【二】編碼器原理與電機轉速、角度控制

QHWYX發表於2022-03-29

前言：由於寫部落格過程中出了點小插曲，再加上第二次積分賽的到來，導致第一次積分賽的總結一直鴿到現在。。。現在先水一篇。：-）

我們的有刷電機帶有一個霍爾編碼器，用於獲取速度、角度等資訊，以完成雲臺要求的轉速與角度控制。

以下是該電機編碼器的引數：

一、編碼器原理

我們這裡使用的是增量式編碼器。

增量式編碼器是將裝置運動時的位移資訊變成連續的脈衝訊號，脈衝個數表示位移量的大小。其特點如下：

  • 只有當裝置運動時才會輸出訊號。

  • 一般會輸出通道A和通道B 兩組訊號，並且有90° 的相位差（1/4個週期），同時採集這兩組訊號就可以計算裝置的運動速度和方向。

    如下圖，通道A和通道B的訊號的週期相同，且相位相差1/4個週期，結合兩相的訊號值：

    • 當B相和A相先是都讀到高電平（1 1），再B讀到高電平，A讀到低電平（1 0），則為順時針轉
    • 當B相和A相先是都讀到低電平（0 0），再B讀到高電平，A讀到低電平（1 0），則為逆時針轉

  • 除通道A、通道B 以外，還會設定一個額外的通道Z 訊號，表示編碼器特定的參考位置

    如下圖，感測器轉一圈後Z 軸訊號才會輸出一個脈衝，在Z軸輸出時，可以通過將AB通道的計數清零，實現對碼盤絕對位置的計算。

  • 增量式編碼器只輸出裝置的位置變化和運動方向，不會輸出裝置的絕對位置。

解析度：指編碼器能夠分辨的最小單位。

  • 對於增量式編碼器，其解析度表示為編碼器轉軸旋轉一圈所產生的脈衝數，即脈衝數/轉(Pulse Per Revolution 或PPR)。由第一張圖可知，我們的電機PPR為11，即旋轉一圈產生11個脈衝。

如何採集編碼器的脈衝資料呢？恰好我們的STM32微控制器定時器模式中有一個定時器的編碼器模式，我們通常用它來測量脈衝變化值。通過訪問計數器cnt的值（編碼器模式中使用上下計數）來檢測接收到的脈衝數。

之前文章的工程配置裡有提到，我們設定TIM2為編碼器模式。

二、轉速測量

統計固定時間間隔內的編碼器的脈衝數，來計算速度值。我們需要根據編碼器的引數來得到轉速的計算方式。我們開啟一個定時器中斷TIM4，每隔0.01s測量一次轉速。

速度計算方法：這裡計算的是真實的電機的物理轉速n（r/s）

\[n=\frac{M_0}{(C*T_0)} \]

  • C：編碼器單圈總脈衝數，也有一個公式：

  • \[C=ρ×PPR \]

    • ρ：電機減速比，即電機轉軸轉1圈，電機本身要轉多少圈
    • PPR：編碼器解析度

  • T0：每次的統計時間（單位為秒）

  • M0：該時間內統計到的編碼器脈衝數，通過讀取這次和上次定時器計數器的值cnt得到

我們這裡減速比ρ經測試是20。PPR是11，因為定時器中斷為100Hz，T0為0.01。

三、角度測量

具體原理同速度測量，直接上公式：

\[Angle=\frac{N_0}{C}×360 \]

  • C：編碼器單圈總脈衝數，解釋見上。
  • N0：該時間內統計到的編碼器脈衝數，通過讀取這次定時器計數器的值cnt得到

四、程式碼部分

基於上一篇文章新增以下程式碼。

1、新增變數

float speed;
float angle;
int32_t cnt;
int32_t last_cnt;

2、使能定時器中斷和編碼器模式

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim4);
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_ALL);
/* USER CODE END 2 */

3、新增中斷回撥函式

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if(htim == &htim4)
    {
        cnt = (short)TIM2->CNT;                               //tim2計數器的值   
        speed = (float)(cnt - last_cnt) / 22.0f / 20 * 100;
        angle = ((float)cnt) / 22.0f / 20 * 360;              //儲存上一次計數器的值
        last_cnt = cnt;
    }
}
/* USER CODE END 4 */

4、轉速控制

PWM佔空比越大，提供給電機的平均電壓越大，電機轉速就高。反之PWM佔空比越小，提供給電機的平均電壓越小，電機轉速就低。

我們之前工程配置輸出的PWM佔空比為50%，這裡加大轉速，佔空比設為70%。

set_pwm(700);

五、接線與數值監控

見圖一，和上一篇文章，編碼器訊號線黃線與綠線接微控制器PA0與PA1引腳，得到AB相脈衝。其餘和上一篇文章一致。

在Debug模式下觀測PWM佔空比分別為50%與70%時speed與angle資料。當然在串列埠上也能看。

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