📚 课程目录第4章编码器与速度测量

4. 编码器与速度测量：增量式编码器原理、STM32编码器接口模式、M法/T法/M-T法测速

做电机控制，速度反馈是闭环的灵魂。没有准确的速度测量，PID调得再好也是瞎忙活。今天咱们就聊聊编码器——这个在电机控制里最常见的“眼睛”。

我个人习惯把编码器比作电机的“码表”。它不直接告诉你速度，而是告诉你“转了多少格”。你得自己算，才能知道跑多快。这“怎么算”就是M法、T法、M-T法的核心。

4.1 增量式编码器工作原理

增量式编码器，说白了就是一个带光栅的圆盘。圆盘转，光栅切光，传感器输出脉冲。你数脉冲个数，就知道转了多少角度。

它通常输出两路信号：A相和B相。这两路信号相位差90度。通过判断谁先跳变，就能知道电机是正转还是反转。

核心概念：增量式编码器只输出“变化量”，不输出“绝对位置”。断电再上电，位置就丢了。需要配合归零校准。

我遇到过不少新手，上来就问：“编码器分辨率怎么算？”其实很简单：
分辨率 = 360° / (线数 × 4)

为什么乘以4？因为A相和B相的上升沿和下降沿都能用，这叫“四倍频”。比如一个1000线的编码器，四倍频后一圈就是4000个脉冲，每个脉冲对应0.09°。

参数	说明	常见值
线数(PPR)	编码器每圈输出的脉冲数	500、1000、2000、4096
四倍频后	实际可用的计数脉冲	4 × PPR
Z相(零位)	每圈输出一个脉冲，用于归零	1个/圈

4.2 STM32编码器接口模式

STM32的定时器有个很聪明的功能——编码器接口模式。你不需要在中断里手动判断A相B相，硬件全帮你干了。

配置起来其实就三步：

选定时器：STM32的TIM1~TIM8、TIM2~TIM5都支持编码器模式。具体看数据手册。
配GPIO：把A相接TI1，B相接TI2。注意要复用功能。
设模式：TIM_SlaveMode_Encoder，再选TI1和TI2都计数（这样就是四倍频）。

// STM32编码器模式配置示例（基于HAL库）
TIM_Encoder_InitTypeDef sEncoderConfig = {0};
sEncoderConfig.EncoderMode = TIM_ENCODERMODE_TI12;  // TI1和TI2都计数
sEncoderConfig.IC1Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
sEncoderConfig.IC2Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
sEncoderConfig.IC1Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sEncoderConfig.IC2Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sEncoderConfig.IC1Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
sEncoderConfig.IC2Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
sEncoderConfig.IC1Filter = 0;
sEncoderConfig.IC2Filter = 0;

HAL_TIM_Encoder_Init(&htim3, &sEncoderConfig);
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL);

我的经验：编码器线缆长的时候，信号容易抖动。我习惯在ICFilter里设个2~4的滤波值，能有效滤掉毛刺。别设太大，否则会丢失高速脉冲。

配置好之后，定时器的CNT寄存器会自动加减。正转加1，反转减1。你只需要定时读CNT值，再清零，就能算出这段时间的脉冲增量。

4.3 M法、T法、M-T法测速

有了脉冲数，怎么算速度？这就引出了三种经典方法。我当年刚入行时也纠结过该用哪个，后来发现——没有最好的，只有最合适的。

先看一张对比图，心里有个底：

4.4 三种方法的详细实现

M法（测频法）

M法是最直观的。你固定一个时间窗口，比如10ms，数这个窗口内来了多少个脉冲。脉冲多，说明转得快。

// M法测速示例
uint32_t pulse_count;
float speed_rpm;

void M_Method_Timer_IRQ(void) {
    // 每10ms进入一次
    pulse_count = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3);
    __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3, 0);
    
    // 速度 = 脉冲数 / (时间 × 编码器分辨率)
    // 假设编码器1000线，四倍频后4000脉冲/圈
    speed_rpm = (float)pulse_count / (0.01f * 4000.0f) * 60.0f;
}

注意：M法在低速时误差很大。比如10ms内只来了1个脉冲，那速度就是1.5 RPM。但如果实际是1.4 RPM呢？你测不出来。这就是“量化误差”。

T法（测周法）

T法反过来。我不固定时间，而是等固定数量的脉冲来了，再算用了多少时间。比如等10个脉冲，用定时器量这段时间。

低速时，脉冲间隔长，时间测得很准。但高速时，10个脉冲一瞬间就过去了，时间分辨率不够，误差反而大。

// T法测速思路（伪代码）
uint32_t time_interval;  // 单位us
uint32_t pulse_target = 10;  // 等10个脉冲

void T_Method_Edge_IRQ(void) {
    static uint32_t last_time = 0;
    static uint32_t pulse_cnt = 0;
    
    pulse_cnt++;
    if(pulse_cnt >= pulse_target) {
        time_interval = current_time - last_time;
        last_time = current_time;
        pulse_cnt = 0;
        
        // 速度 = 脉冲数 / (时间 × 分辨率)
        speed_rpm = (float)pulse_target / (time_interval * 1e-6f * 4000.0f) * 60.0f;
    }
}

M-T法

M-T法是我个人最推荐的方法。它同时测脉冲数和时间，用高频时钟来填充时间间隔。不管高速低速，精度都很好。

具体做法：启动一个高频定时器（比如1MHz），同时开始数编码器脉冲。当编码器脉冲数达到预设值（比如10个）时，停掉高频定时器，读出计数值。这样既知道脉冲数，又知道精确时间。

避坑指南：我曾经在一个项目里直接用M法测低速，结果速度反馈抖得像心电图。换成M-T法后，波形平滑多了。如果你的电机需要从零速到高速平稳运行，别犹豫，上M-T法。

4.5 实际项目中的选型建议

说了这么多，到底怎么选？我总结了一个简单的决策表：

应用场景	推荐方法	理由
高速风机（>3000 RPM）	M法	脉冲密集，量化误差小，实现简单
低速云台（< 10 RPM）	T法	脉冲间隔长，时间测量精度高
伺服电机（0~3000 RPM）	M-T法	全速域精度一致，适合闭环控制
低成本玩具	M法	代码量小，MCU资源占用少