电机控制基础知识--直流有刷电机编码器测速

编码器是一种能将直线位移、角位移数据转换为脉冲信号、二进制编码的设备。它本质上就是一个传感器，可以把角位移或直线位移转换成电信号，并反馈给控制器，使控制器知道当前机械运动的位置、角度等信息。编码器常用的有磁电增量式、光电增量式以及光电绝对式三种，本篇文章主要讲解磁电增量式编码器，其原理是：利用霍尔效应，将位移转换成计数脉冲，用脉冲个数计算位移和速度。如下图所示：由图可见，磁电增量式编码器的结构包

螺丝钉的扭矩一瞬间产生高能蛋白

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螺丝钉的扭矩一瞬间产生高能蛋白 · 2025-11-02 22:47:42 发布

1. 引言

在电机控制中，常需要对电机的转速进行检测，一般采用编码器测速的方式。本期将介绍编码器的概念、编码器测速的原理、以及如何以STM32为例来编写代码实现测速功能。

2. 编码器简介

编码器是一种能将直线位移、角位移数据转换为脉冲信号、二进制编码的设备。它本质上就是一个传感器，可以把角位移或直线位移转换成电信号，并反馈给控制器，使控制器知道当前机械运动的位置、角度等信息。

编码器常用的有磁电增量式、光电增量式以及光电绝对式三种，本篇文章主要讲解磁电增量式编码器，其原理是：利用霍尔效应，将位移转换成计数脉冲，用脉冲个数计算位移和速度。如下图所示：

由图可见，磁电增量式编码器的结构包含：磁盘、霍尔传感器以及信号转换电路3个部分，其中，磁盘是由一个个交替排布的S极和N极磁极组成；霍尔传感器可以把磁场的变化转换成电信号的变化，它通常有A、B两相（有的还有Z相），这两相的安装位置形成一定的夹角，这使得输出的A、B两相信号有90°的相位差；信号转换电路可以把电信号转换成脉冲信号。

一般而言，磁盘会装在电机的转轴上，它会随着电机的转轴旋转，而磁盘上面的S极和N极就会交替地经过霍尔传感器的A、B两相，霍尔传感器就可以把磁盘上的磁场变化转换为电信号的变化（霍尔传感器原理不过多展开，有兴趣自行百度霍尔效应），输入到信号转换电路中，经过信号的转换之后，我们就可以得到A、B两相脉冲信号。从上图中可以看到，A、B两相脉冲信号存在90°的相位差，而磁盘的正反转方向就决定了是A相信号在前还是B相在前。

了解编码器的基本结构后，来看一下编码器的基本参数。如下所示：

分辨率：编码器每个计数单位之间产生的距离，它是编码器可以测量到的最小的距离。对于增量式编码器，分辨率表示为编码器的转轴每旋转一圈所输出的脉冲数（PPR），也称为多少线，本篇文章以11线为例。

精度：编码器分辨率和精度是两个独立的概念，精度是指编码器输出的信号数据与实际位置之间的误差，常用角分′、角秒″表示。

最大响应频率：编码器每秒能输出的最大脉冲数，单位Hz，也称为PPS。

最大转速：指编码器机械系统所能承受的最高转速。

3. 编码器的测速原理

在第2章节讲过，直流有刷电机的编码器有A、B两相。它们会输出两个相位差为90°的脉冲。一般来讲，当电机正转时，A相脉冲在前；当电机反转时，则是B相脉冲在前。那此时问题来了，经过编码器中的霍尔传感器检测到磁场，转变为脉冲信号后，如何将这些脉冲信号转换为电机的转速呢？

如章节2所示，电机转轴上布满了磁铁，当电机转一圈时，安装在电机转轴上的霍尔传感器可以检测到11个脉冲；而电机转速是1min转多少圈，因此只需要去计算1min内检测到的脉冲数，再除以分辨率，就可以得到1min转动的圈数，即电机的转速。

因此，问题的关键又转移到了如何去计算出1min内的脉冲数。好在STM32的定时器里有个编码器接口模式功能可以解决这个问题，STM32定时器功能如下图所示：

接下来着重看一下STM32的编码器接口模式功能。

3.1 STM32编码器接口模式

依据STM32中文参考手册_V10，编码器接口模式基本上相当于使用了一个带有方向选择的外部时钟。这意味着计数器只在0到 TIMx_ARR寄存器的自动装载值之间连续计数(根据方向，或是0到ARR计数，或是ARR到0计数)。个人解释来说，编码器接口模式就是一个计数器，对外部输入的脉冲信号进行计数；而计数的方向则是由脉冲相位的先后所决定的，计数范围在0-65535之间。如下图所示：

由图可见，当电机正转时，输出两相脉冲信号，A相脉冲在前，此时编码器接口把脉冲信号作为计数器的脉冲，计数方式为递增计数；当电机反转时，计数方式就变成了递减计数。

该计数方向的规定也可以在STM32中文参考手册_V10的表77找到，如下图所示：

接下来以一个示例来对上表进行说明，当A相上升沿到来时（如下图中①处），我们需要关注B相的电平高低，从下图中可看到B相此时是低电平，结合表77，可以得知此时计数方向为递增计数；当A相下降沿到来时（下图中②处），从图中可以看到B相此时是高电平，结合表77，可以得知此时计数方向为递增计数；当A相上升沿再次到来时（下图中③处），同理可得此时计数方向为递增计数。综上所得，可以知道此时电机正转对应的计数方向就是递增计数。

此外，还需要注意一点的是关于计数模式的选择：如果选择仅在A相或者B相处计数，就相当于对脉冲信号进行了2倍频（因为此时会在两个边沿计数，上升沿和下降沿），此时如果编码器输出10个脉冲信号，那么就会计数20次。如果选择的是在A和B处均计数，就相当于对脉冲信号进行了4倍频，此时如果编码器输出10个脉冲信号，那么就会计数 40 次。因此，通过计数次数来计算电机速度的时候，需要除以相应的倍频系数。

综上可知如何计算1min内的脉冲数后，即可得到电机转速的具体公式如下：电机转速 = 一分钟内计数变化量 / 倍频系数 / 编码器线数 / 减速比；其中，减速比指的是瞬时输入速度与输出速度的比值，如输入转速为1500r/min，输出转速为25r/min，那么其减速比则为60:1。

3.2 编码器接口

了解到编码器接口模式的计数原理之后，又出现了个问题--即外部输入的脉冲信号是怎么进入到编码器接口的呢？也可以在参考手册找到答案，定时器的编码器接口框图如下图所示：

由上图可见，A、B两相脉冲信号从TIMx_CH1和TIMx_CH2这两个通道输入，经过滤波器和边沿检测器（可以设置滤波和反相）的处理，进入到编码器接口控制器中。此外， TIMx_CH3和TIMx_CH4是不支持编码器接口模式的。

综上，了解了如何计算脉冲数变化量从而得到电机转速，接下来看一下具体的代码实现。

4. 编码器测速编程

STM32定时器有高级定时器、通用定时器及基本定时器之分。在之前的电机控制基础知识讲解文章中，采用了高级定时器来控制直流有刷电机；因此，此处采用通用定时器来实现编码器测速功能。接下来先说一下几个关键的寄存器配置。

4.1 关键寄存器

先来看TIMx_CCMR1寄存器，如下图所示：

需要操作的关键位由上图可见，主要解释一下滤波器的设置。假设IC1F[3:0]=0011，并设置IC1映射到TI1上。表示以fCK_INT为采样频率，当连续8次都是采样到TI1为高电平或者低电平，滤波器才输出一个有效输出边沿。当8次采样中有高有低，那就保持原来的输出，这样可以滤除高频干扰信号，从而达到滤波的效果。

接下来看捕获/比较使能寄存器TIMx_CCER，如下图所示：

由上图可见，需要注意的是CC1位，当配置为输入时，可以选择反相或者不反相，选择反相时代表电机转动方向与编码器计数方向不一致时，可以通过设置为反向来快速纠正方向。

最后关注从模式控制寄存器TIMx_SMCR，如下图所示：

该寄存器的SMS[2:0]位，用于从模式选择，其实就是选择计数模式。如果需要仅在 TI1边沿处计数（A接TI1），则设置SMS[2:0]=010；如果需要仅在 TI2边沿处（B接TI2）计数，则设置SMS[2:0]=001；如果需要在 TI1、TI2边沿处都计数，则设置SMS[2:0]=011。

4.2 代码编写

接下来看详细的代码编写，仅供演示，请谨慎参考。首先是编码器初始化驱动函数如下：

/*TIM3编码器功能初始化*/
void TIM3_encode_init(u16 arr, u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef  TIM_ICInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef  NVIC_InitStructure;
	
	/*使能TIM3时钟和GPIO*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);	//使能定时器3时钟
	io_set(GPIOA, GPIO_Pin_6, GPIO_Mode_IN_FLOATING);		//初始化TIM3_CH1
	io_set(GPIOA, GPIO_Pin_7, GPIO_Mode_IN_FLOATING);		//初始化TIM3_CH2
	
	/*设置定时器参数*/
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; 
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;       
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
	
	/*设置编码器，此处选择4倍频，需要对TI1(A相)和TI2(B相)进行计数*/
	TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;				//选择CH1			
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;							//设置滤波器
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; 	//选择是否反相,不反向
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;	//选择输入通道，对应寄存器CCIS[1:0]
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;			//不分频，每一个边沿触发一次捕获
	TIM_ICInit(TIM3,&TIM_ICInitStructure);							//初始化TIM3编码器接口
	
	TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;				//选择CH2			
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;							//设置滤波器
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; 	//选择是否反相，不反向
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;	//选择输入通道，对应寄存器CCIS[1:0]
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;			//不分频，每一个边沿触发一次捕获
	TIM_ICInit(TIM3,&TIM_ICInitStructure);							//初始化TIM3编码器接口
	/*配置编码器接口，选择TI1、TI2同时计数*/
	TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
	
	/*设置TIM3中断，因为最大计数为65535,超过会溢出，开启更新中断*/
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;  				//TIM3中断
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;  		//先占优先级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;  			//从优先级0级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; 				//IRQ通道被使能
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  								//根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器
	
	TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE ); 						//使能指定的TIM3中断,允许更新中断

	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  										//使能TIM3
	
}

上述编码器初始化代码中之所以要配置中断相关的初始化，就是考虑到计数脉冲值溢出65535时，此时计数值会变为0或者是65535，因此需要处理溢出情况。接下来是定时器TIM4的初始化，用于计算转速，代码如下所示：

void TIM4_init(u16 arr,u16 psc)
{
	TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); //时钟使能

	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值	 
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值  
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
	TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,ENABLE ); 		//使能指定的TIM2中断,允许更新中断
	
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn;  //TIM2中断
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;  //先占优先级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;  //从优先级0级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  //根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器

	TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);  							 
}

接下来看对应的中断函数以及转速计算，代码如下：

/*获取计数脉冲值*/
int get_encoder_value(void)
{
	u16 buffer;
	buffer=TIM_GetCounter(TIM3)+(overflow*65536);
	TIM_SetCounter(TIM3,0);
	return buffer;
}

/*获取计数方向*/
u8 TIM_GetDirection(TIM_TypeDef* TIMx)
{
    return (TIMx->CR1 & TIM_CR1_DIR) ? 1 : 0;
}


/*获取电机转动速度*/
float get_speed(int encode_value,u8 ms)
{
	u8 i = 0, j = 0;
    float temp = 0.0;
	float speed;
    static uint8_t sp_count = 0, k = 0;
    static float speed_arr[10] = {0.0};                     // 存储速度进行滤波运算 

    if (sp_count == ms)                                     // 计算一次速度 
    {
        //保存电机转速，30为减速比，4倍频，11线
        speed_arr[k++] = (float)(encode_value * ((1000 / ms) * 60.0) / 30 / (11*4)); 

        /* 累计10次速度值，进行冒泡排序，后续进行滤波*/
        if (k == 10)
        {
            for (i = 10; i >= 1; i--)                       
            {
                for (j = 0; j < (i - 1); j++) 
                {
                    if (speed_arr[j] > speed_arr[j + 1])    /* 数值比较 */
                    { 
                        temp = speed_arr[j];                /* 数值换位 */
                        speed_arr[j] = speed_arr[j + 1];
                        speed_arr[j + 1] = temp;
                    }
                }
            }
            
            temp = 0.0;
            
            for (i = 2; i < 8; i++)                         /* 去除两边高低数据 */
            {
                temp += speed_arr[i];                       /* 将中间数值累加 */
            }
            
            temp = (float)(temp / 6);                       /*求速度平均值*/
            
            /* 一阶低通滤波
             * 公式为：Y(n)= qX(n) + (1-q)Y(n-1)
             * 其中X(n)为本次采样值；Y(n-1)为上次滤波输出值；Y(n)为本次滤波输出值，q为滤波系数
             * q值越小则上一次输出对本次输出影响越大，整体曲线越平稳，但是对于速度变化的响应也会越慢
             */
            speed = (float)( ((float)0.48 * temp) + (speed * (float)0.52) );
            k = 0;
        }
        sp_count = 0;
    }
    sp_count ++;
	return speed;
}


/*TIM3定时器中断函数，用于处理溢出*/
void TIM3_IRQHandler(void)
{
	if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) //检查 TIM3 更新中断发生与否
	{
		TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update ); //清除 TIM3 更新中断标志
		if(TIM_GetDirection(TIM3))					//获取dir
		{
			overflow--;								//dir=1,为递减计数
		}
		else
		{
			overflow++;								//dir=0，为递增计数
		}
	}
}


/*TIM4定时器中断函数，用于计算1ms的计数脉冲值和计算速度*/
void TIM4_IRQHandler(void)
{
	int count;
	float speed;
	if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) != RESET) 	//检查 TIM4 更新中断发生与否
	{
		TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update ); 	//清除 TIM4 更新中断标志
		count = get_encoder_value();					//获取脉冲值
		speed=get_speed(count,50);						//50ms计算一次速度
		printf("motor speed is %.1f\r\n",speed);
	}	

}