存器操作與上層控制邏輯解耦寫編碼器相關(guān)代碼時我強(qiáng)烈建議把編碼器的讀取和處理封裝成獨(dú)立模塊不要在主循環(huán)里直接到處調(diào)用__HAL_TIM_GET_COUNTER。原因很簡單第一如果以后換了MCU平臺只需要修改底層封裝上層控制邏輯完全不用動第二相同的位置數(shù)據(jù)會在不同地方用到比如顯示、閉環(huán)控制、日志如果直接散落在各處代碼改起來苦不堪言。我自己習(xí)慣的封裝方式是這樣的單獨(dú)建一個encoder.c和encoder.h提供Encoder_Init、Encoder_GetPosition、Encoder_GetSpeed、Encoder_Clear等接口。在上層代碼里所有模塊都只調(diào)用這幾個接口看不到任何硬件寄存器操作。調(diào)試的時候也只需要在這幾個接口里加入日志打印就能看到全系統(tǒng)的位置變化情況。7.2 一種更可靠的位置累加方法定時采樣配合溢出補(bǔ)償對于需要長時間記錄位置的應(yīng)用單純依賴CNT寄存器是不夠的因?yàn)橐绯銮辶銜G數(shù)據(jù)。推薦的做法是用固定周期定時器中斷比如1kHz讀取一次CNT值并累加到軟件位置變量里同時處理溢出回繞。這樣即使主程序被其他任務(wù)阻塞位置也不會丟。舉個具體實(shí)現(xiàn)例子static int32_t last_count 0; static int32_t position_sum 0; #define COUNTER_PERIOD 1999 void Encoder_Tick_1ms(void) { int32_t cur __HAL_TIM_GET_COUNTER(htim2); int32_t delta cur - last_count; if (delta (COUNTER_PERIOD 1) / 2) delta - (COUNTER_PERIOD 1); else if (delta -(COUNTER_PERIOD 1) / 2) delta (COUNTER_PERIOD 1); position_sum delta; last_count cur; } int32_t Encoder_GetPosition(void) { return position_sum; }這個方法把溢出的判斷條件統(tǒng)一封裝在一個中斷函數(shù)里主程序在任何時刻讀取的都是連續(xù)的軟件累加位置徹底擺脫了計(jì)數(shù)回繞的困擾。而且position_sum是32位有符號變量即便長時間運(yùn)行也不容易溢出實(shí)際項(xiàng)目中一年半載跑下來都沒問題。7.3 使用場景擴(kuò)展從單軸測速到多軸同步如果你的項(xiàng)目不只是一個電機(jī)而是像機(jī)械臂、四輪小車這樣多個電機(jī)協(xié)同工作每個電機(jī)一個定時器測速頻率要保持一致控制周期也要盡量同步。最簡單的方法是利用同一個基礎(chǔ)定時器觸發(fā)所有電機(jī)的采樣中斷在同一個中斷回調(diào)里完成所有編碼器的數(shù)據(jù)采集和速度解算。這樣不同軸之間的數(shù)據(jù)天然同步控制解算不容易出現(xiàn)因?yàn)闀r間戳不一致導(dǎo)致的偏差。多軸系統(tǒng)里的另一個注意點(diǎn)是所有編碼器共用一個電源時多個電機(jī)同時啟動會造成電源電壓跌落可能讓編碼器輸出波形畸變。解決方法是每個編碼器電源附近都加一個去耦電容并且在MCU端的信號線上加RC濾波或施密特觸發(fā)器緩沖。這個細(xì)節(jié)是我們在做四輪小車時發(fā)現(xiàn)的當(dāng)時只給主控供電一個電機(jī)啟動瞬間編碼器讀數(shù)就亂跳排查了很久才發(fā)現(xiàn)是電源軌受到干擾。8. 從配置到穩(wěn)定運(yùn)行的最后一段路我最想讓你記住的三件事回頭再看整個STM32CubeMX正交編碼器方案其實(shí)主要就三件事。第一原理上要搞懂A、B兩相正交信號如何通過相位關(guān)系產(chǎn)生位置和方向信息硬件編碼器模式為什么能替代中斷判向方案。第二配置上要選對定時器、選對引腳、選對Encoder Mode和Counter Period這三樣決定了物理層能不能正常計(jì)數(shù)。第三工程上要做好溢出處理、信號濾波和模塊封裝這三件事決定了系統(tǒng)長時間跑下來穩(wěn)不穩(wěn)定。最后的建議是不要一上來就追求花哨的算法先把編碼器數(shù)據(jù)讀準(zhǔn)、讀穩(wěn)、讀連續(xù)再談后面的PID和運(yùn)動規(guī)劃。你把一個編碼器通道吃透了其他通道都是復(fù)制粘貼的事情。我自己第一次調(diào)通編碼器模式時看到電機(jī)轉(zhuǎn)一圈讀數(shù)從0走到2000再歸零那種踏實(shí)感是單純寫GPIO中斷判向完全體會不到的。希望這篇內(nèi)容能幫你少走幾個彎路一次就把編碼器這塊做利索。