常见的有三种
编码器、霍尔传感器、磁传感器。
编码器一般指AB相正交脉冲的增量器件，有的还会有一个Z相信号，用来指示零位；
霍尔传感器一般是指ABC三个成120度角度间隔排列的器件，这种传感器一般集成在电机内部，电机每转一圈会生成6N个信号，每个信号代表电机转到了特定的角度；
磁编码器本质上也是靠霍尔效应检测，但它是一种输出绝对位置的器件，这类传感器一般都有多种接口，如SPI、IIC、模拟值或PWM占空比。

编码器

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编码器是一种用于运动控制的传感器，利用光电、电磁、电容或者电感等感应原理，来检测物体的机械或者位置变化，然后把信息转化为电信号输出，作为运动的反馈。

旋转编码器

光电编码器

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通过光电转换，将输出轴的角位移、角速度等机械两转化为电脉冲，以数字量输出。
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磁式编码器

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电容式编码器

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增量式编码器

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资料

链接：https://pan.baidu.com/s/1Hp1fucofpC7nCn8-D8w_0A?pwd=pvpm
提取码：pvpm

代码

SimpleFOC Library设计了两种正交编码器的计数方法：
正交计数：对信号A和B的每次跳变都进行采样，这样在每个脉冲周期内将有四次信号跳变，采样四次，计数四次（即CPR Count Per Rotation），具体计算见以下源码。 普通计数：对信号A和B的上升沿进行计数，这样每个脉冲周期内将有两次信号跳变，采样两次，但只对某一个通道计数一次(即PPR Pulses Per Rotation)，具体计算见以下源码。 正交模式下CPR = PPR*4 普通模式下CPR = PPR，显然正交模式下分辨率更高，但系统开支也更大，如果对分辨率要求不高可以使用普通模式。
MCU对A和B信号线连接的两个IO口使能外部中断，中断回调函数中实现了计数，回调函数源码如下所示，A和B两个通道的回调函数内容一样，只以A通道为例说明。
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  1. //定义对象，使能外部中断
  2. Encoder encoder = Encoder(2, 3, 8192);      //定义正交编码器对象，连接到2和3号引脚，编码器PPR=8192
  3. void doA(){encoder.handleA();}              //A通道中断回调函数
  4. void doB(){encoder.handleB();}              //B通道中断回调函数
  5. encoder.enableInterrupts(doA, doB);         //使能外部中断，设置回调函数
  7. void Encoder::enableInterrupts(void (*doA)(), void(*doB)(), void(*doIndex)())
  8. {
  9.   // attach interrupt if functions provided
  10.   switch(quadrature){        //quadrature:是否开启正交模式
  11.     case Quadrature::ON:
  12.       // A callback and B callback
  13.       if(doA != nullptr) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinA), doA, CHANGE);
  14.       if(doB != nullptr) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinB), doB, CHANGE);
  15.       break;
  16.     case Quadrature::OFF:
  17.       // A callback and B callback
  18.       if(doA != nullptr) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinA), doA, RISING);
  19.       if(doB != nullptr) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinB), doB, RISING);
  20.       break;
  21.   }
  23.   //如果有Z相信号线，使能Z相的中断
  24.   if(hasIndex() && doIndex != nullptr) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(index_pin), doIndex, CHANGE);
  25. }
  27. //  Encoder interrupt callback functions
  28. // A channel
  29. void Encoder::handleA()
  30. {
  31.   bool A = digitalRead(pinA);                       //测量A引脚高低电平
  32.   switch (quadrature)
  33.   {                               
  34.     case Quadrature::ON:                            //正交模式下：
  35.     // CPR = 4xPPR
  36.      if ( A != A_active )                           //如果A引脚状态不等于"当前记录的状态"
  37.      {
  38.        //如果A引脚"当前记录的状态"等于B引脚"当前记录的状态"计数+1
  39.        //对应图六中左侧A信号的上升沿与下降沿状态
  40.        //否则为逆时针旋转，计数-1
  41.        pulse_counter += (A_active == B_active) ? 1 : -1;
  42.        pulse_timestamp = _micros();
  43.        A_active = A;                                 //更新A引脚当前状态
  44.      }
  45.      break;
  46.    case Quadrature::OFF:                             //普通模式下
  47.    // CPR = PPR
  48.      if(A && !digitalRead(pinB))                     //如果A引脚是高电平且B引脚是低电平
  49.      {
  50.        pulse_counter++;                              //计数+1，对应图六中左上角A上升沿状态
  51.        pulse_timestamp = _micros();
  52.      }
  53.      break;
  54.    }
  55. }

霍尔传感器

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如上图所示，右侧的3个器件就是霍尔传感器，它们成120度夹角安装，也有60度安装的，但控制逻辑不一样。本节以一对极120度夹角电机模型说明。一对极指转子只有一对磁铁NS极，图四为多对极电机。
image.png
按特定的组合给电机的UVW三相供电，如U+,V-,W断开，此时电机转子将转到某一固定位置，假设为扇区Sector1，然后切换供电状态为W+,V-，U断开，电机将继续旋转60度到扇区二，按特定的顺序依次切换供电状态，电机将会一直转动下去，共有6种供电状态，对应着6个扇区，6种霍尔传感器的触发状态，如下图所示。
image.png
图六、霍尔的六种触发状态
image.png
霍尔传感器就是根据这六种状态确定转子的位置，加上这6种状态的循环次数就是当前电机转子的真实位置。

  1. //HallSensor.h
  2. //霍尔传感器状态与扇区对应关系
  3. // seq 1 > 5 > 4 > 6 > 2 > 3 > 1     000 001 010 011 100 101 110 111
  4. const int8_t ELECTRIC_SECTORS[8] = { -1,  0,  4,  5,  2,  1,  3 , -1 };

霍尔位置传感器的程序源码与ABZ正交编码器程序源码基本相同，引脚配置和外部中断设置基本相同，主要内容在updateState函数中，下边简单分析updateState函数。

  1. void HallSensor::updateState() 
  2. {
  3.  long new_pulse_timestamp = _micros();
  4.  //刷新三个霍尔传感器的状态
  5.  int8_t new_hall_state = C_active + (B_active << 1) + (A_active << 2);
  6.  //去除噪声
  7.   // glitch avoidance #1 - sometimes we get an interrupt but pins haven't changed
  8.  if (new_hall_state == hall_state) {
  9.  return;
  10.   }
  11.  hall_state = new_hall_state;
  12.  //匹配当前所在扇区
  13.  int8_t new_electric_sector = ELECTRIC_SECTORS[hall_state];
  14.  static Direction old_direction;
  15.  //
  16.  if (new_electric_sector - electric_sector > 3) {    //如从扇区0转到了扇区5，则循环次数-1
  17.     //underflow
  18.  direction = Direction::CCW;
  19.  electric_rotations += direction;
  20.   } else if (new_electric_sector - electric_sector < (-3)) {//如从扇区5转到了扇区0，则循环次数+1
  21.     //overflow
  22.  direction = Direction::CW;
  23.  electric_rotations += direction;
  24.   } else {
  25.  direction = (new_electric_sector > electric_sector)? Direction::CW : Direction::CCW;
  26.   }
  27.  electric_sector = new_electric_sector;
  29.   // glitch avoidance #2 changes in direction can cause velocity spikes.  Possible improvements needed in this area
  30.  if (direction == old_direction) {
  31.     // not oscilating or just changed direction
  32.  pulse_diff = new_pulse_timestamp - pulse_timestamp;
  33.   } else {
  34.  pulse_diff = 0;
  35.   }
  37.  pulse_timestamp = new_pulse_timestamp;
  38.  total_interrupts++;
  39.  old_direction = direction;
  40.  if (onSectorChange != nullptr) onSectorChange(electric_sector);
  41. }

磁编码器

磁编码器有基于霍尔效应原理的，也有基于磁阻效应的。SimpleFOC项目使用的有以下几种，这里以AS5600说明。

  1. /** Typical configuration for the 12bit AMS AS5600 magnetic sensor over I2C interface */
  2. MagneticSensorI2CConfig_s AS5600_I2C = {
  3.   .chip_address = 0x36,
  4.   .bit_resolution = 12,
  5.   .angle_register = 0x0C,
  6.   .data_start_bit = 11
  7. };
  9. /** Typical configuration for the 12bit AMS AS5048 magnetic sensor over I2C interface */
  10. MagneticSensorI2CConfig_s AS5048_I2C = {
  11.   .chip_address = 0x40,  // highly configurable.  if A1 and A2 are held low, this is probable value
  12.   .bit_resolution = 14,
  13.   .angle_register = 0xFE,
  14.   .data_start_bit = 15
  15. };
  17. /** Typical configuration for the 14bit AMS AS5147 magnetic sensor over SPI interface */
  18. MagneticSensorSPIConfig_s AS5147_SPI = {
  19.   .spi_mode = SPI_MODE1,
  20.   .clock_speed = 1000000,
  21.   .bit_resolution = 14,
  22.   .angle_register = 0x3FFF,
  23.   .data_start_bit = 13, 
  24.   .command_rw_bit = 14,
  25.   .command_parity_bit = 15
  26. };
  27. // AS5048 and AS5047 are the same as AS5147
  28. MagneticSensorSPIConfig_s AS5048_SPI = AS5147_SPI;
  29. MagneticSensorSPIConfig_s AS5047_SPI = AS5147_SPI;
  31. /** Typical configuration for the 14bit MonolithicPower MA730 magnetic sensor over SPI interface */
  32. MagneticSensorSPIConfig_s MA730_SPI = {
  33.   .spi_mode = SPI_MODE0,
  34.   .clock_speed = 1000000,
  35.   .bit_resolution = 14,
  36.   .angle_register = 0x0000,
  37.   .data_start_bit = 15, 
  38.   .command_rw_bit = 0,  // not required
  39.   .command_parity_bit = 0 // parity not implemented
  40. };

原理

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AS5600

是基于霍尔的旋转磁位置传感器，有12位高分辨率，使用平面传感器来将垂直于芯片表面的磁场分量转换为电压。它有3种输出方式，模拟值，PWM和IIC。

模拟值模式

  1. //examples\utils\sensor_test\magnetic_sensors\magnetic_sensor_analog_example\find_raw_min_max\find_raw_min_max.ino
  2. #include <SimpleFOC.h>
  3. /**
  4.  * 编码器处于Analog模式，指定AD引脚，它的电压与位置成线性正比
  5.  */
  6. //AD使用A1引脚，AD最小值为14，最大值为1020，10位AD采样
  7. MagneticSensorAnalog sensor = MagneticSensorAnalog(A1, 14, 1020);
  9. void setup()
  10. {
  11.   // monitoring port
  12.  Serial.begin(115200);
  13.   //传感器初始化，读取一次AD值，并记录当前时间
  14.  sensor.init();
  15.  Serial.println("Sensor ready");
  16.  _delay(1000);
  17. }
  19. void loop() {
  20.   // display the angle and the angular velocity to the terminal
  21.  Serial.print(sensor.getAngle());
  22.  Serial.print("\t");
  23.  Serial.println(sensor.getVelocity());
  24. }
  1. //src\sensors\MagneticSensorAnalog.cpp
  2. #include "MagneticSensorAnalog.h"
  3. MagneticSensorAnalog::MagneticSensorAnalog(uint8_t _pinAnalog, int _min_raw_count, int _max_raw_count)
  4. {
  5.  pinAnalog = _pinAnalog;                   //AD引脚
  6.  cpr = _max_raw_count - _min_raw_count;    //cpr计算
  7.  min_raw_count = _min_raw_count;
  8.  max_raw_count = _max_raw_count;
  10.  if(pullup == Pullup::USE_INTERN){
  11.  pinMode(pinAnalog, INPUT_PULLUP);
  12.   }else{
  13.  pinMode(pinAnalog, INPUT);
  14.   }
  16. }
  19. void MagneticSensorAnalog::init()
  20. {
  21.   // velocity calculation init
  22.  angle_prev = 0;
  23.  velocity_calc_timestamp = _micros(); 
  25.   // full rotations tracking number
  26.  full_rotation_offset = 0;
  27.  raw_count_prev = getRawCount();       //读取一次当前AD值
  28. }
  30. //  Shaft angle calculation
  31. //  angle is in radians [rad]
  32. float MagneticSensorAnalog::getAngle(){
  33.   //读取一次当前AD值
  34.  raw_count = getRawCount(); 
  35. //计算AD值变化量，如果变化量大于0.8cpr，则认为已经进入下一圈了，或者是后退到上一圈了
  36.  int delta = raw_count - raw_count_prev;
  37.   // if overflow happened track it as full rotation
  38.  if(abs(delta) > (0.8*cpr) ) full_rotation_offset += delta > 0 ? -_2PI : _2PI; 
  39.  //计算绝对角度，弧度
  40.  float angle = full_rotation_offset + ( (float) (raw_count) / (float)cpr) * _2PI;
  42.   //计算速度
  43.  long now = _micros();
  44.  float Ts = ( now - velocity_calc_timestamp)*1e-6;
  45.   // quick fix for strange cases (micros overflow)
  46.  if(Ts <= 0 || Ts > 0.5) Ts = 1e-3; 
  47.  velocity = (angle - angle_prev)/Ts;
  49.   // save variables for future pass
  50.  raw_count_prev = raw_count;
  51.  angle_prev = angle;
  52.  velocity_calc_timestamp = now;
  54.  return angle;
  55. }
  57. // function reading the raw counter of the magnetic sensor
  58. int MagneticSensorAnalog::getRawCount(){
  59.  return analogRead(pinAnalog);//AD阻塞采样
  60. }

磁编码器的模拟值输出方式计算位置原理十分简单，只是一个AD值到角度的线性转换，需要注意的是AD的最大最小值最好自己测量一下，避免误差。另外一个需要注意的地方是getAngle()函数需要以较高的频率调用（频率跟电机转动速度相关），否则可能会导致角度计算错误，最好是使用定时器定时调用，或者在多任务系统种单独一个任务以固定周期调用该函数。
上述源码AD采样使用的是阻塞方式采样，STM32中我们可以使用中断或DMA中断方式采样，在中断函数中调用getAngle()函数，并开启下一次采样。

PWM模式

PWM模式和模拟值输出模式很相似，只是将模拟值输出的电压变成了PWM形式，PWM的高电平时间与角度成正比。

  1. examples\utils\sensor_test\magnetic_sensors\magnetic_sensor_pwm_example\magnetic_sensor_pwm\magnetic_sensor_pwm.ino
  2. #include <SimpleFOC.h>
  3. /**
  4.  * MagneticSensorPWM(uint8_t MagneticSensorPWM, int _min, int _max)
  5.  * - pinPWM         - PWM输入引脚
  6.  * - min_raw_count  - 最短高电平时间us
  7.  * - max_raw_count  - 最长高电平时间us
  8. */
  9. MagneticSensorPWM sensor = MagneticSensorPWM(2, 4, 904);
  10. //定义中断回调函数
  11. void doPWM(){sensor.handlePWM();}
  13. void setup() {
  14.   // monitoring port
  15.  Serial.begin(115200);
  17.   // initialise magnetic sensor hardware
  18.  sensor.init();
  19.   //使能外部中断(监测引脚上升沿下降沿)检测PWM引脚高电平时间
  20.   //如果注释掉这一句，则以默认的阻塞方式检测PWM引脚高电平时间
  21.  sensor.enableInterrupt(doPWM);
  23.  Serial.println("Sensor ready");
  24.  _delay(1000);
  25. }
  27. void loop() {
  28.   // display the angle and the angular velocity to the terminal
  29.  Serial.print(sensor.getAngle());
  30.  Serial.print("\t");
  31.  Serial.println(sensor.getVelocity());
  32. }

IIC模式

AS5600可以使用IIC通信方式得到角度数据，需要注意的是，AS5600的地址是固定的，也就是说IIC总线上只能有一个AS5600。如果想要使用多个AS5600就需要多个IIC总线。

  1. //examples\utils\sensor_test\magnetic_sensors\magnetic_sensor_i2c_example\magnetic_sensor_i2c_example.ino
  2. #include <SimpleFOC.h>
  3. // Example of AS5600 configuration 
  4. MagneticSensorI2C sensor = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C);
  6. void setup() {
  7.   // monitoring port
  8.  Serial.begin(115200);
  10.   //i2C使用快速模式400K
  11.  Wire.setClock(400000);
  12.   // initialise magnetic sensor hardware
  13.  sensor.init();
  15.  Serial.println("Sensor ready");
  16.  _delay(1000);
  17. }
  19. void loop() {
  20.   // display the angle and the angular velocity to the terminal
  21.  Serial.print(sensor.getAngle());
  22.  Serial.print("\t");
  23.  Serial.println(sensor.getVelocity());
  24. }

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/394522368