电机控制基础3——定时器编码器模式使用与转速计算

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上篇介绍了定时器捕获输入脉冲的原理，那种方式是根据捕获的原理，手动切换上升沿与下降沿捕获，计算脉冲宽度的过程原理比较清晰，但编程操作起来比较麻烦。

对于电机测速用到的正交编码器，测速时需要捕获2路脉冲，如果使用上一篇介绍的方法，编程就较为复杂。还好单片机的通用定时器具有专门的正交编码器接口，只需配置相应的寄存器，就可实现编码器输入的上下沿自动捕获与计数，非常便于编码器的测速。

下面就来介绍下定时器的编码器模式的使用：

1 正反转计数原理示例

编码器模式下，计数器的计数方向代表的电机的正转与反转，计数的大小代表了转速的大小。

如下图，电机正转时，编码器的通道A（TI1）的信号超前通道B，计数器向上计数，反转时，通道A的信号滞后，向下计数。

设置信号的极性反相，可以使向下计数代表电机正转。

2 定时器编码器模式配置

以STM32 芯片为例，其内部有专门用来采集增量式编码器方波信号的接口，这些接口实际上是STM32 定时器的其中一种功能。不过编码器接口功能只有高级定时器TIM1、TIM8 和通用定时器的TIM2~TIM5 才有。

正交编码器有两路正交的输入信号（关于正交编码的介绍，可查看之前的文章：编码器计数原理与电机测速原理——多图解析），根据实际需要，可以设置只捕获某个通道的上升沿或下降沿，也可以设置同时捕获两个通道的上升沿与下降沿，这样就可以提高编码器的计数精度，实现倍频。

编码器模式的配置实际上是通过配置SMCR寄存器和CCER寄存器来实现。

2.1 SMCR寄存器配置触发模式

SMCR即从模式控制寄存器(slave mode control register)，查阅STM32F4的参考手册，可以找到类似如下信息，现在我们只需关注SMS这几位：

  • 位 15 ETP：外部触发极性 (External trigger polarity)

  • 位 14 ECE：外部时钟使能 (External clock enable)

  • 位 13:12 ETPS：外部触发预分频器 (External trigger prescaler)

  • 位 11:8 ETF[3:0]：外部触发滤波器 (External trigger filter)

  • 位 7 MSM：主/从模式 (Master/Slave mode)

  • 位 6:4 TS：触发选择 (Trigger selection)

  • 位 3 保留，必须保持复位值

  • 位 2:0 SMS：从模式选择 (Slave mode selection)

    • 000：禁止从模式––如果 CEN =“1”，预分频器时钟直接由内部时钟提供。

    • 001：编码器模式 1––计数器根据 TI1FP1 电平在 TI2FP2 边沿 递增/递减计数。

    • 010：编码器模式 2––计数器根据 TI2FP2 电平在 TI1FP1 边沿 递增/递减计数。

    • 011：编码器模式 3––计数器在 TI1FP1 和 TI2FP2 的边沿计数，计数的方向取决于另外一个信号的电平。

    • 100：复位模式––在出现所选触发输入 (TRGI) 上升沿时，重新初始化计数器并生成一个寄存器更新事件。

    • 101：门控模式––触发输入 (TRGI) 为高电平时使能计数器时钟。只要触发输入变为低电平，计数器立即停止计数（但不复位）。计数器的启动和停止都是受控的。

    • 110：触发模式––触发信号 TRGI 出现上升沿时启动计数器（但不复位）。只控制计数器的启动。

    • 111：外部时钟模式 1––由所选触发信号 (TRGI) 的上升沿提供计数器时钟。


上面的SMCR寄存器介绍中，关于TI1、TI2等的函数：

TI1 和 TI2对应编码器的A、B两相输入信号。

TI1FP1 和 TI2FP2 是进行输入滤波器和极性选择后 TI1 和 TI2 的信号，如果不进行滤波和反相，则 TI1FP1=TI1，TI2FP2=TI2。


从上面的SMCR寄存器的功能介绍可知，选择编码器接口模式时：

如果计数器仅在 TI2 边沿处计数，在 TIMx_SMCR 寄存器中写入 SMS=001

如果计数器仅在 TI1 边沿处计数，写入 SMS=010

如果计数器在 TI1 和 TI2 边沿处均计数，则写入 SMS=011


定时器的编码器模式根据两个输入的信号转换序列，产生计数脉冲和方向信号。根据该信号转换序列，计数器相应递增或递减计数，同时硬件对 TIMx_CR1 寄存器的DIR位进行相应修改。任何输入（TI1 或 TI2）发生信号转换时，都会计算 DIR 位。

2.2 CCER寄存器配置极性

通过编程 TIMx_CCER 寄存器的 CC1P 和 CC2P 位，可以选择 TI1 和 TI2 极性。实际上就是设置TIxFP1 是否与TIx反相，来设置正转时是向下计数还是向下计数。

  • 位 15、11、7、3 CCxNP：捕获 /比较x 输出极性 (Capture/Comparex output Polarity)

  • 位 14、10、6、2 保留，必须保持复位值

  • 位 13、9、5、1 CCxP：捕获 /比较x 输出极性 (Capture/Comparex output Polarity)。

    • CCx 通道配置为输出：

      • 0：OCx 高电平有效

      • 1：OCx低电平有效

    • CCx 通道配置为输入：

      CCxNP/CCxP 位可针对触发或捕获操作选择 TI1FP1 和 TI2FP1 的极性。

      • 00：非反相/上升沿触发电路对 TIxFP1 上升沿敏感（在复位模式、外部时钟模式或触发模式下执行捕获或触发操作）， TIxFP1 未反相 （在门控模式或编码器模式下执行触发操作）。

      • 01：反相/下降沿触发 电路对 TIxFP1 下降沿敏感 （在复位模式、外部时钟模式或触发模式下执行捕获或触发操作）， TIxFP1 反相 （在门控模式或编码器模式下执行触发操作）。

      • 10：保留，不使用此配置。

      • 11：非反相/上升沿和下降沿均触发 电路对 TIxFP1 上升沿和下降沿都敏感（在复位模式、外部时钟模式或触发模式下执行捕获或触发操作），TIxFP1 未反相（在门控模式下执行触发操作）。编码器模式下不得使用此配置!!!。

  • 位 12、8、4、0 CCxE：捕获 /比较 x 输出使能 (Capture/Comparex output enable)

注：在编码器模式下，极性的作用是设置TIxFP1 是否反相，不要被”上升沿敏感“误导为是只捕获上升沿信号！

”上升沿敏感“是在非编码器模式下的功能。所以，编码模式下，只能配置为00或01。

另一方面来看，编码器模式下，只能通过SMCR的模式设置倍频，要么是2倍频，要么是4倍频，貌似不能设置1倍频(只对1个通道的上升沿或下降沿计数)。

2.3 CCMR寄存器配滤波参数

如果需要，通过配置CCMR寄存器的IC1F与IC2F，还可以对编码器输入信号进行滤波配置：

这些寄存器的说明在上篇文章已有介绍，这里不再展开。

3 计数方向对照表解读

编码器模式下，计数器的计数方向（递增计数还是递减计数）会根据增量编码器的速度和方向自动进行修改，因此，其计数值始终表示编码器的位置。计数方向对应于所连传感器的旋转方向。下表汇总了可能的组合（假设 TI1 和 TI2 不同时切换）。

注：STM32 的编码器接口在计数的时候，并不是单纯采集某一通道信号的上升沿或下降沿，而是需要综合另一个通道信号的电平。（通俗的讲就是，使用编码器接口时，编码器的两个输入通道A与通道B都需要进行电路连接！！！，虽然你设置了仅在某一个通道上计数，但这个通道的计数时机需要参考另一路通道的信号）表中“相反信号的电平”指的就是在计数的时候所参考的另一个通道信号的电平，这些电平决定了计数器的计数方向。

3.1 仅在TI1处计数

这里的仅在TI1处计数，就是仅统计编码器的通道A的信号跳变，先以电机正转为例：

注：以下的介绍中，“通道A“代表TI1，“通道B“代表TI2。

3.1.1 电机正转（向上计数）

假定电机正转时，编码的通道A的信号比通道B提前1/4个周期（也即相位提前90度），在通道A的上升沿与下降沿均计数（如下图TI1波形中的绿色和红色箭头），因为计数的方向代表的电机转动的方向，所以，在正转的情况下：

  • 通道A上升沿，通道B为低电平，向上计数，代表电机正转

  • 通道A下降沿，通道B为高电平，向上计数，代表电机正转

3.1.2 电机反转（向下计数）

反转的情况，编码的通道A的信号比通道B滞后1/4个周期：

  • 通道A下降沿，通道B为低电平，向上计数，代表电机反转

  • 通道A上升沿，通道B为高电平，向上计数，代表电机反转


3.2 仅在TI2处计数

仅在TI2处计数，就是仅统计编码器的通道B的信号跳变，同样可以分为正转和反转两种情况，具体的对应关系参考上面的”仅在TI1处计数“自行分析，实际上通道A与通道B从自身来说功能是等价的。

3.3 在TI1与TI2处均计数

在TI1与TI2处均计数，就是讲编码器的通道A与通道B的信号均统计并进行计数，这样可以提高计数频率，实现倍频。

这里还以电机正转为例*：

观察下图，编码器在开始阶段可依次捕获到：通道A上升沿、通道B上升沿、通道A下降沿、通道B下降沿，所以有：

  • 通道A上升沿，通道B为低电平，向上计数，代表电机正转

  • 通道B上升沿，通道A为高电平，向上计数，代表电机正转

  • 通道A下降沿，通道B为高电平，向上计数，代表电机正转

  • 通道B下降沿，通道A为高电平，向上计数，代表电机正转


4 编程实现

4.1 定时器编码器模式配置

这里使用的通用定时器中的 TIM4，配置定时器最基础的功能就是要配置时基，使用输入功能还要配置定时器的GPIO和输入通道。

#define ENCODER_TIM_PSC  0          /*计数器分频*/
#define ENCODER_TIM_PERIOD  65535   /*计数器最大值*/
#define CNT_INIT 0                  /*计数器初值*/
​
void TIM4_ENCODER_Init(void)                      
{ 
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;            /*GPIO*/
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStruct; /*时基*/
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;          /*输入通道*/
    
    /*GPIO初始化*/    
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*使能GPIO时钟 AHB1*/                    
    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);        
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; 
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;        /*复用功能*/
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;  /*速度100MHz*/
    GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;   
    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;        
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); 
    
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM4); 
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource7,GPIO_AF_TIM4); 
​
    /*时基初始化*/
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);   /*使能定时器时钟 APB1*/
    TIM_DeInit(TIM4);  
    TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStruct);    
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = ENCODER_TIM_PSC;       /*预分频 */        
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD;       /*周期(重装载值)*/
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;      
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  /*连续向上计数模式*/  
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStruct); 
​
    /*编码器模式配置：同时捕获通道1与通道2(即4倍频)，极性均为Rising*/
    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising); 
    TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStruct);        
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0;   /*输入通道的滤波参数*/
    TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStruct); /*输入通道初始化*/
    TIM_SetCounter(TIM4, CNT_INIT);      /*CNT设初值*/
    TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_IT_Update);   /*中断标志清0*/
    TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE); /*中断使能*/
    TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);                /*使能CR寄存器*/
}

这里将定时器的计数溢出值设为65535，即TIM4的计数最大值（TIM4为16位计数器）。目的是避免计数器溢出，简化后续的速度计算方式（计数器器若溢出，在计算转速时，还要将溢出的次数考虑进去）。

编码器模式设置为TIM_EncoderMode_TI12，即两路信号均计数，实现4倍频。

编码器两个输入的极性均设置为TIM_ICPolarity_Rising，即极性不反相。

这里编码器模式的设置，调用了TIM_EncoderInterfaceConfig()函数，其内部即是对相关的寄存器进行配置：

void TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_EncoderMode, uint16_t TIM_IC1Polarity, uint16_t TIM_IC2Polarity)
{
  uint16_t tmpsmcr = 0;
  uint16_t tmpccmr1 = 0;
  uint16_t tmpccer = 0;
    
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_TIM_LIST2_PERIPH(TIMx));
  assert_param(IS_TIM_ENCODER_MODE(TIM_EncoderMode));
  assert_param(IS_TIM_IC_POLARITY(TIM_IC1Polarity));
  assert_param(IS_TIM_IC_POLARITY(TIM_IC2Polarity));
​
  tmpsmcr = TIMx->SMCR;/* Get the TIMx SMCR register value */
  tmpccmr1 = TIMx->CCMR1; /* Get the TIMx CCMR1 register value */
  tmpccer = TIMx->CCER;/* Get the TIMx CCER register value */
  tmpsmcr &= (uint16_t)~TIM_SMCR_SMS;/* Set the encoder Mode */
  tmpsmcr |= TIM_EncoderMode;
​
  /* Select the Capture Compare 1 and the Capture Compare 2 as input */
  tmpccmr1 &= ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC1S) & ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC2S);
  tmpccmr1 |= TIM_CCMR1_CC1S_0 | TIM_CCMR1_CC2S_0;
​
  /* Set the TI1 and the TI2 Polarities */
  tmpccer &= ((uint16_t)~TIM_CCER_CC1P) & ((uint16_t)~TIM_CCER_CC2P);
  tmpccer |= (uint16_t)(TIM_IC1Polarity | (uint16_t)(TIM_IC2Polarity << (uint16_t)4));
​
  TIMx->SMCR = tmpsmcr; /* 配置数据写入 SMCR 寄存器 */
  TIMx->CCMR1 = tmpccmr1; /* 配置数据写入 CCMR1 寄存器 */
  TIMx->CCER = tmpccer; /* 配置数据写入 CCER 寄存器 */
}



4.2 电机转轴转速计算

这里使用一款直流减速电机：

  • 减速比是34（即电机转轴转1圈，电机本身要转34圈）

  • 电机转一圈的物理脉冲数是11

所以，电机转轴转1圈时，可以产生的物理脉冲为34*11=374个，又由于编码器器模式实现了4倍频计数，所以，电机转轴转1圈时，定时器可以计数374×4=1496个。


对于转速的计算，这里使用M法测速（M法测速的具体原理参考之前的文章：编码器计数原理与电机测速原理——多图解析），即统计固定时间间隔内的编码器的脉冲数，来计算速度值。


1.png

  • C：编码器单圈总脉冲数

  • ​T0：每次的统计时间（单位为秒）

  • ​M0：该时间内统计到的编码器脉冲数

比如，对于本次实验的电机，转轴转1圈时，定时器计数1496个，即C=1496个，对应程序中的TOTAL_RESOLUTION。T0可以选择100ms，即0.1s。

程序编写如下，这里通过另外一个定时器7来实现每100ms调用一次calc_motor_rotate_speed()函数来进行转速的实时计算，每次使用read_encoder()读取编码器器的值后，都将计数值CNT设为初始值0，重新开始计数，这样就可以保证每次读到的都是上个100ms的计数值。

另外，这里通过将CNT的uint32类型的计数值， 转为int16类型，就可以利用正负来区分上个100ms电机整体的转动方向（正转CNT从0向上计数，转为int16还是正值；反转CNT从0向下计数，会溢出，转为int16就为负数）。

#define ENCODER_RESOLUTION 11    /*编码器一圈的物理脉冲数*/
#define ENCODER_MULTIPLE 4       /*编码器倍频，通过定时器的编码器模式设置*/
#define MOTOR_REDUCTION_RATIO 34 /*电机的减速比*/
/*电机转一圈总的脉冲数(定时器能读到的脉冲数) = 编码器物理脉冲数*编码器倍频*电机减速比 */
#define TOTAL_RESOLUTION ( ENCODER_RESOLUTION*ENCODER_MULTIPLE*MOTOR_REDUCTION_RATIO ) 
​
// 读取定时器计数值
static int read_encoder(void)
{
    int encoderNum = 0;
    encoderNum = (int)((int16_t)(TIM4->CNT)); /*CNT为uint32, 转为int16*/
    TIM_SetCounter(TIM4, CNT_INIT);/*CNT设初值*/
​
    return encoderNum;
}
​
//计算电机转速（被另一个定时器每100ms调用1次） 
void calc_motor_rotate_speed()
{
    int encoderNum = 0;
    float rotateSpeed = 0;
    
    /*读取编码器的值，正负代表旋转方向*/
    encoderNum = read_encoder();
    /* 转速(1秒钟转多少圈)=单位时间内的计数值/总分辨率*时间系数 */
    rotateSpeed = (float)encoderNum/TOTAL_RESOLUTION*10;
    
    printf("encoder: %d\t speed:%.2f rps\r\n",encoderNum,rotateSpeed);
}

5 实验演示

通过串口发送指令，控制另外一个定时器产生指定占空比的PWM来控制电机进行恒速转动，然后测试编码器读到的速度值。

(串口指令用到了字符串切割和串口接收不定长字符的功能，可参考之前的文章：与 中的部分内容，PWM的产生可参考：)

视频中，串口打印的encoder为100ms内读到的编码器器的计数值，正负号代表正反转，speed为根据编码器的计数值计算的电机输出轴的转速，单位为圈每秒。

首先是全速正反转，转速接近5圈每秒。

然后通过调整pwm，使得电机转轴转速接近1圈每秒，由于转1圈的脉冲理论上有1496个，现在是每100ms读一次，所以能读到149个左右，符合理论值。

​
​
​

（完）