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基于STM32的增量式编码器测速设计及实验验证

汇报人：

2024-01-16

引言

增量式编码器测速原理

基于STM32的硬件设计

软件设计与实现

实验验证与结果分析

总结与展望

contents

目

录

01

引言

目前，国内外学者针对增量式编码器测速提出了多种方法，如M法、T法等，但各有优缺点。

测速方法

为了提高测速精度和实时性，研究者们不断对算法进行改进和优化，如采用滤波算法、预测算法等。

算法优化

增量式编码器测速技术已广泛应用于电机控制、机器人、航空航天等领域。

应用领域

研究目的：本文旨在设计一种基于STM32的增量式编码器测速系统，并通过实验验证其性能。

研究内容：首先分析增量式编码器的工作原理和测速方法，然后设计基于STM32的硬件电路和软件算法，最后搭建实验平台进行测试和验证。具体包括以下几个方面

增量式编码器工作原理及测速方法分析

基于STM32的硬件电路设计

测速软件算法设计与实现

实验平台搭建与测试验证

02

增量式编码器测速原理

光电转换

增量式编码器利用光电转换原理，将旋转运动转换为电信号输出。编码器内部有光源和光栅，当旋转轴带动光栅转动时，光线透过光栅的缝隙产生明暗交替的光信号。

信号处理

光信号经过光电转换器件转换为电信号，再经过放大、整形等处理，得到标准的方波信号。方波信号的频率和旋转轴的转速成正比，相位则反映了旋转方向。

在固定时间内测量编码器输出的脉冲数来计算转速。适用于高速测量，但低速时测量误差较大。

M法测速

T法测速

M/T法测速

测量编码器相邻两个脉冲之间的时间间隔来计算转速。适用于低速测量，但高速时测量精度降低。

结合M法和T法的优点，同时测量固定时间内的脉冲数和时间间隔，以提高测量精度和适应性。

03

02

01

包括刻度误差、安装误差等，可通过选用高精度编码器、提高安装精度等方法减小误差。

编码器误差

由于电路噪声、温漂等因素引起的误差，可通过优化电路设计、选用低噪声器件、进行温度补偿等措施降低误差。

信号处理误差

由于机械传动部件的摩擦、间隙等因素引起的误差，可通过提高机械部件的加工精度、选用低摩擦系数的材料等方法减小误差。

机械传动误差

03

基于STM32的硬件设计

STM32微控制器概述

01

STM32是一款基于ARMCortex-M内核的32位Flash微控制器，具有高性能、低功耗、易于开发等特点。

主要特性

02

支持多种外设接口，如GPIO、USART、I2C、SPI等；拥有丰富的中断源和优先级管理功能；提供多种低功耗模式，满足不同应用场景需求。

开发工具

03

STM32CubeMX是一款图形化配置工具，可用于生成初始化代码和配置中断服务程序；KeilMDK或IAREmbeddedWorkbench等集成开发环境可用于编写和调试应用程序。

电源电路设计

时钟电路设计

复位电路设计

调试接口设计

01

02

03

04

采用合适的电源芯片和电路设计，为STM32微控制器提供稳定的工作电压。

选择合适的晶振和时钟芯片，为STM32微控制器提供准确的时钟信号。

设计可靠的复位电路，确保STM32微控制器在异常情况下能够正常复位。

提供JTAG或SWD调试接口，方便开发者进行程序下载和调试。

编码器类型选择

接口电路设计

信号处理

中断处理

根据实际需求选择合适的编码器类型，如增量式编码器或绝对式编码器。

对编码器的输出信号进行滤波、整形等处理，以提高信号质量和稳定性。

设计合适的接口电路，将编码器的输出信号转换为STM32微控制器能够识别的电平信号。

利用STM32微控制器的外部中断功能，实时响应编码器的输出信号变化，实现高精度测速。

04

软件设计与实现

编码器信号采集

通过STM32的定时器编码器模式，实时采集增量式编码器的脉冲信号。

在固定时间内计算编码器输出的脉冲数，根据脉冲数和编码器分辨率计算速度。

M法测速

T法测速

M/T法结合测速

算法优化

测量编码器两个相邻脉冲之间的时间间隔，根据时间间隔和编码器分辨率计算速度。

综合M法和T法的优点，实现在不同速度范围内的准确测量。

针对实际应用场景，对测速算法进行优化，如动态调整测量时间窗口、自适应滤波等。

软件流程图

设计详细的软件流程图，明确各个功能模块之间的调用关系和数据处理流程。

代码实现

根据软件流程图，使用C语言在STM32平台上实现编码器数据采集、处理、测速算法及主程序等各个功能模块的代码。确保代码的可读性、可维护性和可扩展性。

05

实验验证与结果分析

基于STM32微控制器，结合增量式编码器、电机驱动模块等构建硬件平台。

硬件平台

编写STM32程序，实现编码器脉冲计数、速度计算和时间测量等功能。

软件设计

通过电机驱动模块控制电机旋转，编码器输出脉冲信号，STM32对脉冲进行计