4. 编码器原理与接口：AB相编码器工作原理、STM32定时器编码器模式配置、位置与速度读取

做电机控制，你第一个要面对的问题就是：我怎么知道电机转了多少？

我刚开始搞这个的时候，以为随便接两根线读个脉冲就行。结果电机一抖，数据乱跳，位置根本对不上。后来才明白，编码器不是简单的「数脉冲」，它有自己的脾气。

这一章，我们就把它彻底搞明白。

4.1 AB相编码器工作原理

AB相编码器，也叫增量式编码器。它输出两路方波信号，相位差90°。我习惯叫它们A相和B相。

你想想看，如果只有一路脉冲，你只能知道转了多少，但不知道往哪转。有了AB相，方向和位置就都有了。

另外，很多编码器还有一个Z相（零位信号），每转一圈输出一个脉冲。我一般在做位置归零时用它，精度很高。

4.1.1 倍频技术

STM32的定时器可以检测A、B相的上升沿和下降沿。这样一来，一个脉冲周期内能捕获4个边沿变化。

举个例子：

• 编码器物理分辨率：1000线/圈
• 4倍频后：4000个计数/圈
• 角度分辨率：360° / 4000 = 0.09°

嗯，这个精度对于大多数电机控制场景已经够用了。

4.2 STM32定时器编码器模式配置

STM32F407的定时器有一个专门的编码器模式。说白了，就是硬件帮你把AB相的边沿检测、方向判断、计数增减全做了。你只需要配置好，然后读寄存器就行。

我一般用TIM2或TIM3来做编码器接口，因为它们支持编码器模式3（最常用的模式）。

4.2.1 配置步骤

1. 使能时钟：RCC_APB1PeriphClockCmd() 或 RCC_APB2PeriphClockCmd()
2. 配置GPIO：将A、B相引脚设置为复用功能（AF1或AF2，具体看定时器）
3. 配置定时器：设置SlaveMode为编码器模式3，配置计数方向、滤波器等
4. 配置中断（可选）：如果需要溢出中断或捕获中断

下面是我常用的配置代码，你可以直接拿去用：

// 编码器模式配置示例（TIM3，PA6=CH1，PA7=CH2）
void Encoder_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;

    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 配置GPIO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_TIM3);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource7, GPIO_AF_TIM3);

    // 3. 配置定时器时基
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;     // 不分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;   // 最大计数值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 4. 配置编码器模式（模式3：双沿检测）
    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，抗干扰
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_IndirectTI;
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, 
                               TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);

    // 5. 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

4.3 位置与速度读取

配置好之后，读取位置和速度就很简单了。但简单归简单，坑也不少。

4.3.1 位置读取

位置就是当前计数器的值。直接读TIMx->CNT就行。

// 读取当前位置（单位：脉冲数）
int32_t Get_Encoder_Position(void)
{
    return (int32_t)TIM3->CNT;
}

// 转换为角度（假设4倍频，1000线编码器）
float Get_Encoder_Angle(void)
{
    int32_t pulse = Get_Encoder_Position();
    return (float)pulse * 360.0f / 4000.0f;
}

这里有个细节：计数器是有符号的。正转时增加，反转时减少。但如果你配置的Period是0xFFFF，反转时计数器会从0跳到0xFFFF。所以读取时最好用int32_t做强制转换，避免符号问题。

4.3.2 速度读取

速度读取有两种常用方法：

方法	原理	适用场景	缺点
M法（测频法）	固定时间内统计脉冲数	中高速	低速时精度差
T法（测周法）	测量两个脉冲之间的时间	低速	高速时精度差
M/T法	结合M法和T法	宽速域	实现稍复杂

我个人的习惯是：低速用T法，中高速用M法。如果项目要求全速域都准，那就上M/T法。

下面是一个M法的实现：

// M法测速（每10ms调用一次）
float Get_Encoder_Speed_Method(void)
{
    static int32_t last_pulse = 0;
    int32_t current_pulse = Get_Encoder_Position();
    int32_t delta = current_pulse - last_pulse;
    last_pulse = current_pulse;

    // 处理溢出
    if(delta > 30000) delta -= 65536;
    else if(delta < -30000) delta += 65536;

    // 速度 = 脉冲差 / 时间间隔（单位：脉冲/秒）
    float speed_pulse = (float)delta / 0.01f;

    // 转换为RPM（假设1000线，4倍频）
    float speed_rpm = speed_pulse / 4000.0f * 60.0f;
    return speed_rpm;
}

4.4 知识结构总览

下面这张图把编码器相关的核心逻辑串起来了，你可以对照着看：

4.5 常见问题与避坑

• 编码器线接反了怎么办？——A、B相交换一下就行。或者软件里把计数方向取反。
• 电机抖动时计数乱跳？——加硬件滤波（RC低通）或软件滤波（定时器自带的ICFilter）。
• 上电后位置不对？——编码器是增量的，上电时位置是随机的。需要做一次归零操作。
• 速度值波动大？——采样时间太短了。我一般用10ms~50ms的采样窗口。