编码器与霍尔传感器：基于霍尔传感器的磁编码器

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54
）发明名称

基于霍尔传感器的磁编码器

（
57
）摘要

?
本实用新型涉及一种基于霍尔传感器的磁
编码器，属于一种磁编码器。霍尔元件和
3
个磁
敏感传感器分别与
PCB
板连接，
PCB
板与
PCB
板
支架固定连接，
PCB
板支架与电机轴转动连接，
充磁磁栅与磁栅支架粘接，磁栅支架与电机轴固
定连接，充磁磁栅与霍尔元件和磁敏感传感器相
对应、并有间隙。优点是结构新颖，基于霍尔原
理，通过霍尔元件排列组合与磁栅实现的新型磁
编码器，提高了编码器的精度和可靠性，在粉

编码器与霍尔传感器：嵌入式课程 之 霍尔传感器（编码器）实验

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北京西普阳光教育科技股份有限公司（维周机器人科技有限公司（

文章目录
【实验目的】【实验原理】【实验环境】硬件设备：软件环境：
  【实验步骤】第一步 配置工程环境第二步 编写定时器函数，完成定时器的配置和启用第三步 编写main.c文件第四步 编译并下载，观察实验现象

【思考题】1、选择题2、简答题

【实验目的】
熟悉编码器的种类及其工作原理；熟悉编码器的输出形式，熟悉单片机如何通过编码器的输出得到电机的旋转方向和速率；掌握STM32F10xx系列微控制器上编码器的接口配置与数据采集过程；
【实验原理】
编码器（encoder）是指将某一形式的信号或数据（通常特指电机转速）通过采集、编制，转换为可以用于传输、储存的信号形式的设备。编码器按采集方式可以分为接触式编码器和非接触式编码器两种；按工作原理可以分为：光电式、磁电式和触点电刷式编码器。光电式编码器通过采集光通过码盘刻孔产生的脉冲信号的频率进行转换，磁电式编码器通过霍尔元件感应电机转动时产生的磁场变化进行转换，触点电刷式编码器直接采集触点在码盘上的位置进行转换；还可以根据其计数模式分为增量式和绝对式编码器。增量式编码器记录通过采集位移信息产生的脉冲信号，近似于“速率”的概念，绝对式编码器记录位置信息，与过程无关，近似于“路程”的概念。

本实验采用的编码器为增量式编码器，增量式编码器通常有两个输出信号，分别为A相和B相（也有的编码器有A、B、Z三相输出，有编码器只有A相输出）。每一个信号都是由方波构成的脉冲序列，A相和B相之间的相位差为90度。单片机在接收到AB相输入后，可以根据收到相位的先后顺序确定电机的转向，根据脉冲序列的频率确定电机的转速，这种解码方式称为正交解码。值得注意的是，脉冲频率与电机转速成正比关系，而其具体比例系数会和码盘孔数、减速箱齿数等有关，而转速与行驶速率也存在一个比例系数，因此通常在使用中，会根据实地测试结果直接确定一个脉冲频率与行驶速率之间的经验系数。

STM32芯片中集成了强大的定时器模块，其工作状态主要有以下几种模式：输入捕获模式、PWM输入模式、强制输出模式、输出比较模式、PWM模式、单脉冲模式、编码器接口模式、调试模式等。在本实验中需要用到的是定时器模块的编码器接口模式。当定时器工作在编码器模式下时，定时器会采集两个指定的引脚输入信号，然后通过检测输入信号的跳变沿，确定输入脉冲的频率及其相位差，从而计算出电机旋转的方向以及速率。编码器接口模式基本上相当于使用了一个带有方向选择的外部时钟。这意味着计数器只在0到TIMx_ARR寄存器的自动装载值之间连续计数(根据方向，或是0到ARR计数，或是ARR到0计数)。所以在开始计数之前必须配置TIMx_ARR。

图1 编码器模式下的计数器操作示意图

值得注意的是，仅仅完成跳变沿检测的功能，普通IO口就能办到。而定时器模块的编码器接口模式相比于普通IO口的优势在于可以抵抗一定的噪音，如图1所示，在输入信号有毛刺的情况下，计数器依然能够正常的工作，普通IO口想要办到类似的功能则需要人为添加一系列代码。
程序流程的简要说明图如图2所示：

图2 程序流程示意图

【实验环境】
硬件设备：
1、双轮自平衡机器人。如图3所示，在平衡车背面中间安装了HC-SR04超声波测距模块。
2、ST-link下载器（包含USB线与下载线）。如图4所示。
操作系统：
Windows7/8/10，32bit/64bit

图3 双轮自平衡机器人

图4 ST-link下载器与下载线

软件环境：
Keil 5

【实验步骤】
第一步 配置工程环境
（1）打开已经建立好的工程模板，在新建立的工程模板中已经添加五个文件夹，分别命名为USER、HARDWARE、SYSTEM、CORE、FWLib文件夹，如图5所示。其中USER文件夹存放的是主函数，HARDWARE文件夹存放的是本实验对应的硬件设备函数，SYSTEM存放的是本课程所有实验通用的函数，CORE文件夹存放的是启动文件，FWLib文件夹存放的是底层驱动函数。

图5工程模板对应的文件夹

（2）在HARDWARE文件夹下新建两个文件，分别为encoder.c和encoder.h。分别存放编码器的函数文件和头文件，如图6所示。

图6 在HARDWARE文件夹下建立encoder.c与encoder.h文件

第二步 编写定时器函数，完成定时器的配置和启用
（3）打开程序中的encoder.c文件，首先将encoder.h文件包含进来。其次对Encoder_Init_TIM2 函数进行编写，TIM2采集的是左侧的码盘返回值，选择要使用的时钟，配置引脚，启用编码器模式并配置参数。

(1) （4）同理，编写Encoder_Init_TIM4函数，TIM4定时器采集的是右侧的编码器返回值。

（5）编写编码器计数器读取函数

(2) 打开encoder.h，编写函数声明

第三步 编写main.c文件
(3) （6）将工程编译需要用到的头文件包含进来，并预定义显示函数和全局变量。

(4) （7）在主函数中调用延时函数、显示函数和编码器函数的初始化函数。

(5) （8）定义主循环，在主循环中调用超声波读取函数和显示函数。

(6) （9）编写OLED显示函数

第四步 编译并下载，观察实验现象
（10）本实验采用仿真器为STlink V2，将仿真器与小车相连，注意正负极不要接反，如图7所示。

图7仿真器与下载线连接图

（11）编译程序：点击如图8所示的编译按键。

图8Keil编译环境下的编译按键

（12）当编译完成后，如果没有问题，Build Output栏会出现无错误、无警告的提示，如图9所示。

图9编译通过后Build Output栏提示信息

（13）下载程序：点击如图所示的下载按键，程序就会下载到STM32的芯片中。下载按键如图10所示。

图10Keil编译环境下的下载按键

（14）观察实验现象，OLED显示屏上显示出当前电机的转速，用手从不同方向转动电机，观察数值的变化，结果如图11所示。

图11平衡车上的编码器测量数据

【思考题】
1、选择题
题目1：编码器传回的正交编码中，两个信号的相位差是多少（B）
A：60度
B：90度
C：120度
D：180度

题目2：若要配置一个8位的编码器，在encoder.h中的自动重载值应该设为多少（B）
A：8
B：255
C：256
D：

2、简答题
题目1：简要说明如何将编码器的输出转换为方向信息和速率信息。
编码器输出为AB两相脉冲信号，A相和B相之间的相位差为90度。单片机在接收到AB相输入后，可以根据收到相位的先后顺序确定电机的转向，根据脉冲序列的频率确定电机的转速。

题目2：结合相关资料，试说明如何通过IO和中断对编码器的输出数据进行解码。

（开放性题目，答案不唯一）配置两个IO口为上升下降沿触发中断，设置全局变量表示转速、方向，设置表示跳变的标志位，指定其中一个输入，若该输入触发中断，则转速变量加1，检测相应的寄存器，若为上升沿触发则跳变标志位置1，若为下降沿触发则跳变标志位置0；当另一输入进入中断时，可以根据自身是上升沿还是下降沿触发结合方向标志位，确定自身是超前于另一信号，还是滞后于另一信号，从而确定方向。

编码器与霍尔传感器：霍尔传感器跟编码器有什么区别

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编码器与霍尔传感器：霍尔信号、编码器信号与电机转向

霍尔信号、编码器信号与电机转向
从电机出轴方向看去，电机轴逆时针转动，霍尔信号的序列为

编码器信号的序列为

将霍尔信号按照H3 H2 H1的顺序组成三位二进制数，则霍尔信号翻译成状态为

以120°放置霍尔为例

如不给电机加电，使用示波器测量三个霍尔信号和电机三相反电动势，

按照上面所说的方向用手转动电机得到下图

① H1的上升沿对应电机q轴与H1位置电角度夹角为0°，也就是state4->state5的变化点；

② H3的下降沿对应电机q轴与H1位置电角度夹角为60°，也就是state5->state1的变化点；

③ H2的上升沿对应电机q轴与H1位置电角度夹角为120°，也就是state1>state3的变化点；

④ H1的下降沿对应电机q轴与H1位置电角度夹角为180°，也就是state3->state2的变化点；

⑤ H3的上升沿对应电机q轴与H1位置电角度夹角为240°，也就是state2->state6的变化点；

⑥ H3的下降沿对应电机q轴与H1位置电角度夹角为300°，也就是state6->state4的变化点；

d轴永远滞后q轴90°。

电机按上述转向转动，当q轴与电机某相的电角度夹角为0°时，这时磁场由S极切换为N极，磁场变化率最大，

该相反电动势电压在最高点，夹角为180°时，反电动势电压在最低点。

由上图可以看出q轴与H1位置电角度夹角为0后，继续转动90°电角度后A相反电动势达到最高点，

也就是说①时，q轴与A相电角度夹角为-90°，d轴与A相电角度夹角为-180°。

上图对应电机内部情况应如下简图所示，H1位置与A相电角度夹角为-90°

在电机制造中，对给定的H1位置与A相电角度夹角，霍尔实际安装的机械偏角由极对数和电子偏角共同决定。