3. 位置与速度获取：基于编码器的位置解算、M法/T法测速原理、低速与高速下的测速策略
编码器装上了，线也接好了，信号也能看到了。接下来最关键的一步：怎么从这些方波里算出位置和速度？
说实话，我刚入行那会儿，觉得这事特简单——数脉冲不就行了？结果第一次做低速测试，速度跳得像心电图，电机抖得跟筛糠似的。后来才明白，编码器数据融合这件事，远不止“数数”那么简单。
3.1 位置解算：从脉冲到角度
位置解算是基础。你拿到A、B两路正交方波，第一步就是判断方向，第二步才是算位置。
3.1.1 方向判断
A相领先B相90°，正转；B相领先A相90°，反转。这个逻辑用硬件或软件都能做。我习惯在定时器捕获中断里同时读两相电平，用状态机判断。
核心逻辑：
- A上升沿 && B=低 → 正转
- A上升沿 && B=高 → 反转
- 同理，A下降沿、B上升沿、B下降沿都能判断
3.1.2 位置累加
方向定了，剩下的就是累加或累减脉冲数。假设编码器每转1000线，4倍频后就是4000个脉冲/圈。
// 伪代码：位置解算
int32_t pulse_count = 0;
void encoder_irq_handler(uint8_t dir) {
if (dir == CW) {
pulse_count++;
} else {
pulse_count--;
}
}
float get_angle_deg(void) {
return (float)pulse_count / 4000.0f * 360.0f;
}
嗯，这里要注意：pulse_count 必须用32位有符号整型。我曾经见过有人用16位，结果电机转了几圈就溢出了，位置直接飞掉。
3.1.3 零点校准
绝对位置怎么来？靠Z信号。每转一圈，Z相给一个脉冲，这时候把 pulse_count 清零或置为预设值。这样每次上电后，只要转一圈找到Z，位置就绝对了。
我的习惯：上电后先执行一次“寻零”动作——低速转动直到捕获到Z信号。如果应用不允许转动，那就得用绝对值编码器了。
3.2 M法测速：高频脉冲下的精准测量
M法，说白了就是“数脉冲”。在固定时间窗口 T 内，数编码器产生了多少个脉冲 M，然后算速度。
公式很简单：
速度 = (M / (编码器线数 × 4)) / T × 60 (单位：RPM)
举个例子：编码器1000线，4倍频，时间窗口10ms，数到200个脉冲。
速度 = (200 / 4000) / 0.01 × 60 = 300 RPM
3.2.1 M法的优缺点
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 优点 | 高速时精度高，计算简单，适合中高速场景 |
| 缺点 | 低速时脉冲少，量化误差大，速度更新慢 |
你想想看，如果电机只转1 RPM，10ms窗口里可能只抓到1个脉冲甚至0个。那算出来的速度不是0就是15 RPM，跳得没法用。
3.3 T法测速：低速时的救命稻草
T法和M法正好反过来。它不数脉冲，而是测量两个相邻脉冲之间的时间间隔 T_pulse。
速度 = 1 / (T_pulse × 编码器线数 × 4) × 60 (单位：RPM)
时间间隔用高频定时器来量。比如定时器时钟1 MHz，测到两个脉冲间隔5000个时钟周期：
T_pulse = 5000 / 1e6 = 0.005 秒
速度 = 1 / (0.005 × 4000) × 60 = 3 RPM
3.3.1 T法的优缺点
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 优点 | 低速时精度高，响应快 |
| 缺点 | 高速时脉冲间隔太短，定时器分辨率不够，误差变大 |
注意：T法在高速时可能遇到“定时器溢出”的问题。如果两个脉冲间隔小于定时器的最小分辨率，那就测不准了。我曾经在3000 RPM的电机上试过，1000线编码器，两个脉冲间隔只有5微秒，普通定时器根本扛不住。
3.4 M/T法：高低速通吃
既然M法适合高速，T法适合低速，那把它们结合起来不就行了？这就是M/T法。
M/T法的思路：同时测量固定时间窗口内的脉冲数 M，以及这个窗口内最后一个完整脉冲的时间间隔 T_pulse。
速度 = (M × f_timer) / (N × T_pulse)
其中 f_timer 是定时器频率，N 是编码器每转总脉冲数。
这样做的好处：低速时 T_pulse 大，T法主导；高速时 M 大，M法主导。两者自动平滑过渡。
实际效果：我在一个伺服项目里用过M/T法，速度范围从1 RPM到5000 RPM，测速误差控制在±0.1%以内。比单独用M法或T法稳定太多了。
3.5 低速与高速下的测速策略选择
实际工程里，你不会只用一种方法。我一般这样选：
- 低于 10 RPM： 纯T法，或者用高线数编码器（比如5000线）配合T法
- 10 ~ 100 RPM： M/T法，过渡区
- 高于 100 RPM： 纯M法，简单高效
但这里有个坑：切换阈值附近容易跳变。我习惯加一个滞回区间，比如10~15 RPM用T法，15~20 RPM用M/T法，20以上用M法。这样不会来回切换。
3.6 知识体系总览
下面这张图把位置解算和测速方法的整体逻辑串起来了，你可以对照着看。
3.7 实际工程中的避坑指南
最后分享几个我踩过的坑，希望能帮你省点时间。
我曾经犯过的错：
- 中断优先级没设好：编码器中断优先级太低，被其他任务打断，导致丢脉冲。后来我把编码器中断提到最高，问题解决。
- 滤波器没加：编码器信号有毛刺，直接进计数器，位置乱跳。加个RC滤波或者软件去抖就好了。
- Z信号没做防抖：Z信号只在特定位置出现，但如果有干扰，可能误触发。我习惯在Z中断里连续读两次确认。
- 速度计算周期太长：用M法时，如果计算周期设成100ms，低速下速度更新慢得像蜗牛。我一般设10ms，够用。
好了，位置和速度获取这部分就聊到这儿。记住一句话：没有万能的方法，只有合适的策略。根据你的转速范围、精度要求和硬件资源，选对方法，比什么都重要。