Stm32-使用TB6612驱动电机及编码器测速

news2024/11/26 14:23:56

这里写目录标题

    • 起因
    • 一、电机及编码器的参数
    • 二、硬件
    • 三、接线
    • 四、驱动电机
      • 1、TB6612电机驱动
      • 2、定时器的PWM模式驱动电机
    • 五、编码器测速
      • 1、定时器的编码器接口模式
      • 2、定时器编码器模式测速的原理
      • 3、编码器模式的配置
      • 4、编码器模式相关代码
      • 5、测速方法
    • 六、相关问题以及解答
      • 1、编码器模式下的自动重装值ARR和预分频PSC应该如何设置
      • 2、如何判断正反转
      • 3、圈数如何计算
      • 4、转速如何计算
      • 5、为什么我的编码器没有输出，获取到的脉冲数是0
    • 七、测速硬件展示及测速现象
    • 八、总结
    • 九、大家可以参考
      • 参考链接1
      • 参考链接2
      • 参考链接3
      • 参考链接4

起因

最近在学习编码电机以及尝试使用编码电机测速。遇到了很多问题，花费了很多时间，在这里做一个记录，对自己学习到的知识进行一个总结

找了很多资料，看了很多视频，这些太多了，以至于让我不知道究竟哪一个是正确的，今天看这个，明天看这个，导致自己的学习效率低下

当然，有很多大佬的文章和资料给了我很大的启发

这个电机我玩了四天，把自己觉得重要的东西和大家分享一下

现在一般都是用编码器电机，参加比赛啥的，编码电机常用于测速，所以编码电机就成了一个必须学习的知识点

编码器被广泛应用于电机测速，实现电机闭环控制。

相关的知识点有：定时器的输出比较（输出PWM）、定时器的输入捕获，定时器的编码器接口、速度控制

一、电机及编码器的参数

编码电机其实就是一个带有编码器的电机，我的这个电机是一个增量式的带霍尔传感器的电机

电机的型号是JGB37-520电机

下方是电机的参数
主要关注的就是电机的额定电压 12V
电机的减速比 30（这个很重要）

编码器的参数
主要关注编码器的线数 11线 （也就是说电机转一圈会产生11个脉冲）
供电电压 5V
输出类型 方波
在这里插入图片描述

编码器的连接

一般这种编码器都有六根线
两边靠外的两根线是电机电源线
往里两根是编码器的电源线
中间两根是编码器的A,B相
在这里插入图片描述

具体大概是啥意思呢？
就是电机转动的时候编码器会通过编码电机的A相和B相输出两个正交的方波

通过输出的两个方波就可以对电机进行测速和识别电机的方向

二、硬件

整体结构采用洞洞板+TB6612+Stm32C8T6+编码电机(起初采用的是这种结构)

后面采用Stm32ZET6+TB6612+洞洞板+编码电机+12V电源(原因是C8T6烧坏了，哭😥)

主控Stm32C8T6 or Stm32ZET6
电机驱动 TB6612（由于上一个L298N烧了）
520霍尔编码电机
12V电源

三、接线

这里展示驱动一个编码电机的示例，毕竟先从一个电机玩起，弄懂后后面就会使用的更加得心应手啦

主要使用到了定时器的PWM模式（输出比较）功能

大家一定要认真接线，看清出每根线的作用，不要随便接线，一不小心电机驱动就烧了，或者是单片机烧了（在学习的时候就烧了一个单片机，人民币-15）

注意这个是我实现的接线，大家可以根据自己单片机的片上资源合理选择，选择合适的IO口

电机驱动

TB6612C8T6
STBY高电平(+3.3V)
AIN1PB14
AIN2PB15
PWMAPA8 （TIM1-CH1）
AO1电机电源+
AO2电机电源-
VM12V
VCC3.3V
GND和单片机共地

编码器

编码器的A、B相C8T6
A相PA0 (TIM2-CH1)
B相PA1 (TIM2-CH2)

四、驱动电机

1、TB6612电机驱动

首先了解一下TB6612

下图是TB6612驱动模块
原理图
在这里插入图片描述
STBY接高电平 清零电机全部停止
置 1 通过 AIN1 AIN2， BIN1，BIN2 引脚来控制正反转
PWM引脚控制占空比
VM： 接 12V 以内电源
VCC： 接 5V 电源
GND： 接电源负极

下图是驱动逻辑
可以看出IN引脚控制正反转，PWM引脚控制速度

2、定时器的PWM模式驱动电机

使用定时器的PWM模式 生成一个需要的 占空比可调的 频率 符合要求的方波信号。

方波信号的频率不宜过高或者过低，过高容易导致电机驱动的晶闸管经常处于开关状态–发热巨大；过低则容易产生噪音，对电机也低频的冲击

这里输出PWM信号的定时器是TIM1-CH1

设置成PWM模式，频率和占空比可调

有关定时器PWM模式，可以看其他大佬的文章和资料，看看手册

可以看看江科大的教学视频，比我讲的详细多了，也很好理解

我贴出视频链接，大家学习32的时候可以跟他
TIM输出比较，PWM模式

下方的PWM模式的代码作为一个参考

Motor.h

#ifndef __MOTOR_H
#define __MOTOR_H
#include "sys.h"	 

#define PWMA   TIM1->CCR1  //PA8  PWMA  TIM1_CH1
#define AIN2   PBout(15)
#define AIN1   PBout(14)

void Motor_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);
void Motor_SetSpeed(u8 mode ,u16 speed);

#endif

Motor.c

void Motor_Init(void)	//IN引脚初始化
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能PB端口时钟
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;	//端口配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;      //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;     //50M
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);				 //根据设定参数初始化GPIOB
}
void Motor_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)	//PWM引脚初始化
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;

    Motor_Init();

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_TIM1 | RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);//开启时钟

    //输出TIM1 CH1 
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; //TIM_CH1 
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);//初始化定时器。
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值  不分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位


    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;                            //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;     //输出极性:TIM输出比较极性高
    TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);  //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMx

    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);	//MOE 主输出使能		高级定时器一定要写这个语句

    TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器

    TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);  //使能TIM1
}

void Motor_SetSpeed(u8 mode ,u16 speed)		//mode 代表正反转 speed PWM占空比即速度
{
    PWMA = speed;
    if(mode==1)
    {
        AIN1 = 1;
        AIN2 = 0;
    }
    else {
        AIN1 = 0;
        AIN2 = 1;
    }
}

五、编码器测速

编码器一般应用于电机控制，使用PWM驱动电机，然后再使用编码器测量速度，再使用PID算法进行闭环控制

记住下面这句话

在一定的时间内，电机转动一圈，通过霍尔传感器的A、B两相输出一定数量的脉冲，我们可以根据一定时间内的脉冲数计算出电机的瞬时速度。

1、定时器的编码器接口模式

采用的是定时器的编码器接口模式，Stm32中的定时器只有TIM1-5和TIM8才有编码器接口功能，而且只有CH1通道和CH2通道有用。

2、定时器编码器模式测速的原理

原理：接收编码器的A、B相产生的正交信号，根据编码器产生的正交信号脉冲，自动控制CNT自增或自减，根据计数方向和编码器的信号关系来指示编码器的位置、旋转方向和旋转速度，利用脉冲值来计算电机的转动位移

这个可以参考手册里定时器的编码器模式，比我讲的清楚多了
定时器的编码器接口托管了输入捕获的前两个接口

还有一句话记住，编码器模式下就相当于一个带有方向选择的外部时钟

3、编码器模式的配置

具体配置流程就是

时钟–>GPIO–>时基单元配置–>编码器接口配置–>开启定时器–>读取一个时间段内的脉冲–>计算电机旋转轴转速

使用这个函数把定时器设置为编码器接口模式

TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);

采用的是编码器模式3，在TI1和TI2边沿都计数，也就是在一个周期内对A相和B相的上升沿下降沿都计数，一个周期内计4次，所以采用这种模式后,相应的计数值（CNT）就会变成4倍，这就是很多资料里说的四倍频计数。

4、编码器模式相关代码

采用的是定时器2的编码器接口模式，通道1和通道2捕获
encoder.c

/**
 * @brief 把TIM2初始化为编码器接口模式
 * @param psc 预分频系数
 * @param arr 自动重装载值
 * @retval None
 */
void Encoder_Init_TIM2(uint16_t psc,uint16_t arr)	
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    //NVIC_InitTypeDef  NVIC_InitStructure;



    //使能定时器2的时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    //使能PB端口时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);



    //端口配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;
    //浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    //根据设定参数初始化GPIOB
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);



    TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
    // 预分频器
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;
    //设定计数器自动重装值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;
    //选择时钟分频：不分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    //TIM向上计数
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);



    //使用编码器模式3
    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM2, \
                               TIM_EncoderMode_TI12, \
                               TIM_ICPolarity_Rising, \
                               TIM_ICPolarity_Rising);
    TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;
    TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure);



    //清除TIM的更新标志位
    TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);

    //Reset counter
    TIM_SetCounter(TIM2,0);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

/**
 * @brief 单位时间读取编码器计数
 * @param TIMX 定时器
 * @retval 速度值	是编码器返回的脉冲
 */
int Read_Encoder()
{
    	int Encoder_TIM;
        Encoder_TIM= (short)TIM2 -> CNT;
        //Encoder_TIM= (int)((int16_t)(TIM4->CNT));;
        TIM2 -> CNT=0;
   	    return Encoder_TIM;
}

encoder.h

#ifndef __ENCODER_H
#define __ENCODER_H


#include "sys.h"
	 
void Encoder_Init_TIM2(uint16_t psc,uint16_t arr);
int Read_Encoder();


#endif

5、测速方法

在一个时间周期T0内，定时的读取编码器产生的脉冲，以我的编码器为例（11线，减速比30），转一圈会产生1320个脉冲（因为采用的是编码模式3）
这个1320 = 11 * 30 * 4

通过在固定的周期T0内，产生的脉冲就相当于路程，而这个固定的周期就相当于时间

所以速度就等于 在T0这段时间获取到的脉冲总数/（编码器单圈产生的总脉冲数*T0）

对于我的电机就是

T0这段时间获取到的脉冲总数/（1320*T0）

六、相关问题以及解答

在看了前面之后，应该对编码器模式和编码器测速有了一个大概的认识，知道了它测速的原理，但肯定有好多疑问，我把我学习过程中遇到的问题和解决方法做一个总结，你肯定也有这些疑问，不要着急，看下去。

1、编码器模式下的自动重装值ARR和预分频PSC应该如何设置

ARR，自动重装值，指的是CNT计数自增或自减到ARR就会溢出，（可以产生中断），然后继续从0开始计数。

PSC,预分频系数，（前面不是说过编码器相当于一个外部时钟吗），PSC相当于外部时钟的频率，如果分频(假设PSC=2)的话，就会（比如电机转一圈产生100个脉冲），此时编码器模式下只能计数50个脉冲。

所以我们应该如何设置？

PSC呢？ PSC没有必要设置，因为我要计数的本来就是电机转动一圈产生的真实脉冲，所以PSC给0就好啦

ARR呢？ 目前在各种论坛和博客和资料中有两种版本。

第一种，根据电机的线数和减速比来设置，比如我的电机是11线，减速比30，转动一圈的脉冲数是1320，这个值就可以设置为1320。

产生的脉冲数恰好是你定时器溢出的时候，溢出一次记录一次，这个的次数就是电机的圈数（当然这种误差很大）

也就是说电机转一圈正好是1320，当CNT计数到ARR时，计数器就会清零并且重新计数，所以这个ARR就是电机转一圈产生的脉冲数的最大值。

第二种,直接设置成定时器ARR的最大值，也就是65535（2^16-1）,这样设置的目的就是无论你电机产生多少脉冲，都可以记录，且不会溢出。

不过使用65535的话，就要在最开始的时候初始化编码器模式提前把CNT清零，然后再开始计数。再在一个周期内定时读取脉冲数，再清零，这个脉冲也是周期内读取到的脉冲值。

电机旋转一圈能产生脉冲，那么我们就能记录一段时间产生的脉冲数来计算速度

2、如何判断正反转

可以通过判断CR1寄存器中的DIR位，这个位是计数方向位

在这里插入图片描述

正转就是CNT向上计数（DIR==0）

反转就是CNT向下计数（DIR==1）

3、圈数如何计算

就是上方说的，把ARR设置为电机旋转一周产生的脉冲数

电机转一圈，CNT达到ARR，溢出，进中断，设置一个变量++（正转），–（反转）

4、转速如何计算

规定某个某个时钟周期内，读取有多少脉冲，从而计算转速

这里采用的是M法测速，测出的是电机是多少转/s

脉冲相当于路程，某个时钟周期相当于时间

这个上方有描述，可以往上翻翻

5、为什么我的编码器没有输出，获取到的脉冲数是0

检查一下接线，从硬件开始，一步一步排查，对应的引脚是否正确

检查电源，编码器的电源是否打开，相应的PWM波是否有效

硬件确认没有错误，检查软件，编码器接口是否打开,PWM模式是否输出，电机IN引脚是否配置

七、测速硬件展示及测速现象

硬件展示
在这里插入图片描述
测速展示
可以看到当转速为1的时候，产生的脉冲是66-68，而我设置的闸门时间是50ms,结合电机转一圈是1320个脉冲，也就是说测量的脉冲数几乎正确。

（66*2=132） 和编码器的线数完全吻合，测速成功！！！
在这里插入图片描述

八、总结

这个编码器花费了我几乎四天的时间，也可能是自己比较小白，不懂得如何通过电机转一圈产生的脉冲数来计算速度，第一天就实现了读取脉冲

但是后面几天执着于测速，没有采取正确的方法，导致自己无线内耗，浪费了大量时间。

由于网上资料繁杂，找不到自己想要的，浪费了很多时间，很多只是一笔带过，没有系统的讲解原理和方法，我也不知道自己这篇文章是否正解

所以将这个学习总结分享给大家

当然，这都是在借鉴了前人的肩膀下，谢谢各位大佬和优秀的文章，我会在下方贴出自己觉得值得一看大佬们的链接，大家可以一看

欢迎大家指错，看到了就会修改，大家一起共同进步。

九、大家可以参考

参考链接1

带霍尔传感器编码器的直流减速电机测速原理讲解（附源码）-OpenEdv-开源电子网

参考链接2

编码器分类及原理和测速应用（含代码） - 古月居

参考链接3

stm32平衡小车(2)-----编码器电机驱动

参考链接4

带编码器的直流减速电机——基于STM32F407_编码器直流减速电机磁极数目_谁还不是个程序猿的博客

谢谢各位大佬的文章，让我受益匪浅，站在前人的肩膀下才能看的更远

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