3、编码器接口与电机测速：正交编码器原理、STM32定时器编码器模式、速度采集与滤波
做机器人运动控制，绕不开一个核心问题：电机到底转了多少？
你想想看，你给电机发了PWM，它转了。但实际转了多少圈？有没有丢步？速度稳不稳？这些问题，光靠开环控制是回答不了的。这时候，编码器就派上用场了。
我个人习惯把编码器比作电机的「眼睛」。没有它，你的控制器就是个盲人。今天我们就来聊聊这个「眼睛」是怎么工作的，以及如何在STM32上把它用好。
3.1 正交编码器的工作原理
正交编码器，说白了就是能告诉你位置和方向的传感器。它输出两路方波信号，通常叫A相和B相。
核心概念：两路信号相位差90°，通过判断谁先跳变，就能知道电机是正转还是反转。
我在项目中遇到过一个问题：电机抖动时，编码器会输出错误的脉冲。后来发现，是没理解正交信号的真正含义。
3.1.1 信号时序与判向逻辑
来看一个典型的正交信号时序：
- 正转：A相上升沿时，B相为低电平
- 反转：A相上升沿时，B相为高电平
- 四倍频：利用A、B相的上升沿和下降沿，一个周期可以计4个脉冲
嗯，这里要注意。四倍频虽然提高了分辨率，但也放大了噪声。我一般建议：如果电机振动大，先用二倍频，稳定后再切四倍频。
| 信号边沿 | 正转计数 | 反转计数 |
|---|---|---|
| A上升沿，B=0 | +1 | -1 |
| A下降沿，B=1 | +1 | -1 |
| B上升沿，A=1 | +1 | -1 |
| B下降沿，A=0 | +1 | -1 |
这张表你记牢了，编码器接口的底层逻辑就通了。
3.2 STM32定时器编码器模式
STM32的定时器有个隐藏技能——编码器模式。说白了，就是硬件帮你把A、B相的逻辑判断、计数、方向识别全干了。你只需要读寄存器就行。
我记得第一次用这个功能时，还傻傻地用外部中断去读编码器。后来发现定时器自带这个模式，真是相见恨晚。
3.2.1 模式配置与寄存器
STM32的编码器模式有三种：
- 模式1：只在TI1（A相）边沿计数
- 模式2：只在TI2（B相）边沿计数
- 模式3：在TI1和TI2所有边沿计数（四倍频）
我一般用模式3，分辨率最高。但要注意，计数器溢出问题。
经验之谈：定时器是16位的，最大计数值65535。如果电机转得快，很容易溢出。我习惯把定时器设为中心对齐模式，配合DMA定期读取，避免丢数。
配置代码其实不复杂：
// 以STM32F407 TIM3为例
TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_ENCODERMODE_TI12,
TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0F; // 滤波，后面会讲
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
// 同样的配置给Channel 2
TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
// 使能定时器
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);这段代码的核心是 TIM_ENCODERMODE_TI12，告诉定时器：你帮我盯着A和B，我自己算方向。
3.2.2 计数器读取与方向判断
读编码器值很简单：
int16_t encoder_value = TIM_GetCounter(TIM3);方向呢？看 TIM_SMCR 寄存器的 DIR 位。但我不建议频繁读寄存器，效率低。我一般这样处理：
// 用上一次值和当前值比较，判断方向
static int16_t last_enc = 0;
int16_t curr_enc = TIM_GetCounter(TIM3);
int16_t delta = curr_enc - last_enc;
if (delta > 0) {
// 正转
} else if (delta < 0) {
// 反转
}
last_enc = curr_enc;这样做的好处是：一次读取，既得位置，又得方向。
3.3 速度采集与滤波
位置有了，速度怎么算？
最简单的办法：单位时间内的脉冲增量。但实际做起来，坑不少。
注意：直接差分算速度，噪声会被放大。尤其是低速时，脉冲间隔长，算出来的速度一跳一跳的。我曾经因为这个，让机器人走直线走出了「醉汉步」。
3.3.1 M法、T法、M/T法
测速有三种经典方法：
| 方法 | 原理 | 适用场景 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| M法 | 固定时间，数脉冲数 | 中高速 | 低速时精度差 |
| T法 | 固定脉冲数，测时间 | 低速 | 高速时更新慢 |
| M/T法 | 结合两者 | 宽速域 | 实现稍复杂 |
我个人的习惯是：机器人关节电机用M/T法，因为要兼顾低速启停和高速运行。如果是轮式机器人，M法就够了。
3.3.2 滤波算法实战
算出来的速度，必须滤波。不然控制器的输出会抖得像筛子。
我常用的三种滤波：
- 限幅滤波：如果当前速度与上次速度的差值超过阈值，就丢弃。适合剔除突发噪声。
- 滑动平均：取最近N个速度值的平均。N一般取4~8，太大延迟高。
- 一阶低通滤波：公式简单，计算量小。
一阶低通的代码：
#define ALPHA 0.2f // 滤波系数，越小越平滑
float lowpass_filter(float input, float last_output) {
return ALPHA * input + (1.0f - ALPHA) * last_output;
}这个 ALPHA 怎么调？我一般先设0.2，看波形。如果噪声大，降到0.1；如果响应慢，升到0.3。没有固定值，得试。
调试技巧：用DAC输出滤波前后的速度值，接示波器看。比串口打印直观一百倍。我每次调滤波参数，都是这么干的。
3.4 本章知识结构
下面这张图，把编码器测速的完整链路画出来了。从硬件信号到软件滤波，每一步都环环相扣。
从这张图你能看到，整个测速链路其实就四个环节。每个环节都有坑，但也都对应着成熟的解决方案。