一、小车底盘—霍尔编码器数据采集

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

一、霍尔编码器

这里博主采用的是JGB37-520直流减速电机 ，霍尔编码器（磁式）。

1.什么是编码器

编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。编码器按照工作原理，可以分为增量式编码器和绝对式编码器

绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码（二进制数）。

增量式编码器就是每转过单位的角度就发出一个脉冲信号。

从编码器检测原理上来分，还可以分为光学式、磁式、感应式、电容式。我们常见的是光电编码器（光学式）和我们要介绍的主角霍尔编码器（磁式）。一般来说光电编码器是霍尔编码器精度的几十倍。

2.编码器的作用。

了解了什么是编码器，那么我们用编码器有什么实际作用呢？通常我们会使用编码器来检测电机的转速和旋转方向。那我们常用的控制算法PID算法来说，PID算法是为了实现闭环控制，要想实现闭环控制，就需要有一个反馈。我们的编码器测得的转速就可以作为反馈，搭配PID算法，实现转速的闭环控制。

3.霍尔编码器的工作原理。

其实从上面的介绍就能大概了解到编码器的工作原理。我们这次主要介绍对象是霍尔编码器。霍尔编码器由码盘和霍尔元件组成。霍尔码盘与电机主轴同轴，码盘上等分的分布有多个磁极，电机转动时，霍尔元件会输出若干个脉冲信号，我们正是利用这些脉冲信号实现电机的测速和电机转向的判断。

4.霍尔编码器的线数。

什么是霍尔编码器的线数？转动一圈我们会产生几个脉冲，取决于编码器的线数。比如我们的霍尔编码器线数为11。那么霍尔编码器的码盘旋转一圈，会产生11个脉冲。

5.霍尔编码器判断旋转方向和转速

1.方向：通过A相出现脉冲时检测B相电平来判断电机旋转方向。（或者B相出现检测A相）

当然，正转或者反转是可以相互变换的，A由低电平变为高电平，B的高低电平可以决定电机正反转

2.转速：通过检测单位时间内产生的脉冲数来确定电机转速。

为什么可以这么做？因为电机转动一圈产生的脉冲数是确定的。比如我们有一个减速比为1:30的减速电机，霍尔编码器的线数为11。那么霍尔码盘旋转一圈，产生11个脉冲，霍尔码盘旋转30圈，电机主轴旋转一圈。综上所述，电机主轴旋转一圈会产生11 * 30 = 330个脉冲。注意，这里是只检测A相的上升沿脉冲，电机旋转一圈有330个脉冲。

有的小伙伴可能会疑问，是转一圈A和B一共产生330个脉冲，还是A和B都产生330个脉冲？答案是后者。

接下来我们只需要检测单位时间内A相或者B相输出的脉冲数，就可以计算电机转速了。

二、测速程序设计

1.接线图 

2.代码 

from machine import Pin import time # 定义编码器A相和B相的引脚 encoder_a = Pin(17, Pin.IN, Pin.PULL_UP) encoder_b = Pin(5, Pin.IN, Pin.PULL_UP) # 用于记录编码器状态的变量 last_a_state = encoder_a.value() position = 0 # 编码器中断处理函数（仅针对A相的上升沿） def encoder_interrupt(pin): global last_a_state, position current_a_state = encoder_a.value() current_b_state = encoder_b.value() # 如果A相状态从低到高变化（上升沿） if current_a_state == 1 and last_a_state == 0: # 根据A相上升沿时B相的状态确定方向 if current_b_state: # B相为高，正方向 position += 1 else: # B相为低，反方向 position -= 1 # 打印位置和方向（可选） print("Position: {}, Direction: {}".format(position, "Forward" if position > 0 else "Backward" if position < 0 else "Stopped")) last_a_state=0 # 设置引脚中断（仅针对A相的上升沿） encoder_a.irq(trigger=Pin.IRQ_RISING, handler=encoder_interrupt) # 注意：我们不再为encoder_b设置中断，因为它在这个例子中不被直接使用 # 主循环（可以在这里添加其他任务） while True: # 在这里可以添加其他逻辑或任务 time.sleep_ms(100) # 休眠以减少CPU使用率 

3.测试结果

当我们运行代码，旋转轮胎就可以看到输出编码器的数据

4.结论 

正交编码器通常有两个输出，（它们之间的相位差为90度。这种设计使得通过同时监测这两个输出信号，可以准确地确定编码器的旋转方向和步数。

在代码中，选择仅使用A相的上升沿（从低电平到高电平的变化）来触发中断，并根据B相的信号状态来确定旋转方向。

5.以下是该代码的主要原理

1. 引脚配置：encoder_a和encoder_b分别连接到编码器的A相和B相输出。它们都被配置为输入模式，并启用内部上拉电阻。
2. 中断设置：仅为encoder_a设置上升沿中断。当A相从低电平变为高电平时，会触发中断并执行encoder_interrupt函数。
3. 中断处理：在encoder_interrupt函数中，首先读取A相和B相的当前状态。然后，检查A相是否从低电平变为高电平（即上升沿）。如果是，则根据B相的状态来确定旋转方向：
   • 如果B相为高电平，则编码器向正方向旋转，位置计数加1。
   • 如果B相为低电平，则编码器向反方向旋转，位置计数减1。
4. 位置和方向输出：在每次中断处理后，都会打印当前的位置和方向。注意，由于位置计数是整数，因此当计数为0时，表示编码器已停止或处于初始位置。
5. 主循环：主循环中的time.sleep_ms(100)用于减少CPU的使用率。您可以在此处添加其他任务或逻辑。

3 码盘测速原理

3.1 编码器倍频

编码器倍频是什么意思呢，比如某光栅编码器一圈有N个栅格，理论上电机带动编码器转一圈，只能输出N个信号，通过倍频技术，可以实现转一圈，却能输出N*n个信号，这里的n为倍频数。

增量式编码器输出的脉冲波形一般为占空比50% 的方波，通道A 和B 相位差为90°。

• 如果只使用通道A计数，并且只捕获通道A的上升沿，则一圈的计数值=码盘的栅格数，即为1倍频（没有倍频）
• 如果只使用通道A计数，并且捕获了通道A的上升沿和下降沿，则编码器转一圈的计数值翻倍，实现2倍频
• 如果既使用通道A计数，又使用通道B计数，且都捕获了上升沿和下降沿，则实现了4倍频

假设某个增量式编码器它的分辨率是600PPR，能分辨的最小角度是0.6°，对它进行4 倍频之后就相当于把分辨率提高到了600*4=2400PPR，此时编码器能够分辨的最小角度为0.15°。

3.2 M法测速

又叫做频率测量法。该方法是在一个固定的时间内（以秒为单位），统计这段时间的编码器脉冲数，计算速度值。M法适合测量高速。

假设：

• 编码器单圈总脉冲数为C（常数）
• 统计时间为T0 （固定值，单位秒）
• 该时间内统计到的编码器脉冲数为 M0 （测量值）

则：转速n （圈/秒）的计算公式为：

如何理解这个公式：

M0 /C 即统计时间内有多少个编码器脉冲，再除以统计时间 T0 ，即1s（单位时间）内转了多少圈

例如：统计时间 T0 为3s，在3s内测得的脉冲数 M0 为60，而编码器的单圈脉冲数C为20，则转速n=60/(20*3)=1圈每秒

由于C 是常数，所以转速n 跟 M0 成正比。这就使得：

• 在高速时，测量时 M0 变大，可以获得较好的测量精度和平稳性
• 但在低速时（低到每个 T0 内只有少数几个脉冲），此时算出的速度误差就会比较大，并且很不稳定。

如下图，方波为编码器某一通道输出的脉冲。

当转速较高时，每个统计时间 T0 内的计数值较大，可以得到较准确的转速测量值。

当转速较低时，每个统计时间 T0 内的计数值较小，由于统计时间的起始位置与编码器脉冲的上升沿不一定对应，当统计时间的起始位置不同时，会有一个脉冲的误差（只统计上升沿时，最多会有1个脉冲误差，统计上升沿和下降沿时，最多会有2个脉冲的误差）。

通过倍频提高单位时间测得的脉冲数可以改善M 法在低速测量的准确性（比如原本捕获到的脉冲 M0 只有4 个，经过4 倍频后，相同电机状态 M0 变成了16 个），但也不能从根本上改变低速时的测量问题。

3.3 T法测速

又叫做周期测量法。这种方法是建立一个已知频率的高频脉冲并对其计数。T法适合测量低速。

假设：

• 编码器单圈总脉冲数为C（常数）
• 高频脉冲的频率为 F0 （固定值，单位Hz）
• 捕获到编码器相邻两个脉冲的间隔时间为 TE ，其间的计数值为 M1 （测量值）

则：转速n 的计算公式为：

如何理解这个公式：

1/$T_E$ 即1s内有多少个编码器脉冲，再除以一圈的脉冲数C，即1s内转了多少圈

$F_0$/$M_1$ 即1s内的高频脉冲数除以两编码器脉冲间的高频脉冲数，也即1s内有多少个编码器脉冲，再除以一圈的脉冲数C，即1s内转了多少圈

例如：高频脉冲的周期是1ms，即频率 F0 为1000Hz，在编码器的两个脉冲之间，产生的高频脉冲数 M1 为50个（即两个编码器脉冲的间隔 TE 为0.05s），编码器一圈的脉冲数C为20，则转速 n=1000/(50∗20)=1 圈每秒。

由于C 和 F0 是常数，所以转速n 跟 M1 成反比。这就使得：

• 在高速时，编码器脉冲间隔时间TE 很小，使得测量周期内的高频脉冲计数值 M1 也变得很少，导致测量误差变大
• 在低转速时， TE 足够大，测量周期内的 M1 也足够多，所以T 法和M 法刚好相反，更适合测量低速。

如下图，黑色方波为编码器某一通道输出的脉冲，黄色方波为高频测量脉冲。

当转速较低时，高频测量脉冲数 M1 较大，可以得到较准确的转速测量值。

当转速较高时，编码器两脉冲间的时间间隔变短，导致高频测量脉冲数 M1 较小，由于高频脉冲的上升沿位置与编码器脉冲的上升沿不一定对应，当两波的上升沿位置不同时，会有一个脉冲的误差。

3.5 M/T法测速

这种方法综合了M 法和T 法各自的优势，既测量编码器脉冲数又测量一定时间内的高频脉冲数。

在一个相对固定的时间内，假设：

• 编码器脉冲数产生 M0 个 （测量值）
• 计数一个已知频率为 F0 （固定值，单位Hz）的高频脉冲，计数值为 M1 （测量值），计算速度值
• 码器单圈总脉冲数为C（常数）

则转速n 的计算公式为：

例如：在一个相对固定的时间内，编码器脉冲数 M0 为3个；高频脉冲的周期是1ms，即频率 F0 为1000Hz，产生的高频脉冲数 M1 为150个；编码器一圈的脉冲数C为20，则转速 n=1000∗3/(150∗20)=1 圈每秒。

由于M/T 法公式中的 F0 和C 是常数，所以转速n 就只受 M0 和 M1 的影响。

• 高速时， M0增大， M1 减小，相当于M 法
• 低速时， M1 增大， M0 减小，相当于T 法。