学习目标

  1. 了解编码器的构成
  2. 理解编码器采样原理

  3. 掌握编码器获取转速信息

    学习内容

    编码器组成

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  4. 左侧的减速齿轮

  5. 中间的电机部分

  6. 右侧的电路板

    减速齿轮

    将电机转速通过齿轮按照一定比例进行降速。

    电路板

    V4.png
    电路板中，包含了一个圆形磁体，还有两个霍尔传感器。
    电机转动时，圆形的磁体会同步进行转动，

    传动过程

    074.png

  7. 电机转动时，中轴会转动

  8. 中轴和圆形磁铁是连在一起的，圆形磁铁也会同步转动
  9. 中轴的一端和减速齿轮连接在一起，中轴转动会带动齿轮按照一定的比例进行转动(减速比)。

    霍尔传感器

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    开发板中包括了两个霍尔传感器，一个磁铁。
    磁铁是由7对N极和S极组成的。
    076.png
  • 当电机转动时，磁铁也转动。
  • 当磁铁的N极正对霍尔传感器时，霍尔传感器会将这个信号转化为高电平。
  • 当磁铁的S极正对霍尔传感器时，霍尔传感器会将这个信号转化为低电平。
  • 通过记录高低电平变换次数，可以得到电机中轴转动的速度。

    重要的概念名称

    减速比和额定转速

    以下是以N20电机为例，N20的规格参数，其中我们关注额定转速和减速比。
    075.png
    额定转速：rpm，全称Revolutions Per Minute,每分钟转动的圈数，说的时末端连接轴的转速。
    减速比：电机中轴连接了齿轮，当中轴转动时，齿轮随着中轴转动而转动，最终传导到末端连接轴。末端连接轴的速度，被减速齿轮降低了，末端连接轴和中轴的速度比就是减速比。例如rpm为300，减速比为50，那么电机中轴的转速为300*50 = 15000转/分

    轮子行进速度

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    我们知道，速度=距离/时间
    轮子是和末端连接轴连接在一起的，RPM为300时，轮子1分钟可以转300圈，那轮子可以走过的距离我们是可以求出来的。
    转一圈，就是轮子的一个周长，周长=2ΠR
    因此，在RPM为300时，轮子的速度为 300(rpm) x 43(直径) x Π / 60
    得出结果为 675.442409 mm/s，换算下来差不多为 0.6到0.7米/秒

霍尔传感器采样

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两个霍尔传感器加上磁铁，可以测出电机的转速和方向。

  • 当A传感器是上升沿时，如果B此时为低电平，那么就是反转。
  • 当A传感器是上升沿时，如果B此时为高电平，那么就是正转。
  • 产生一次上升沿或者下降沿，就记一次数，通过时间就可以测出当前的转速了。

对于霍尔采样，我们可以通过外部中断方式进行实现，代码如下：

  1. #include "gd32f4xx.h"
  2. #include "systick.h"
  3. #include <stdio.h>
  4. #include "main.h"
  5. #include "Usart.h"
  7. #include "I2C.h"
  8. #include "bsp_mpu6050.h"
  9. #include "inv_mpu.h"
  10. #include "inv_mpu_dmp_motion_driver.h"
  13. FlagStatus pre = RESET;
  14. int8_t dir = 1;
  15. int32_t cnt = 0;
  17. void Usart0_recv(uint8_t* data, uint32_t len) {
  18.     printf("recv: %s\r\n", data);
  20. }
  22. static void EXTI8_config() {
  23.     uint32_t extix = EXTI_8;
  24.     uint32_t extix_irq = EXTI5_9_IRQn;
  25.     uint32_t extix_irq_pre = 1;
  26.     uint32_t extix_irq_sub = 1;
  28.     uint32_t extix_trig = EXTI_TRIG_RISING;
  30.     uint32_t extix_rcu = RCU_GPIOB;
  31.     uint32_t extix_port = GPIOB;
  32.     uint32_t extix_pin = GPIO_PIN_8;
  33.     uint32_t extix_pupd = GPIO_PUPD_NONE;
  34.     uint32_t extix_src_port = EXTI_SOURCE_GPIOB;
  35.     uint32_t extix_src_pin = EXTI_SOURCE_PIN8;
  37.     /*************** gpio ****************/
  38.     // PA0,
  39.     // 时钟初始化
  40.     rcu_periph_clock_enable(extix_rcu);
  41.     // 配置GPIO模式
  42.     gpio_mode_set(extix_port, GPIO_MODE_INPUT, extix_pupd, extix_pin);
  44.     /*************** exti ****************/
  45.     // 时钟配置
  46.     rcu_periph_clock_enable(RCU_SYSCFG);
  47.     // 配置中断源
  48.     syscfg_exti_line_config(extix_src_port, extix_src_pin);
  49.     // 中断初始化
  50.     exti_init(extix, EXTI_INTERRUPT, extix_trig);
  52.     // 配置中断优先级
  53.     nvic_irq_enable(extix_irq, extix_irq_pre, extix_irq_sub);
  54.     // 使能中断
  55.     exti_interrupt_enable(extix);
  56.     // 清除中断标志位
  57.     exti_interrupt_flag_clear(extix);
  58. }
  60. void EXTI5_9_IRQHandler() {
  61.     // 判断寄存器状态
  62.     if(SET == exti_interrupt_flag_get(EXTI_8)) {
  63.         FlagStatus current = gpio_input_bit_get(GPIOB, GPIO_PIN_9);
  64.         if(RESET == current && SET == pre) {
  65.             pre = current;
  66.             dir = 1;
  67.             //cnt = 0;
  68.         } else if(SET == current && RESET == pre) {
  69.             pre = current;
  70.             dir = -1;
  71.             //cnt = 0;
  72.         }
  73.         cnt += dir;
  74.         printf("cnt: %d\r\n", cnt);
  76.         // 清除中断标志位
  77.         exti_interrupt_flag_clear(EXTI_8);
  78.     }
  80. }
  82. static void GPIO_config() {
  83.     rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
  84.     gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_9);
  85. }
  87. int main(void)
  88. {
  89.     nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE4_SUB0);
  90.     systick_config();
  91.     GPIO_config();
  92.     Usart_init();
  93.     EXTI8_config();
  95.     while(1) {
  97.     }
  98. }

正交编码

正交编码是一种用于测量旋转位置或速度的技术。它通常涉及到两个相位差90度的信号（A相和B相）。这两个信号通过光电传感器、磁性传感器或其他位置传感器生成。正交编码的主要原理是通过检测A相和B相信号的相对相位变化来确定旋转的方向和步数。
A相和B相信号： A相和B相信号是两个相位差90度的正弦波形或方波形。这两个信号的变化在旋转方向上具有差异。
相位关系： 如果A相先于B相发生变化，系统会认为是顺时针旋转；如果B相先于A相发生变化，系统会认为是逆时针旋转。通过检测这两个信号的相对相位变化，可以确定旋转的方向。
脉冲计数： 在正交编码器中，每个脉冲表示一个步进。通过计数脉冲的数量，可以确定旋转的总步数。
增量式测量： 正交编码器提供的是增量式的测量，而不是绝对位置。为了得到绝对位置，通常需要在系统启动时将编码器归零，然后开始测量。

当前的电机测速传感器满足这种结构和表现。

在GD32中，配置正交编码如下：

  1. // 输入配置
  2. timer_ic_parameter_struct tips;
  3. timer_channel_input_struct_para_init(&tips);
  4. tips.icfilter = 10;
  5. timer_input_capture_config(timerx, TIMER_CH_0, &tips);
  7. timer_quadrature_decoder_mode_config(timerx,
  8.                                      TIMER1_QUADRATURE_DECODER_MODE,
  9.                                      TIMER1_QUADRATURE_DECODER_IC0,
  10.                                      TIMER1_QUADRATURE_DECODER_IC1);

对于正交编码采样逻辑如下:

  1. short Timer1_input_read() {
  2.     uint32_t timerx = TIMER1;
  4.     short value = 0;
  5.     value = (short)timer_counter_read(timerx);
  6.     timer_counter_value_config(timerx, 0);
  7.     return value;
  8. }

练习

  • 能够读取轮子转速