编码器原理与电机转速、角度控制

2022年5月30日08:19:43

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：

编码器原理与电机转速、角度控制

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：

  • 只有当设备运动时才会输出信号。

  • 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：

    • 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

  • 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。

  • 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。

编码器原理与电机转速、角度控制

编码器原理与电机转速、角度控制

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）

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

  • C：编码器单圈总脉冲数，也有一个公式：

  • \[C=ρ×PPR
    \]
    • 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

  • 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，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：

\[Angle=\frac{N_0}{C}×360
\]
  • 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。

编码器原理与电机转速、角度控制

编码器原理与电机转速、角度控制

  • 作者：QHWYX
  • 原文链接：https://www.cnblogs.com/qhwyx/p/16074100.html
    更新时间：2022年5月30日08:19:43 ，共 1858 字。