3. 直流电机编码器测速与转速计算

正交编码器测速原理与M法实现

直流电机尾部安装增量式正交编码器，A、B两相输出相位差90°的方波。通过定时器编码器接口对A/B相边沿计数，可同时获得脉冲数与转向。本例采用M法（固定时间测频）：在固定采样周期 Ts 内读取编码器计数值增量 ΔC，再换算为转速。

以常见参数为例：编码器 N = 500 线，四倍频计数，采样周期 Ts = 10 ms。则每个计数脉冲对应转速为：

分辨率 = 60 / (500 × 4 × 0.01) = 3 r/min / count

这意味着在10 ms采样周期下，转速读数只能以3 r/min为步进跳变。当电机实际转速低于约3 r/min时，ΔC可能为0或1，量化误差极大。若将采样周期延长至100 ms，分辨率提升至0.3 r/min，但动态响应变慢。采样周期与分辨率、低速量化误差之间存在直接权衡。

编码器接口配置与测速代码实现

以STM32定时器编码器模式为例，配置TIM3为编码器接口模式，PA6/PA7接编码器A/B相。关键配置如下：

// 编码器接口初始化（4倍频）
void Encoder_Init(void) {
    // PA6=TIM3_CH1, PA7=TIM3_CH2, 复用推挽输入
    GPIO_InitTypeDef gpio;
    gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;   // 上拉输入
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio);

    TIM_TimeBaseInitTypeDef tim;
    tim.TIM_Prescaler = 0;
    tim.TIM_Period = 65535;           // 16位计数器
    tim.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &tim);

    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3,
        TIM_EncoderMode_TI12,         // A/B两相都计数 → 4倍频
        TIM_ICPolarity_Rising,
        TIM_ICPolarity_Rising);

    TIM_SetCounter(TIM3, 0);
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

测速函数在固定周期中断中调用，读取计数值并清零：

#define ENCODER_LINES   500
#define GEAR_RATIO      1
#define SAMPLE_MS       10

float Get_Speed_RPM(void) {
    int16_t delta = (int16_t)TIM_GetCounter(TIM3);
    TIM_SetCounter(TIM3, 0);

    // 4倍频：每转脉冲数 = 500 × 4 = 2000
    // n = delta × 60 / (2000 × 0.01) = delta × 3
    float rpm = (float)delta * 60.0f
              / (ENCODER_LINES * 4.0f * (SAMPLE_MS / 1000.0f));
    return rpm;
}

测速验证与误差分析

验证方法：给定固定PWM占空比，用示波器测量编码器A相频率 f_A，理论转速为 n = f_A × 60 / N。将串口输出的M法计算值与理论值对比，观察低速段跳变情况。