4. 位置与速度检测：旋转变压器与编码器原理、SPI/SSI接口时序、速度计算（M法/T法/MT法）

位置和速度，是电机控制的「眼睛」。没有它们，你的FOC算法再漂亮也是盲人摸象。我在弱磁项目里见过太多因为位置信号抖动导致电流失控的案例，说白了，源头往往不是算法，而是传感器这一关就没过。

这一章我们聚焦三个核心问题：用什么传感器？怎么把数据读回来？怎么算出速度？

4.1 旋转变压器 vs 编码器：选型前的灵魂拷问

先说说两种主流传感器的脾气。你想想看，一个在高温油污的工业现场，一个在追求极致精度的伺服平台，它们的选择逻辑完全不同。

我个人习惯：做弱磁控制，如果目标转速超过10000rpm，我优先考虑旋变。为什么？因为编码器在高速下容易丢脉冲，而旋变是模拟量输出，没有这个烦恼。当然，代价是解码电路更复杂。

4.2 旋转变压器的工作原理与解码

旋变本质上是一个旋转变压器。它的定子有励磁绕组，转子有两相正交的输出绕组。当你给励磁绕组通入高频正弦波（比如10kHz），转子旋转时，两相输出信号的幅值会随角度变化：

Vsin = Vp * sin(θ) * sin(ωt)
Vcos = Vp * cos(θ) * sin(ωt)

其中θ就是转子角度。解码芯片（比如ADI的AD2S1205、TI的PGA411）会实时跟踪这两个信号，解算出θ和转速。嗯，这里要注意：励磁频率和解码带宽是匹配的，频率越高，带宽越宽，但抗干扰能力会下降。

4.3 编码器：增量式与绝对式

编码器就简单多了。增量式输出A、B、Z三路脉冲，通过相位差判断方向，通过脉冲计数算位置。绝对式则直接输出一个二进制码，代表当前绝对位置。

但增量式有个致命弱点：断电后位置丢失。所以上电必须找零。绝对式就没这个烦恼，但接口通常更复杂——SPI或SSI。

4.4 SPI/SSI接口时序：把数据读回来

不管是旋变的RDC芯片，还是绝对式编码器，它们和MCU通信最常用的就是SPI或SSI。SSI其实是SPI的变种，区别在于：

• SPI：全双工，有MISO/MOSI，时钟由主机提供，片选CS控制。
• SSI：半双工，只有一根数据线（或差分对），时钟由主机提供，数据在时钟上升沿/下降沿输出。

以绝对式编码器常用的SSI协议为例，时序是这样的：

// 伪代码：SSI读取绝对位置
uint32_t ReadSSI(void) {
    uint32_t data = 0;
    // 拉低时钟，启动传输
    CLK_LOW();
    delay_us(1);
    // 产生N个时钟脉冲（N=位数，比如25位）
    for(int i = 0; i < 25; i++) {
        CLK_HIGH();
        delay_us(0.5);
        data <<= 1;
        if(DATA_IN == HIGH) data |= 1;
        CLK_LOW();
        delay_us(0.5);
    }
    // 等待编码器准备下一帧
    delay_us(20);
    return data;
}

4.5 速度计算：M法、T法、MT法

位置读回来了，怎么算速度？三种经典方法，各有适用场景。

4.5.1 M法（测频法）

在固定时间T内，统计编码器脉冲数M。速度 = M / (T * 编码器线数)。

• 优点：高速时精度高。
• 缺点：低速时M很小，误差大。

4.5.2 T法（测周法）

测量两个相邻脉冲的时间间隔T。速度 = 1 / (T * 编码器线数)。

• 优点：低速时精度高。
• 缺点：高速时T很小，误差大。

4.5.3 MT法（综合法）

同时测量固定时间T内的脉冲数M，以及最后一个完整脉冲的时间T0。速度 = M / (T0 * 编码器线数)。

• 优点：全速域精度都高。
• 缺点：计算复杂，需要高精度定时器。

4.6 知识体系总览

下面这张图把本章的核心逻辑串起来了。从传感器选型，到接口时序，再到速度计算，每一步都有坑，也都有技巧。

4.7 实战建议

最后，给几个我在项目中踩过的坑和总结的经验：

1. 滤波不能省：位置信号进来，先做低通滤波。我习惯用一阶IIR，截止频率设在速度环带宽的5~10倍。
2. 速度计算要同步：速度环的采样时刻，必须和位置采样对齐。否则会有相位滞后，导致系统振荡。
3. 编码器线数不是越高越好：线数高了，脉冲频率也高，MCU的QEP模块可能处理不过来。我一般选1024~4096线，够用就行。
4. 旋变的励磁频率要稳定：如果励磁信号有抖动，解码出来的角度也会抖。用晶振或者DDS生成，别用MCU的PWM直接滤波。