直流有刷电机编码器测速基于STM32F302R8+X-NUCLEO-IHM07M1

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前言

主控板STM32F302R8+驱动板X-NUCLEO-IHM07M1+直流减速电机37GB3530（带HALL编码器），实现电机的测速。

一、编码器测速原理

HALL编码器：利用霍尔效应，将位移转换成计数脉冲，用脉冲的个数计算位移和速度。

直流有刷电机HALL编码器有A、B两相，会输出两个相位差为90°的脉冲信号。当电机正转时，A相脉冲在前；当电机反转时，B相脉冲在前。
常用的测速方法有：M法测速；T法测速；M/T法测速
本次试验采用M法测速，即在一定时间内测取旋转编码器输出的脉冲个数，用以计算这段时间内的转速。

二、STM32F302R8+X-NUCLEO-IHM07M1直流电机编码器测速

2.1.功能需求

直流减速电机37GB3530测速

2.2.硬件设计

控制板：STM32F302R8
驱动板：X-NUCLEO-IHM07M1
直流电机：37GB3530，额定功率10W，额定电压12V，额定电流0.3A，带HALL编码器

2.3.软件设计

2.3.1.底层配置

1、RCC设置为外部时钟，72MHz
2、PC13设置为输入，无上下拉电阻；PC10，PC11设置为输出，无上下拉电阻，高速，初值为0；PB13设置为输出，下拉电阻，高速，初值为0
3、PA8设置为TIM1_CH1，PA9设置为TIM1_CH2；TIM1时钟源设置为内部时钟，两通道均设置为PWM输出；TIM1时钟分频值设置为36-1，向上计数，ARR设置为100-1，PWM输出的周期为1/（72000000/36）100=510^-5s，也即20KHz，其余值保持默认即可
4、PA15设置为TIM2_CH1，PB3设置为TIM2_CH2；TIM2设置为编码器模式，TIM2时钟不分频，向上计数，ARR值为65536-1；编码器模式设置为TI1 and TI2；使能TIM2中断，中断优先级设置为2,0
5、TIM6激活，TIM6时钟分频值设置为72-1，向上计数，ARR设置为1000-1，计数周期为(1/(72000000/72))*1000=0.001s=1ms；使能TIM6中断，中断优先级设置为1,0
6、USART2设置为异步；波特率115200，8位数据位，1位停止位，无奇偶检验位
7、IDE设置为Keil，在Keil环境中进行应用层编程

2.3.2.应用层开发

按键扫描函数：

uint8_t KEY_Scany(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
	if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOx, GPIO_Pin)==0)
	{
		while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOx, GPIO_Pin)==0);
		return 1;
	}
	else
		return 0;
}
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主函数：

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  uint8_t count=0;
  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM1_Init();
  MX_TIM2_Init();
  MX_TIM6_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  //使能桥臂1和桥臂2
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, EN1_Pin, GPIO_PIN_SET);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, EN2_Pin, GPIO_PIN_SET);
  
  //使能TIM1_CH1和TIM1_CH2两通道PWM输出，输出占空比默认为0
  //PWM2输出0，控制PWM1输出的占空比，即可实现开环调速
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_1);
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_2);
  
  //使能TIM2_CH1和TIM2_CH2编码器
  HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);
  HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_2);
  
  //使能更新中断，清除中断标志位
  __HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim2,TIM_IT_UPDATE);
  __HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim2,TIM_IT_UPDATE);
  
  //使能TIM6中断，清除中断标志位
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);
  __HAL_TIM_CLEAR_IT(&htim6,TIM_IT_UPDATE);
  
  debug_init();
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
	  if(KEY_Scany(KEY_GPIO_Port,KEY_Pin)==1)
	  {
		  Duty+=5;
		  if(Duty>=100)
			  Duty=100;
		  
		  TIM1->CCR1=Duty;
	  }
	  
	  HAL_Delay(10);
	  if(count%50==0)  
	  {
		  HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);  //0.5s程序运行指示灯
		  debug_send_wave_data(1,Motor_Speed);         //发送数据到上位机
		  debug_send_wave_data(2,Motor_Direction);
		  debug_send_wave_data(3,Duty);
		  
		  count=0;
	  }
	  count++;
  }
  /* USER CODE END 3 */
}
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中断处理函数：

/* USER CODE BEGIN 1 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	int Encode_now;
	if(htim->Instance==TIM2)  //TIM2更新中断
	{
		if(__HAL_TIM_IS_TIM_COUNTING_DOWN(&htim2))   //记录溢出次数，向下计数减1，向上计数加1
		{
			Encode_Count--;
		}
		else
		{
			Encode_Count++;
		}	
	}
	else if(htim->Instance==TIM6)
	{
		Motor_Direction=__HAL_TIM_IS_TIM_COUNTING_DOWN(&htim2);  //电机方向
		Encode_now=Get_Encode();  //获取当前脉冲计数总值
		Speed_Computer(Encode_now,50);  //50ms更新一次速度
	}
}
/* USER CODE END 1 */
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Get_Encode函数，该函数获得当前编码器计数总值：

int Get_Encode(void)
{
	return (int32_t) __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2)+Encode_Count*65536; //计数总值=当前计数值+溢出次数*65536
}
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速度计算函数，采用M法测速：
注：此处借鉴正点原子参考程序，引入冒泡排序及一阶滤波

void Speed_Computer(int32_t Encode_now,uint8_t time)  //采用M法测速
{
	uint8_t i=0,j=0;
	float temp=0.0;
	static uint8_t sp_count=0,k=0;
	static float speed_arr[10]={0.0};
	
	if(sp_count==time)  //50ms计算一次速度
	{
		g_encode.encode_now=Encode_now;  //获取当前编码器计数总值
		g_encode.speed=(g_encode.encode_now-g_encode.encode_old);  //计算50ms内编码器计数的变化量
		speed_arr[k++]=(float)(g_encode.speed*((1000/time)*60)/(uint16_t)(16*4*30));  //M法测速计算电机转速,累计10次转速
		g_encode.encode_old=g_encode.encode_now;  //保存当前计数值
		
		if(k>=10)  //冒泡排序
		{
			for(i=10;i>=1;i--)
			{
				for(j=0;j<(i-1);j++)
				{
					if(speed_arr[j]>speed_arr[j+1])
					{
						temp=speed_arr[j];
						speed_arr[j]=speed_arr[j+1];
						speed_arr[j+1]=temp;
					}
				}
			}
			temp=0.0;
			for(i=2;i<8;i++)  //去掉一个最大和最小值，取平均
			{
				temp+=speed_arr[i];
			}
			temp=(float)temp/6;
			Motor_Speed=(float)((Motor_Speed*(float)0.52)+((float)0.48*temp)); //一阶滤波
			k=0;
		}
		sp_count=0;
	}
	sp_count++;
}
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上位机采用正点原子上位机，观察测速波形。

2.4.下载验证

编译下载到控制器，观察实验现象

总结

主控板STM32F302R8+驱动板X-NUCLEO-IHM07M1+直流减速电机37GB3530，实现了直流电机的编码器测速，为后续章节的分析奠定基础