使用TIM计算编码器的脉冲总数，并计算脉冲方向

发表于 2021-9-4 18:00

一、前言
STM32工程：

链接：https://pan.baidu.com/s/1o4lovPLwxNpSxf_jlLvCBA
提取码：hf2i

STM32F407，STM32F103，STM32H743的TIM都有编码器的功能。STM32的TIM上的编码器功能真的非常强大，它是纯硬件计算的，意味着MCU不需要参与脉冲数的计算（所以不需要进入中断做累加了），MCU只需要在合适的时间上读一下脉冲总数即可。如果你的闭环控制频率是500Hz的话，那么每2ms就需要读一下脉冲总数。通过STM32CubeMX可以非常便利地使用STM32的编码器功能去读取编码器反馈的脉冲数，在CubeMX生成的代码后，添加一点点代码就能实现该功能了。

有关步进电机与编码器的知识介绍，可以查看广州硬石科技《硬石YS-F4Pro开发板开发手册》从第40章开始。在嵌入式运动控制领域，广州硬石科技算是资料比较多的。

在机器人开发中，我经常使用步进电机。为了能够实现运动的闭环控制，步进电机是一定要增加编码器的。如下图所示：

**虽然这边博文不是介绍编码器的基本知识，但是为了看懂代码的目的。**编码器的关键参数需要了解一下：

1、分辨率

其实就是电机的转轴旋转一周，编码器的A相或B相（就是一个相）输出多少个脉冲信号而已。如下图的编码器所示，电机的转轴旋转一周，编码器的某一个相反馈3600个脉冲。

2、脉冲的电压

脉冲其实就是PWM信号，有1与0两种状态。一定要弄清楚脉冲的1是多少V（最好用示波器确认好！！！），不小心的话会烧掉芯片。STM32芯片基本都是支持3.3V与5V（容忍值，在芯片手册能查到是否支持5V）。

如下这个编码器，当VCC与GND接入5V时，它的脉冲的最高电压就是5V。

3、编码器的相数

一般的工业控制，采用两相（A/B相）的编码器足够。如下图所示，使用A相/B相就好了，细心的同学肯定发现，不是还有一个Z相吗？答案是，是有Z相，但是它的作用是电机的转轴旋转一周后，才反馈一个脉冲。其实就是反馈电机转了多少圈。这个Z相真的没什么用，原因是我通过A/B相也能知道电机旋转的多少圈，而且转了1/360也能测出来。但是Z相的话，只能测试1，2，3，4圈，无法测量0.5圈，0.3圈。

发表于 2021-9-4 18:01

二、本次实验的编码器

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbGxhY2U4OQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg
分辨率：1000线（意思是电机的转轴旋转一周，A相反馈1000个脉冲，B相也会反馈1000个脉冲）

脉冲电压：5V （博文最后，有示波器的观察，可以看到电压）

编码器相数：A/B相（Z相是电机转轴旋转一周，才反馈一个脉冲）

发表于 2021-9-4 18:01

三、编码器与STM32的连接

编码器与单片机需要在同一个GND上（不然单片机与编码器怎么沟通呀），接着给编码器输入5V电源。
watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbGxhY2U4OQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg

发表于 2021-9-4 18:03

四、CubeMX的配置

4.1、RCC

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbGxhY2U4OQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg

发表于 2021-9-4 18:03

4.2、Clock Configuration

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbGxhY2U4OQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg

发表于 2021-9-4 18:04

4.3、TIM2
选择TIM2的原因是，只有TIM2与TIM5是32位的计数器（-2147483648 ~ 2147483647），其他TIM都是16位的计数器（-32768 ~ 32767）。说白了，当步进电机在旋转时，16位的计数器会频繁溢出，程序里要做好计数器溢出的处理。当使用TIM2与TIM5的32位计数器时，我觉得就可以省去了处理"计数器溢出"的问题了。

博文的后面，会解释为什么选用"Encoder Mode TI1 and TI2"即4倍频模式。

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbGxhY2U4OQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbGxhY2U4OQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg

发表于 2021-9-4 18:05

4.4、生成代码

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbGxhY2U4OQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg

发表于 2021-9-4 18:06

五、Keil

5.1、Target

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbGxhY2U4OQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg

发表于 2021-9-4 18:07

5.2、C/C++的配置

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbGxhY2U4OQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg

发表于 2021-9-4 18:08

5.3、Debug的配置

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbGxhY2U4OQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg

发表于 2021-9-4 18:09

六、代码

6.1、main.c

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbGxhY2U4OQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg

发表于 2021-9-4 18:10

七、DEBUG
7.1、用手让步进电机逆时钟旋转约1圈
用手拧着电机的转轴逆时钟旋转一周（手动很难做到刚刚好的1圈），encoder_Counter = 4040（Encoder Mode TI1 与 TI2的四倍频模式），编码器是1000线 * 4倍频 = 4000个脉冲。脉冲的方向是：0x01（可以说是CW，也可以说是CCW。这取决于我们项目的定义）

发表于 2021-9-4 18:11

7.2、用手让步进电机顺时钟旋转约1圈
程序复位后，用手拧着电机的转轴顺时钟旋转一周（手动很难做到刚刚好的1圈），encoder_Counter = -4040（Encoder Mode TI1 与 TI2的四倍频模式），编码器是1000线 * 4倍频 = 4000个脉冲。脉冲的方向是：0x00（可以说是CW也可以说是CCW。但是，如果0x01是CW的话，那么CCW肯定就是CCW）

发表于 2021-9-4 18:12

本帖最后由 qcliu 于 2021-9-4 18:13 编辑

八、示波器

最后，我用示波器观察一下电机的B相。步进电机旋转时，B相究竟会输出怎么样的电平。从GIF图看到，脉冲的高电平电压是5V左右。

发表于 2021-9-4 18:13

九、细节补充
9.1、Encoder Mode

Encoder Mode一共有三种模式：

1、Encoder Mode TI1

2、Encoder Mode TI2

3、Encoder Mode TI1 and TI2

其实，这三种模式是决定定时器计数的方式，如下图所示：

通过时序图来理解Encoder Mode TI1 and TI2为什么能将脉冲数4倍频，也解释了TIM是如何判断脉冲的方向。

[STM32F4] 使用TIM计算编码器的脉冲总数，并计算脉冲方向

相关帖子

浏览过的版块