【二】编码器原理与电机转速、角度控制
前言：由于写博客过程中出了点小插曲，再加上第二次积分赛的到来，导致第一次积分赛的总结一直鸽到现在。。。现在先水一篇。：-）
我们的有刷电机带有一个霍尔编码器，用于获取速度、角度等信息，以完成云台要求的转速与角度控制。
以下是该电机编码器的参数：
一、编码器原理
我们这里使用的是增量式编码器。
增量式编码器是将设备运动时的位移信息变成连续的脉冲信号，脉冲个数表示位移量的大小。其特点如下：
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只有当设备运动时才会输出信号。
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一般会输出通道A和通道B 两组信号，并且有90° 的相位差（1/4个周期），同时采集这两组信号就可以计算设备的运动速度和方向。
如下图，通道A和通道B的信号的周期相同，且相位相差1/4个周期，结合两相的信号值：
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- 当B相和A相先是都读到高电平（1 1），再B读到高电平，A读到低电平（1 0），则为顺时针转
- 当B相和A相先是都读到低电平（0 0），再B读到高电平，A读到低电平（1 0），则为逆时针转
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除通道A、通道B 以外，还会设置一个额外的通道Z 信号，表示编码器特定的参考位置
如下图，传感器转一圈后Z 轴信号才会输出一个脉冲，在Z轴输出时，可以通过将AB通道的计数清零，实现对码盘绝对位置的计算。
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增量式编码器只输出设备的位置变化和运动方向，不会输出设备的绝对位置。
分辨率：指编码器能够分辨的最小单位。
- 对于增量式编码器，其分辨率表示为编码器转轴旋转一圈所产生的脉冲数，即脉冲数/转(Pulse Per Revolution 或PPR)。由第一张图可知，我们的电机PPR为11，即旋转一圈产生11个脉冲。
如何采集编码器的脉冲数据呢？恰好我们的STM32单片机定时器模式中有一个定时器的编码器模式，我们通常用它来测量脉冲变化值。通过访问计数器cnt的值（编码器模式中使用上下计数）来检测接收到的脉冲数。
之前文章的工程配置里有提到，我们设置TIM2为编码器模式。
二、转速测量
统计固定时间间隔内的编码器的脉冲数，来计算速度值。我们需要根据编码器的参数来得到转速的计算方式。我们打开一个定时器中断TIM4，每隔0.01s测量一次转速。
速度计算方法：这里计算的是真实的电机的物理转速n（r/s）
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C：编码器单圈总脉冲数，也有一个公式：
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\[C=ρ×PPR \]
- ρ：电机减速比，即电机转轴转1圈，电机本身要转多少圈
- PPR：编码器分辨率
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T0：每次的统计时间（单位为秒）
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M0：该时间内统计到的编码器脉冲数，通过读取这次和上次定时器计数器的值cnt得到
我们这里减速比ρ经测试是20。PPR是11，因为定时器中断为100Hz，T0为0.01。
三、角度测量
具体原理同速度测量，直接上公式：
- C：编码器单圈总脉冲数，解释见上。
- N0：该时间内统计到的编码器脉冲数，通过读取这次定时器计数器的值cnt得到
四、代码部分
基于上一篇文章添加以下代码。
1、添加变量
float speed;
float angle;
int32_t cnt;
int32_t last_cnt;
2、使能定时器中断和编码器模式
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim4);
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_ALL);
/* USER CODE END 2 */
3、添加中断回调函数
/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if(htim == &htim4)
{
cnt = (short)TIM2->CNT; //tim2计数器的值
speed = (float)(cnt - last_cnt) / 22.0f / 20 * 100;
angle = ((float)cnt) / 22.0f / 20 * 360; //保存上一次计数器的值
last_cnt = cnt;
}
}
/* USER CODE END 4 */
4、转速控制
PWM占空比越大，提供给电机的平均电压越大，电机转速就高。反之PWM占空比越小，提供给电机的平均电压越小，电机转速就低。
我们之前工程配置输出的PWM占空比为50%，这里加大转速，占空比设为70%。
set_pwm(700);
五、接线与数值监控
见图一，和上一篇文章，编码器信号线黄线与绿线接单片机PA0与PA1引脚，得到AB相脉冲。其余和上一篇文章一致。
在Debug模式下观测PWM占空比分别为50%与70%时speed与angle数据。当然在串口上也能看。
