平衡小车制作系列之二——模块原理解析

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一、 模块概述

带编码器的直流减速电机，stm32f103系列单片机，蓝牙模块，电源电池，面包板，后续补充…

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二、 直流电机

2.1 直流电机介绍

下面是分析直流电机的物理模型图。其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁芯和绕在环形铁芯上的绕组。

把上图中的+和-分别接到电池的正极和负极，电机即可正转；如果是把上图中的+和-分别接到电池的负极和正极那么电机就会反方向转动。电机的转速可以理解为和外接的电压是正相关的。（实际由电枢电流决定！这一点很关键，会在后面的讲解中体现出来。）
总而言之，如果我们可以调节施加在电机上面的直流电压大小，即可实现直流电机调速，改变施加电机上面直流电压的极性，即可实现电机换向。

2.2 直流电机外围设备介绍

2.2.1 减速器

在本次平衡小车项目中，我们使用到的直流电机自带一个减速器，用来降低电机的转速，以提高电机的扭矩。因为直流电机的转速一般都是一分钟几千上万转转速特别的快，减小转速后可以使电机可控性增强，并且转速快电机能产的扭矩就小，通俗的说就是负载一大就很容易转不动（扭矩不够，拉不动）。

2.2.2 控制PWM的单片机

通过改变电机正负极两端的压降就可以改变电机的转速，因此，我们就可以通过改变引脚PWM波的占空比来改变引脚输出的有效电压，但32单片机为3.3V单片机，而要驱动的直流减速电机的电压一般都大于3.3V,并且单片机引脚能输出的电流只有几毫安，而电机的额定电流远远大于这个值，所以单片机是无法直接驱动电机的。因此我们就需要使用电机驱动来帮助单片机来驱动电机转动,例如LM298N。即由电机驱动来提供驱动电机的电压与电流，单片机通过输出PWM波来改变电机驱动输出的电压从而该变电机的转速。

2.2.3 编码器

后续详细介绍

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三、 编码器

3.1 编码器介绍

编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通信、传输和存储的信号形式的设备。在直流减速电机中，编码器就是将电机的转动信息（比如转速、转动角度等）转换为脉冲信号。按照原理可将其分为：光电编码器（光学式）和霍尔编码器（磁式）。

3.1.1 编码器作用

由上述可知，编码器能够将电机的机械几何位移转化为脉冲信号或数字量。也就是说，通过检测编码器输出的脉冲信号，就能获取电机的转速、转动角度等相关信息。这样，我们不仅能够定量地测量电机转向、转速，还能实现对电机的定性控制。

3.1.2 具体原理

简单来说，就是电机带动码盘转动，码盘的结构使得当电机在转动时会产生A、B两相的脉冲信号，且这两路脉冲信号的相位差为90°（即正交）。并且由上图可以间接知道，无论电机的转速如何，每一转的脉冲数目都是一致的！
由于A、B信号正交，因此可以根据两个信号谁先到，谁后到来判断方向，根据每个信号脉冲数量的多少以及每一圈电机产生的脉冲数，就可以算出当前行走的距离，如果再加上定时器的话，还可以算出速度。

• 通过定时器的输入捕获或者GPIO引脚的外部中断来检测边沿变化，以此来检测脉冲数。这方法好像没毛病，当电机正常运转时行得通。

但是如果电机输出的脉冲信号出现了毛刺呢？ 会存在误差！

• 通过软件编写算法来滤去毛刺似乎有点困难，于是我们想到通过硬件来处理这个毛刺。（而STM32正好有硬件编码器，nice！）

3.2 STM32的编码器接口模式

3.2.1 概述

此模式就是特殊的输入捕获模式——在该模式下能计算电机输出脉冲信号的个数，且stm32根据其内部机制能够消除毛刺的干扰。

配置过程：由于编码器接口模式是一种特殊的输入捕获，所以要先配置一下输入捕获（毕竟你要通过捕获边沿来检测脉冲）。
 在输入捕获过程中，我们把A6、A7复用为TIM3，作为输入捕获的引脚，对电机的A、B相脉冲进行输入捕获。
 输入捕获配置完成之后再配置一下编码器模式就可以开始工作了。

3.2.2 编码器模式配置

配置函数void TIM_EncoderInterfaceConfig(TIMx, TIM_EncoderMode, TIM_IC1Polarity, TIM_IC2Polarity)

•  TIMx就是输入捕获时设置的TIM3，
•  polarity就分别是TI1和TI2的捕获极性（TI1是定时器输入通道1，TI2同理），即A、B两相信号的捕获极性（上升沿捕获或者下降沿捕获）
•  ♥♥♥编码器的模式TIM_EncoderMode：
  a) 当模式选为TIM_EncoderMode_TI1时，计数器仅在TI1的边沿处计数
  b) 当模式选为TIM_EncoderMode_TI2时，计数器仅在TI2的边沿处计数
  c) 当模式选为TIM_EncoderMode_TI12时，计数器在TI1和TI2边沿处均计数
  
  如图，A、B两相正交信号，如果根据模式1或模式2对脉冲信号进行检测，假设我们上升沿捕获一次，那么图中的信号我们只检测到3个上升沿，也就是三个脉冲。但是如果采用模式3，对TI1和TI2检测上升沿，那么同一段时间我们检测到6个上升沿。如果下降沿也检测，那么一共就是12个边沿跳变。每个实际来的脉冲会被检测4次，同样是12/4=3个脉冲，但是这样的话精度大大提高了。至此，我们通过STM32的TIM3的编码器模式，能够测出任意时刻的脉冲值了。

3.3 使用方法

3.3.1 核心

KEY:利用获取的脉冲数来测量电机转动角度、转速。

a) 首先，根据带编码器的直流减速电机的原理，显然无论电机的转速如何，每转产生的脉冲数是固定的。这里假设电机每转产生260个脉冲（具体数据各位自行查看自己的电机参数啦），那么只要我们用‘电机已产生的脉冲数’除以‘260个/转’，就可以得到电机转了多少圈，一圈即为360度，由此便可将脉冲数和转动角度联系起来。

WARNING： 如果使用编码器模式3（TIM_EncoderMode_TI12），我们得到的脉冲数是电机实际产生的脉冲数的四倍。则电机实际产生的脉冲数应为‘得到的计数值’除以4。于是，电机转动圈数为脉冲数除以260再除以4。*

b) 其次，我们根据计数方向（递增计数或递减计数）来判断转动角度。
e.g. TIM_EncoderMode_TI1: Counter counts on TI1FP1 edge depending on TI2FP2 level，意思就是当选择模式1时，计数器根据TI2的电平高低来记录TI1的边沿信号。


示例：如下图，电机转动时产生A、B两相信号通过TI1、TI2输入到TIM3。
假设我们选择的是模式1，即计数器仅在TI1的边沿处计数。我们观察TI1的上升沿，若此时对应的TI2信号处于低电平（下图红框），于是根据表格我们可以得到计数方向为递增，假设计数器递增时电机正向转动，则可判断此时电机正转。


再譬如，假设我们选择模式2，即计数器仅在TI2的边沿处计数。我们观察TI2的下降沿，若此时对应的TI1信号为高电平（下图蓝框），于是根据表格我们可以得到计数方向为递减，假设计数器递减时电机反向转动，则可判断此时电机反转。

也就是说，当以TI1为计数信号时，需要根据TI2的电平（也就是第二纵列的“相对信号的电平”）来进行判断是向上计数还是向下计数。TI2也同理。

3.3.2 代码部分

a)定时器初始化（输入捕获模式）
这里的period即为计数器的重装载值，prescaler即为预分频系数。注意在编码器模式时，要把TIM理解为计数器，而不是定时器，这样的话，时钟信号就不是系统内部产生的，而是通过PA6、PA7输入到TIM3的TI1和TI2的。
计数器原理与普通定时器一致——Period就是计数器每一次能检测脉冲的最大值，每来一个脉冲计数值就加一，当计数值超过period就溢出中断；Prescaler就是对电机产生的脉冲信号进行分频的分频系数。比如当分频系数为2时，每当电机产生两个脉冲，stm32才认为接收到一个有效脉冲，计数值才加一。

/**************************************************************************
函数功能：把TIM2初始化为编码器接口模式
入口参数：无
返回  值：无
**************************************************************************/
void Encoder_Init_TIM2(void)
{
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;  
  TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;  
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);//使能定时器2的时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);//使能PA端口时钟
	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;	//端口配置
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					      //根据设定参数初始化GPIOA
  
  TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0x0; // 预分频器 
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD; //设定计数器自动重装值
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//选择时钟分频：不分频
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM向上计数  
  TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
  TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM2, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);//使用编码器模式3
  TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
  TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;
  TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure);
  TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);//清除TIM的更新标志位
  TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
  //Reset counter
  TIM_SetCounter(TIM2,0);
  TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); 
}
/**************************************************************************
函数功能：把TIM4初始化为编码器接口模式
入口参数：无
返回  值：无
**************************************************************************/
void Encoder_Init_TIM4(void)
{
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;  
  TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;  
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);//使能定时器4的时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);//使能PB端口时钟
	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;	//端口配置
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);					      //根据设定参数初始化GPIOB
  
  TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0x0; // 预分频器 
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD; //设定计数器自动重装值
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//选择时钟分频：不分频
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM向上计数  
  TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
  TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);//使用编码器模式3
  TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
  TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;
  TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);
  TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);//清除TIM的更新标志位
  TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);
  //Reset counter
  TIM_SetCounter(TIM4,0);
  TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); 
}

/**************************************************************************
函数功能：单位时间读取编码器计数
入口参数：定时器
返回  值：速度值
**************************************************************************/
int Read_Encoder(u8 TIMX)
{
    int Encoder_TIM;    
		switch(TIMX)
		{
	   case 2:  Encoder_TIM= (short)TIM2 -> CNT;  TIM2 -> CNT=0;break;
		 case 3:  Encoder_TIM= (short)TIM3 -> CNT;  TIM3 -> CNT=0;break;	
		 case 4:  Encoder_TIM= (short)TIM4 -> CNT;  TIM4 -> CNT=0;break;	
		 default: Encoder_TIM=0;
		}
		return Encoder_TIM;
}
/**************************************************************************
函数功能：TIM4中断服务函数
入口参数：无
返回  值：无
**************************************************************************/
void TIM4_IRQHandler(void)
{ 		    		  			    
	if(TIM4->SR&0X0001)//溢出中断
	{    				   				     	    	
	}				   
	TIM4->SR&=~(1<<0);//清除中断标志位 	    
}
/**************************************************************************
函数功能：TIM2中断服务函数
入口参数：无
返回  值：无
**************************************************************************/
void TIM2_IRQHandler(void)
{ 		    		  			    
	if(TIM2->SR&0X0001)//溢出中断
	{    				   				     	    	
	}				   
	TIM2->SR&=~(1<<0);//清除中断标志位 	    
}

3.4 编码器实物参数

以某宝店铺的驰海电机进行参数学习——CHR-GM37-520ABHL碳刷霍尔编码器减速电机。

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四、 结尾说明

本文重点参考以下几篇博客文章：
 《带编码器的直流减速电机——基于STM32F407》
 《STM32直流减速电机控制篇》