常见的有三种

编码器、霍尔传感器、磁传感器。

编码器一般指AB相正交脉冲的增量器件，有的还会有一个Z相信号，用来指示零位；

霍尔传感器一般是指ABC三个成120度角度间隔排列的器件，这种传感器一般集成在电机内部，电机每转一圈会生成6N个信号，每个信号代表电机转到了特定的角度；

磁编码器本质上也是靠霍尔效应检测，但它是一种输出绝对位置的器件，这类传感器一般都有多种接口，如SPI、IIC、模拟值或PWM占空比。

编码器

编码器是一种用于运动控制的传感器，利用光电、电磁、电容或者电感等感应原理，来检测物体的机械或者位置变化，然后把信息转化为电信号输出，作为运动的反馈。

旋转编码器

光电编码器

通过光电转换，将输出轴的角位移、角速度等机械两转化为电脉冲，以数字量输出。

磁式编码器

电容式编码器

增量式编码器

资料

链接：https://pan.baidu.com/s/1Hp1fucofpC7nCn8-D8w_0A?pwd=pvpm
提取码：pvpm

代码

SimpleFOC Library设计了两种正交编码器的计数方法：

正交计数：对信号A和B的每次跳变都进行采样，这样在每个脉冲周期内将有四次信号跳变，采样四次，计数四次（即CPR Count Per Rotation），具体计算见以下源码。 普通计数：对信号A和B的上升沿进行计数，这样每个脉冲周期内将有两次信号跳变，采样两次，但只对某一个通道计数一次(即PPR Pulses Per Rotation)，具体计算见以下源码。 正交模式下CPR = PPR*4 普通模式下CPR = PPR，显然正交模式下分辨率更高，但系统开支也更大，如果对分辨率要求不高可以使用普通模式。

MCU对A和B信号线连接的两个IO口使能外部中断，中断回调函数中实现了计数，回调函数源码如下所示，A和B两个通道的回调函数内容一样，只以A通道为例说明。

//定义对象，使能外部中断
Encoder encoder = Encoder(2, 3, 8192);      //定义正交编码器对象，连接到2和3号引脚，编码器PPR=8192
void doA(){encoder.handleA();}              //A通道中断回调函数
void doB(){encoder.handleB();}              //B通道中断回调函数
encoder.enableInterrupts(doA, doB);         //使能外部中断，设置回调函数

void Encoder::enableInterrupts(void (*doA)(), void(*doB)(), void(*doIndex)())
{
  // attach interrupt if functions provided
  switch(quadrature){        //quadrature:是否开启正交模式
    case Quadrature::ON:
      // A callback and B callback
      if(doA != nullptr) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinA), doA, CHANGE);
      if(doB != nullptr) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinB), doB, CHANGE);
      break;
    case Quadrature::OFF:
      // A callback and B callback
      if(doA != nullptr) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinA), doA, RISING);
      if(doB != nullptr) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinB), doB, RISING);
      break;
  }

  //如果有Z相信号线，使能Z相的中断
  if(hasIndex() && doIndex != nullptr) attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(index_pin), doIndex, CHANGE);
}

//  Encoder interrupt callback functions
// A channel
void Encoder::handleA()
{
  bool A = digitalRead(pinA);                       //测量A引脚高低电平
  switch (quadrature)
  {                               
    case Quadrature::ON:                            //正交模式下：
    // CPR = 4xPPR
     if ( A != A_active )                           //如果A引脚状态不等于"当前记录的状态"
     {
       //如果A引脚"当前记录的状态"等于B引脚"当前记录的状态"计数+1
       //对应图六中左侧A信号的上升沿与下降沿状态
       //否则为逆时针旋转，计数-1
       pulse_counter += (A_active == B_active) ? 1 : -1;
       pulse_timestamp = _micros();
       A_active = A;                                 //更新A引脚当前状态
     }
     break;
   case Quadrature::OFF:                             //普通模式下
   // CPR = PPR
     if(A && !digitalRead(pinB))                     //如果A引脚是高电平且B引脚是低电平
     {
       pulse_counter++;                              //计数+1，对应图六中左上角A上升沿状态
       pulse_timestamp = _micros();
     }
     break;
   }
}

霍尔传感器

如上图所示，右侧的3个器件就是霍尔传感器，它们成120度夹角安装，也有60度安装的，但控制逻辑不一样。本节以一对极120度夹角电机模型说明。一对极指转子只有一对磁铁NS极，图四为多对极电机。

按特定的组合给电机的UVW三相供电，如U+,V-,W断开，此时电机转子将转到某一固定位置，假设为扇区Sector1，然后切换供电状态为W+,V-，U断开，电机将继续旋转60度到扇区二，按特定的顺序依次切换供电状态，电机将会一直转动下去，共有6种供电状态，对应着6个扇区，6种霍尔传感器的触发状态，如下图所示。

图六、霍尔的六种触发状态

霍尔传感器就是根据这六种状态确定转子的位置，加上这6种状态的循环次数就是当前电机转子的真实位置。

//HallSensor.h
//霍尔传感器状态与扇区对应关系
// seq 1 > 5 > 4 > 6 > 2 > 3 > 1     000 001 010 011 100 101 110 111
const int8_t ELECTRIC_SECTORS[8] = { -1,  0,  4,  5,  2,  1,  3 , -1 };

霍尔位置传感器的程序源码与ABZ正交编码器程序源码基本相同，引脚配置和外部中断设置基本相同，主要内容在updateState函数中，下边简单分析updateState函数。

void HallSensor::updateState() 
{
 long new_pulse_timestamp = _micros();
 //刷新三个霍尔传感器的状态
 int8_t new_hall_state = C_active + (B_active << 1) + (A_active << 2);
 //去除噪声
  // glitch avoidance #1 - sometimes we get an interrupt but pins haven't changed
 if (new_hall_state == hall_state) {
 return;
  }
 hall_state = new_hall_state;
 //匹配当前所在扇区
 int8_t new_electric_sector = ELECTRIC_SECTORS[hall_state];
 static Direction old_direction;
 //
 if (new_electric_sector - electric_sector > 3) {    //如从扇区0转到了扇区5，则循环次数-1
    //underflow
 direction = Direction::CCW;
 electric_rotations += direction;
  } else if (new_electric_sector - electric_sector < (-3)) {//如从扇区5转到了扇区0，则循环次数+1
    //overflow
 direction = Direction::CW;
 electric_rotations += direction;
  } else {
 direction = (new_electric_sector > electric_sector)? Direction::CW : Direction::CCW;
  }
 electric_sector = new_electric_sector;

  // glitch avoidance #2 changes in direction can cause velocity spikes.  Possible improvements needed in this area
 if (direction == old_direction) {
    // not oscilating or just changed direction
 pulse_diff = new_pulse_timestamp - pulse_timestamp;
  } else {
 pulse_diff = 0;
  }
 
 pulse_timestamp = new_pulse_timestamp;
 total_interrupts++;
 old_direction = direction;
 if (onSectorChange != nullptr) onSectorChange(electric_sector);
}

磁编码器

磁编码器有基于霍尔效应原理的，也有基于磁阻效应的。SimpleFOC项目使用的有以下几种，这里以AS5600说明。

/** Typical configuration for the 12bit AMS AS5600 magnetic sensor over I2C interface */
MagneticSensorI2CConfig_s AS5600_I2C = {
  .chip_address = 0x36,
  .bit_resolution = 12,
  .angle_register = 0x0C,
  .data_start_bit = 11
};

/** Typical configuration for the 12bit AMS AS5048 magnetic sensor over I2C interface */
MagneticSensorI2CConfig_s AS5048_I2C = {
  .chip_address = 0x40,  // highly configurable.  if A1 and A2 are held low, this is probable value
  .bit_resolution = 14,
  .angle_register = 0xFE,
  .data_start_bit = 15
};

/** Typical configuration for the 14bit AMS AS5147 magnetic sensor over SPI interface */
MagneticSensorSPIConfig_s AS5147_SPI = {
  .spi_mode = SPI_MODE1,
  .clock_speed = 1000000,
  .bit_resolution = 14,
  .angle_register = 0x3FFF,
  .data_start_bit = 13, 
  .command_rw_bit = 14,
  .command_parity_bit = 15
};
// AS5048 and AS5047 are the same as AS5147
MagneticSensorSPIConfig_s AS5048_SPI = AS5147_SPI;
MagneticSensorSPIConfig_s AS5047_SPI = AS5147_SPI;

/** Typical configuration for the 14bit MonolithicPower MA730 magnetic sensor over SPI interface */
MagneticSensorSPIConfig_s MA730_SPI = {
  .spi_mode = SPI_MODE0,
  .clock_speed = 1000000,
  .bit_resolution = 14,
  .angle_register = 0x0000,
  .data_start_bit = 15, 
  .command_rw_bit = 0,  // not required
  .command_parity_bit = 0 // parity not implemented
};

原理

AS5600

是基于霍尔的旋转磁位置传感器，有12位高分辨率，使用平面传感器来将垂直于芯片表面的磁场分量转换为电压。它有3种输出方式，模拟值，PWM和IIC。

模拟值模式

//examples\utils\sensor_test\magnetic_sensors\magnetic_sensor_analog_example\find_raw_min_max\find_raw_min_max.ino
#include <SimpleFOC.h>
/**
 * 编码器处于Analog模式，指定AD引脚，它的电压与位置成线性正比
 */
//AD使用A1引脚，AD最小值为14，最大值为1020，10位AD采样
MagneticSensorAnalog sensor = MagneticSensorAnalog(A1, 14, 1020);

void setup()
{
  // monitoring port
 Serial.begin(115200);
  //传感器初始化，读取一次AD值，并记录当前时间
 sensor.init();
 Serial.println("Sensor ready");
 _delay(1000);
}

void loop() {
  // display the angle and the angular velocity to the terminal
 Serial.print(sensor.getAngle());
 Serial.print("\t");
 Serial.println(sensor.getVelocity());
}
//src\sensors\MagneticSensorAnalog.cpp
#include "MagneticSensorAnalog.h"
MagneticSensorAnalog::MagneticSensorAnalog(uint8_t _pinAnalog, int _min_raw_count, int _max_raw_count)
{
 pinAnalog = _pinAnalog;                   //AD引脚
 cpr = _max_raw_count - _min_raw_count;    //cpr计算
 min_raw_count = _min_raw_count;
 max_raw_count = _max_raw_count;

 if(pullup == Pullup::USE_INTERN){
 pinMode(pinAnalog, INPUT_PULLUP);
  }else{
 pinMode(pinAnalog, INPUT);
  }

}


void MagneticSensorAnalog::init()
{
  // velocity calculation init
 angle_prev = 0;
 velocity_calc_timestamp = _micros(); 

  // full rotations tracking number
 full_rotation_offset = 0;
 raw_count_prev = getRawCount();       //读取一次当前AD值
}

//  Shaft angle calculation
//  angle is in radians [rad]
float MagneticSensorAnalog::getAngle(){
  //读取一次当前AD值
 raw_count = getRawCount(); 
//计算AD值变化量，如果变化量大于0.8cpr，则认为已经进入下一圈了，或者是后退到上一圈了
 int delta = raw_count - raw_count_prev;
  // if overflow happened track it as full rotation
 if(abs(delta) > (0.8*cpr) ) full_rotation_offset += delta > 0 ? -_2PI : _2PI; 
 //计算绝对角度，弧度
 float angle = full_rotation_offset + ( (float) (raw_count) / (float)cpr) * _2PI;

  //计算速度
 long now = _micros();
 float Ts = ( now - velocity_calc_timestamp)*1e-6;
  // quick fix for strange cases (micros overflow)
 if(Ts <= 0 || Ts > 0.5) Ts = 1e-3; 
 velocity = (angle - angle_prev)/Ts;

  // save variables for future pass
 raw_count_prev = raw_count;
 angle_prev = angle;
 velocity_calc_timestamp = now;

 return angle;
}

// function reading the raw counter of the magnetic sensor
int MagneticSensorAnalog::getRawCount(){
 return analogRead(pinAnalog);//AD阻塞采样
}

磁编码器的模拟值输出方式计算位置原理十分简单，只是一个AD值到角度的线性转换，需要注意的是AD的最大最小值最好自己测量一下，避免误差。另外一个需要注意的地方是getAngle()函数需要以较高的频率调用（频率跟电机转动速度相关），否则可能会导致角度计算错误，最好是使用定时器定时调用，或者在多任务系统种单独一个任务以固定周期调用该函数。

上述源码AD采样使用的是阻塞方式采样，STM32中我们可以使用中断或DMA中断方式采样，在中断函数中调用getAngle()函数，并开启下一次采样。

PWM模式

PWM模式和模拟值输出模式很相似，只是将模拟值输出的电压变成了PWM形式，PWM的高电平时间与角度成正比。

examples\utils\sensor_test\magnetic_sensors\magnetic_sensor_pwm_example\magnetic_sensor_pwm\magnetic_sensor_pwm.ino
#include <SimpleFOC.h>
/**
 * MagneticSensorPWM(uint8_t MagneticSensorPWM, int _min, int _max)
 * - pinPWM         - PWM输入引脚
 * - min_raw_count  - 最短高电平时间us
 * - max_raw_count  - 最长高电平时间us
*/
MagneticSensorPWM sensor = MagneticSensorPWM(2, 4, 904);
//定义中断回调函数
void doPWM(){sensor.handlePWM();}

void setup() {
  // monitoring port
 Serial.begin(115200);

  // initialise magnetic sensor hardware
 sensor.init();
  //使能外部中断(监测引脚上升沿下降沿)检测PWM引脚高电平时间
  //如果注释掉这一句，则以默认的阻塞方式检测PWM引脚高电平时间
 sensor.enableInterrupt(doPWM);

 Serial.println("Sensor ready");
 _delay(1000);
}

void loop() {
  // display the angle and the angular velocity to the terminal
 Serial.print(sensor.getAngle());
 Serial.print("\t");
 Serial.println(sensor.getVelocity());
}

IIC模式

AS5600可以使用IIC通信方式得到角度数据，需要注意的是，AS5600的地址是固定的，也就是说IIC总线上只能有一个AS5600。如果想要使用多个AS5600就需要多个IIC总线。

//examples\utils\sensor_test\magnetic_sensors\magnetic_sensor_i2c_example\magnetic_sensor_i2c_example.ino
#include <SimpleFOC.h>
// Example of AS5600 configuration 
MagneticSensorI2C sensor = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C);

void setup() {
  // monitoring port
 Serial.begin(115200);

  //i2C使用快速模式400K
 Wire.setClock(400000);
  // initialise magnetic sensor hardware
 sensor.init();

 Serial.println("Sensor ready");
 _delay(1000);
}

void loop() {
  // display the angle and the angular velocity to the terminal
 Serial.print(sensor.getAngle());
 Serial.print("\t");
 Serial.println(sensor.getVelocity());
}

参考

无刷电机控制器分析（1.1）SimpleFOC位置检测传感器例程源码分析 - 知乎