运动控制 编码器测速

一、H桥驱动

本文采用电驱动板为正点原子的直流有刷电机驱动板，由两个半桥组成一个H桥。

1.1 电机启停

• 通过IO控制SD输入信号可以控制电机启动或者停止。

电机正反转：

• PWM_UH输入高电平，PWM_UL输入低电平，此时电流从M-流向M+，电机反转。
• PWM_UH输入低电平，PWM_UL输入高电平，此时电流从M+流向M-，电机正转。
• 注：IO反转周期不能低于死区时间。

1.2 电机调速

• 一个端口输出固定，另一个端口输出PWM。
  
• 通过硬件定时器的PWM互补输出可以实现电机速度控制和正反转。
• 互补PWM设置死区的意义主要在于提高系统的可靠性和稳定性，避免由于开关速度问题导致的设备损坏或性能下降。具体来说，互补PWM信号常用于驱动如电机等设备，其中一路PWM信号用于控制设备的正向运动，另一路PWM信号用于控制设备的反向运动。为了避免设备的两相同时工作，引入死区时间，即两路PWM信号之间的时间差。这样，在设备从正向运动切换到反向运动时，可以确保两路PWM信号之间有足够的时间间隔，从而防止因开关速度不匹配导致的短路或其他损坏情况。

二、编码器测速

2.1 脉冲计数

使用STM32高级定时器的编码器模式对编码器输出的脉冲进行计数，定时器可以根据配置的工作模式对边沿进行计数。

2.2 测速相关参数

• 分辨率
• 供电电压
• 电机减速比

2.3 测速流程

1. 假设测速周期为200ms。
2. 读取编码器在200ms内计数值的变化量。
3. 以此推算出1分钟内的变化量为200ms内的变化量 * 5 * 60。
4. 如果编码器同时对AB相计数，则使用1分钟变化量除4得到产生的脉冲数，而如果仅对A或B中一相进行计数，则使用1分钟变化量除2得到产生的脉冲数。
5. 最后使用1分钟内的脉冲数除以分辨率得到转动圈数。
6. 转动圈数除以减速比得到实际速度。

2.4 滤波

在实际使用过程中，直接使用编码器的脉冲计算速度并不稳定，需要对这些数据进行滤波得到更稳稳定的结果。

2.4.1 冒泡排序

int array[] = {9，4，3，5，6，7， 0}；void swap(int *xp, int *yp) 
{  int temp = *xp;  *xp = *yp;  *yp = temp;  
} void bubbleSort(int arr[], int n) 
{  for (int i = 0; i < n-1; i++) {for (int j = 0; j < n-i-1; j++) {  if (arr[j] > arr[j+1]) {  swap(&arr[j], &arr[j+1]);  }  }  }  
}

使用冒泡排序将数据从小到大排列，并去掉最大最小值求出平均值，得到一个稳定的输出。

2.4.2 一阶低通滤波

Y(n) = q * X(n) + (1-q) * Y(n-1)

• Y(n) 是当前时刻的输出值。
• X(n) 是当前时刻的输入值。
• Y(n−1) 是前一时刻的输出值。
• q 是一个介于 0 和 1 之间的常数，它决定了滤波器对输入变化的响应速度和平滑程度。
• 当 q 接近 1 时，滤波器对输入的变化非常敏感，输出会紧密跟随输入的变化。此时，滤波器的平滑效果较弱。
• 当 q 接近 0 时，滤波器对输入的变化不太敏感，输出会更加平滑，因为它更多地依赖于前一时刻的输出值。此时，滤波器的平滑效果较强。
• 一阶低通滤波器常用于信号去噪、平滑数据或实现简单的预测。在数字信号处理、控制系统和时间序列分析中都有广泛的应用。