如何在 MCSDK 5.x 中增加绝对位置编码器

目前MC SDK5.x中支持的编码器是增量式编码器，即A、B、Z信号的编码器，主要是光学编码器；磁编码器已经广泛应用于市场上的一些应用中(如无人机云台、伺服和医疗)。

输出是绝对位置，您想要获取位置信息，可以通过对绝对位置检测的PWM脉宽进行采样，也可以通过通信方法，如SPI、I2C、UART等。目前MC SDK5.x不直接支持这部分。

要实现绝对位置编码器的应用，需要修改程序。本文使用STM 32 F 303的重核控制指令。

绝对位置编码器使用介绍

当导体通电后放入磁场中，导体上流动的电荷会因磁场感应的洛伦兹力而发生位移，这样如果在垂直于电流的方向上测量Y1和Y2点的电压，就会产生电位差。

这就是所谓的霍尔效应；如果用ADC测量校准Y1和Y2点，就可以推导出磁场的变化。

打开带绝对位置编码器的电机，可以看到转子上有一个同步旋转的磁铁，同时还有一个绝对角度输出的检测芯片。绝对位置编码器芯片输出PWM波或内部通讯输出，微控制器可以读取相关信息得到当前转子的角度。

1.准备工作为了便于调试，首先采用无传感器控制，使电机闭环运行。如果电机合适并且使用了ST的电机演示板，

ST的电机轮廓仪(30KHzPWM)可以用来识别无传感器电机的参数和旋转参数，电机可以快速无传感器旋转。如果使用定制板，请遵循ST。

利用MCW工作台进行电机的闭环无传感器旋转，电机的闭环旋转过程可以保证硬件和软件的完备性。注意CubeMx项目文件*。这里生成的ioc文件，以后我们添加程序的时候会用到；为了便于调试，可以增加两个DAC。

比如用STM32F303，可以直接用双路输出DAC。如果这个芯片上没有DAC模块，可以用定时器RC滤波电路来模拟输出DAC。下图显示了使用DAC的配置，需要配置为用户定义的DAC1/2。

读取绝对式编码器芯片的角度信息绝对式编码器的输出可以是PWM波形输出，也可以是通讯口输出，如UART、SPI、I2C等。本文以SPI输出和PWM输出为例进行说明。

2.角度和速度校准2.1电角度校准由于我们读取的角度是机械角度，在控制过程中使用电角度，所以需要做一个转换，将机械角度数据转换成电角度数据；使用如下公式：

程序中需要量化成Q16格式才能得到电角度范围[180 ~ 180]；即[-32768~32767]

2.2速度计算

3.编码器SPI输出模式3.1 CubeMx配置打开*。MCW工作台生成的ioc文件并配置SPI模块。这里我们用SPI3接收，配置参数需要参考编码器芯片的描述。

这里，以AS5048A为例，PB10被配置为用于输出的芯片选择信号CS，如下。

3.2重新生成代码

3.3编写SPI读取代码根据编码器芯片的数据手册编写SPI读取代码，并调试代码以便读取角度信息。因为是外设配置，所以这部分就不详细解释了。可以参考spi_pwm_encoder.c文件。

获得角度信息后，将机械角度转换为电角度。

# define encoder _ SPI _ MAX 16384 # define pole 11 /* * calculate the electric angle according to the motor, and the data in Q16 format * 16384 represents 360 degrees (65536)* motor pole */SPI _ eiangle=(int16 _ t) ((65536 * SPI _ angle _ digital * poles). SPI _ angle _ number is the digital quantity of electric angle read by energy,

3.4创建绝对位置编码器的结构创建该结构，包括SpeednPosFdbk_Handle_t的公共组件，并定义私有成员变量用于绝对位置编码器的控制和参数计算。

在ABS _ encoder _ pos _ fdbk.c中初始化。

/** * @brief Abs encoder component parameters definition */typedef struct{ SpeednPosFdbk_Handle_t _Super; int16_t Encoder_EIAngle; /* Encoder final electrical angle */int16_t Encoder_MecAngle; /* Encoder final mechanical angle */int16_t Encoder_AngleD_Pre; /* Encoder previous digital angle */int16_t Encoder_AngleD_Now; /* Encoder present/now digital angle */int16_t Encoder_Speed_RPM; /* Speed uint in RPM */int16_t Encoder_Average_Speed_RPM; /* Average speed unit in RPM*/bool SensorIsReliable; uint8_t mode; int32_t Circle_Counter; /* Count the circle for motro run */bool Middle_Flag; /* Middle flag, 1--arrived pass middle*/} Abs_Encoder_Handle_t;

3.5绝对编码器功能编写

这样可以有效的集成扩展， 分别定义：1) 初始化函数Abs_Encoder_Init2) 清除函数Abs_Encoder_Clear3) 绝对值编码器读取电角度函数Abs_Encoder_GetElAngle4) 读取机械角度函数Abs_Encoder_GetMecAngle5) 得到电机平均机械速度函数Abs_Encoder_GetAvrgMecSpeed01Hz6) 计算电机平均机械速度函数Abs_Encoder_CalcAvrgMecSpeed01Hz

3.6 添加绝对位置编码器代码3.6.1 绝对位置编码器速度计算

参照2.2公式进行速度计算

/* Speed_RPM=Deta(angle)*60*f/65536 */pHandle-Encoder_Speed_RPM=(int16_t)((int32_t)(pHandle-Encoder_AngleD_Now - pHandle-Encoder_AngleD_Pre * 60 * SPEED_LOOP_FREQUENCY_HZ/65536);3.6.2 添加编码器初始化代码

在mc_task.c文件的MCboot()函数中增加初始化代码

Abs_Encoder_Init(Abs_Encoder_M1); //Initial absolute encoder sensor Abs_Encoder_M1.mode=SENSOR_SPI;3.6.3 角度以及速度的代码添加

中频任务TSK_MediumFrequencyTaskM1中加入绝对编码器的角度以及速度计算函数

Abs_Encoder_CalcAvrgMecSpeed01Hz(Abs_Encoder_M1, wAux );3.7 判断绝对位置编码器角度准确性使用DAC对角度进行判读，

在mc_task.c中TSK_HighFrequencyTask()函数中增加UserDAC数据更新，一个DAC输出无传感观测器输出的电角度，另外一路输出绝对值编码器计算出的电角度。

/* DAC output*/extern UI_Handle_t * pDAC; static int16_t temp1; static int16_t temp2; temp1=FOCVars[M1].hElAngle; temp2=Abs_Encoder_M1.Encoder_EIAngle; DAC_SetUserChannelValue(pDAC, DAC_USER1, temp1);DAC_SetUserChannelValue(pDAC, DAC_USER2, temp2);程序修改完成后编译下载，

如果出现下面波形，则需要交换其中任意两条电机线，或者在程序中加入负号即可；

下面的图为正确的DAC输出波形，可以看到黄色为无传感器观测器输出电角度，蓝色为计算得到的绝对位置编码器输出计算结果，两者基本重合，如果出现吻合度非常差，波形错开很多情况下，有两种措施，

要么和电机厂商沟通做准确的零点校准， 要么自行增加角度补偿。

3.8 绝对位置角度闭环程序修改3.8.1 修改电角度赋值修改mc_task.c中TSK_MediumFrequencyTaskM1（）函数，

由无传感方式获得电角度改为绝对位置编码器的转换完成的电角度，并且返回对应的速度值；

#if defined(ABS_ENCODER_MODE) Abs_Encoder_CalcAvrgMecSpeed01Hz(Abs_Encoder_M1, wAux ); IsSpeedReliable=1; #else Abs_Encoder_CalcAvrgMecSpeed01Hz(Abs_Encoder_M1, wAux ); IsSpeedReliable=STO_PLL_CalcAvrgMecSpeedUnit( STO_PLL_M1, wAux ); #endif3.8.2 屏蔽无传感电角度计算修改mc_task.c 中TSK_HighFrequencyTask() 函数，

hFOCreturn=FOC_CurrController(M1); if(hFOCreturn==MC_FOC_DURATION) { STM_FaultProcessing(STM[M1], MC_FOC_DURATION, 0); }

3.8.3 修改速度传感器为绝对编码传感器

修改mc_task.c 中TSK_MediumFrequencyTaskM1（）函数，传感器设定修改为绝对编码器。

case CLEAR: FOCVars[M1].bDriveInput=INTERNAL; STC_SetSpeedSensor( pSTC[M1], Abs_Encoder_M1._Super ); if ( STM_NextState( STM[M1], START )==true ) { FOC_Clear( M1 ); R3_2_SwitchOnPWM( pwmcHandle[M1] ); } break;3.8.4 修改状态跳转

因为开始就直接是闭环运行，因此需要修改mc_task.c中TSK_MediumFrequencyTaskM1()函数，状态START下，只需要一条跳转语句，其他删除或者屏蔽掉。

case START: STM_NextState( STM[M1], START_RUN ); break ;同样在状态START_RUN下，也只需要一条跳转语句。

case START_RUN: STM_NextState( STM[M1], RUN ); break ;3.9 绝对编码器力以上修改完成后，重新编译下载后就可以直接运行电机了，

电机需要工作在力矩模式，如果使用GUI进行控制，则切换到Torque模式，同时设定Iqref数据，500这个数据计算来自于电机最大支持电流数字量（比如5000）的10%，可以逐渐增加这个数据，

直到电机能够运转起来。caseSTART_RUN:

如果程序控制电机运行则可以写为下面代码

MC_ProgramTorqueRampMotor1(500,1000); MC_StartMotor1();3.10 绝对编码器速度闭环运行电机速度输出已经在上面的中频任务中计算得到，

可以在无传感模式下对编码器速度输出做调试，看输出速度是否和无传感匹配，如果匹配后可以转入绝对编码器的速度闭环控制

如果程序控制电机运行则可以写为下面代码：

MC_ProgramSpeedRampMotor1 (600/6,1000); //600RPM MC_StartMotor1();3.11 使用绝对编码器做位置环

3.11.1 框架说明以表贴电机为例，一般的FOC电机控制是两环控制，速度环+电流环的控制方式，速度环为外环，电流环为内环，

Idref=0（d轴电流参考为0）的控制为常见控制；参考速度环输出参考转矩后供后端电流环路；如果增加位置环最简单和直接的方式即为将速度环换为位置环，即变为位置环+电流环的方式：

3.11.2 计算说明

为了方便控制，以及考虑精度问题，角度单位为rad*10000，比如电机转动10圈，也就是10圈后的位置，则该位置的设定角度为：

set=10210000628320位置环采用的是线性系数乘以系数直接输出到速度的参考：=()位置环系数设定的位置当前的位置当前位置的角度数字量计算如下：=210000+绝对值编码器转过的整圈数当前的机械角度的数字量取值3.14163.11.3 位置控制改进

在三环控制中，不可避免的会涉及到加速度的计算，正常控制过程为：加速、匀速、减速、定位过程。

那么会涉及到加速度以及定位阶段的控制，这边我们可以按照加速度与速度差成反比，而定位阶段可以直接设定速度为0，但是实际使用过程中我们会发现直接直接的速度模式在定位阶段力量有限。

方法一：PID 需要特别设定，更能够定位到给定位置；

方法二：抛开速度环，直接力矩控制；

3.11.4 增加以下变量或函数用于位置环控制

1) 位置环PID 结构体PID_Handle_t PIDAngleHandle_M1

2) 位置控制的结构体Position_Handle_t

3) 位置角度误差Position_GetErrorAngle

4) 位置环速度参考输出计算Position_CalcSpeedReferrence

5) 位置环力矩参考输出计算Position_CalcTorqueReferrence3.11.5 增加位置控制程序

在mc_task.c的中频任务函数TSK_MediumFrequencyTaskM1中增加位置环差值数据计算，根据差值计算，当差值在阈值之上的话进行速度控制，在RUN下调用下面函数：

/* Get error position/Angle, unit in rad*10000 */Position_GetErrorAngle(Abs_Encoder_M1,Target_Angle); …… Position_CalcSpeedReferrence()如果差值缩小到一定范围内，

__weak void FOC_CalcCurrRef(uint8_t bMotor) { if(FOCVars[bMotor].bDriveInput==INTERNAL) { #if defined(POSITION_CONTROL) /* If in position torque mode, Iqref come from Angle PID*/ if(Position_M1.Mode_Flag==P_TORQUE_MODE) { FOCVars[bMotor].hTeref=Position_CalcTorqueReferrence(); FOCVars[bMotor].Iqdref.q=FOCVars[bMotor].hTeref; } else #endif { FOCVars[bMotor].hTeref=STC_CalcTorqueReference(pSTC[bMotor]); FOCVars[bMotor].Iqdref.q=FOCVars[bMotor].hTeref; } } }3.11.6 实际运行效果

位置偏差较大时，电机加速到最大速度，偏差小时将进入力矩控制模式，直到目标位置，在目标位置直接力矩锁定。

设定位置角度值在0- -15708000（电机转动250圈） 实际速度与参考速度曲线。

3.12 测试说明spi_pwm_encoder.h中提供了测试宏定义A，无传感运行，用于测试绝对值编码器，如下宏定义

//#define ABS_ENCODER_MODE //#define POSITION_CONTROL #define ENCODER_SPI_MODE //#define ENCODER_PWM_MODEB，

#define ABS_ENCODER_MODE //#define POSITION_CONTROL #define ENCODER_SPI_MODE //#define ENCODER_PWM_MODEC，

#define ABS_ENCODER_MODE #define POSITION_CONTROL #define ENCODER_SPI_MODE //#define ENCODER_PWM_MODE4. 编码器PWM输出模式

一般编码器的PWM都是以固定频率输出，占空比。。角度，Duty的范围为0—T，也就是0—360度（机械角度）；

4.1 CubeMx配置

编码器的PWM输出可以直接使用ST芯片的TIMER PWM捕获功能获取PWM波的频率（用于计算电角度）和占空比（机械角度信息）；这边我们使用TIM2；打开MC workbench生成的*.ioc文件，

修改TIM2为PWM捕获输入：

将TIM2捕获输入通道1配置为Rising Edge，通道2为间接捕获输入（实际是TIM2_CH1的内部输出），配置为Falling Edge，

同时我们看到PA15（TIM2_CH1）已经被配置；通道1为频率捕获，通道2为占空比捕获；

使能TIM2中断

编辑中断优先级因为TIM2中断不能妨碍电机运行，因此需要修改中断优先级为抢占等级为3

4.2 重新生成代码

在生成代码的main.c中增加通道使能代码，TIM2（32-bit）工作在72MHz，如果默认编码器1K PWM，CCR1计数数值为72MHz/1KHz=72000

/* In PWM mode, use Tim2 PWM capture mode to get frequency and duty cycle, * CCR1 value is the frequency of PWM, can be used as calibration value. * CCR2 value is for digital angle * In this demo, TIM2 work under 72MHz */HAL_TIM_Base_Start(htim2); HAL_TIM_IC_Start(htim2,TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_IC_Start_IT(htim2,TIM_CHANNEL_2);4.3 编写电角度转换读取代码

void PWM_Encoder_EIangle(uint32_t data) { PWM_Angle_Digital=data; if(PWM_Angle_Digital ENCODER_PWM_MAX) PWM_Angle_Digital=ENCODER_PWM_MAX; PWM_EIAngle=(int16_t)((65536*PWM_Angle_Digital*POLES)/ENCODER_PWM_MAX)%65536; }在TIM2的中断服务中读取CCR2寄存器内容，

#define ENCODER_PWM_MAX 67039 //72000 void TIM2_IRQHandler(void) { PWM_Encoder_EIangle(TIM2-CCR2); Encoder_EIAngle=PWM_EIAngle; Encoder_MecAngle=(int16_t)(PWM_Angle_Digital*65536/ENCODER_PWM_MAX); } 4.4 判断绝对位置编码器角度准确性同3.7所描述4.5 绝对位置角度闭环程序修改同3.8，