位置与速度传感器

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库中编码器

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引言：传感器在FOC控制中的核心作用

在无刷电机磁场定向控制（FOC）中，精确获取转子位置和速度是实现高性能、高效率控制的前提。本讲将深入剖析三种主流位置/速度传感器： 光电/磁编码器 、 霍尔传感器 和 旋转变压器 。它们如同电机的“眼睛”，为控制算法提供关键的反馈信息。

一、光电与磁编码器 (Encoder)

1.1 基本原理

编码器通过将机械位移（角度）转换为数字脉冲信号来工作。主要分为两大类：

• 增量式编码器 ：输出A、B两相正交脉冲和Z相索引脉冲。通过计数脉冲数和判断A、B相位差来获得相对位移和方向。
• 绝对式编码器 ：每个位置对应唯一的二进制编码（如格雷码），上电即可获得绝对位置，无需寻零。

1.2 关键接口与信号

信号线	增量式编码器	绝对式编码器（并行）	接口说明
A相	正交脉冲	-	与B相相位差90°，用于判向和计数
B相	正交脉冲	-	同上
Z相	零位脉冲	-	每转一个脉冲，用于机械零位校准
数据线 D0-Dn	-	绝对位置数据位	并行输出位置编码（如12位=4096线）
通讯线 (CLK, DATA)	-	SSI, BiSS, EnDat等	串行同步/异步接口，节省引脚

1.3 接口电路与代码示例（STM32 TIM编码器模式）

STM32等MCU的定时器通常内置正交编码器接口，可硬件解码A、B相信号。

// STM32 HAL库 编码器接口初始化示例
void Encoder_TIM3_Init(void) {
    TIM_Encoder_InitTypeDef sConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
 
    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 0;
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim3.Init.Period = 65535; // 16位最大值
    htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
 
    // 配置编码器模式：在TI1和TI2边沿都计数
    sConfig.EncoderMode = TIM_ENCODERMODE_TI12;
    sConfig.IC1Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
    sConfig.IC1Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
    sConfig.IC1Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    sConfig.IC1Filter = 6; // 滤波系数，防抖动
    sConfig.IC2Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
    sConfig.IC2Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
    sConfig.IC2Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    sConfig.IC2Filter = 6;
    HAL_TIM_Encoder_Init(&htim3, &sConfig);
 
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig);
 
    HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL); // 启动编码器接口
}
 
// 读取位置和计算速度（在定时中断中调用）
int32_t Get_Encoder_Speed(void) {
    static int32_t last_count = 0;
    int32_t current_count = (int32_t)TIM3->CNT; // 直接读计数器
    int32_t diff = current_count - last_count;
 
    // 处理计数器溢出（16位，周期65535）
    if(diff > 32767) diff -= 65536;
    else if(diff < -32767) diff += 65536;
 
    last_count = current_count;
    // diff * (60 * 定时中断频率) / (编码器线数 * 4) = 转速 RPM
    return diff;
}

二、霍尔传感器 (Hall Sensor)

2.1 基本原理

基于霍尔效应，当有磁场垂直于半导体薄片通过时，在薄片两侧会产生电势差（霍尔电压）。在电机中，通常将三个霍尔元件间隔120°电角度安装，用于检测永磁转子的磁极位置。

2.2 霍尔信号与电角度关系

三个霍尔传感器输出3位二进制码，每60°电角度变化一次，一个电周期内产生6个不同的状态，对应6个扇区。

电角度扇区	H1 (U相)	H2 (V相)	H3 (W相)	二进制值	FOC所需角度
0° - 60°	1	0	0	100 (4)	30°
60° - 120°	1	1	0	110 (6)	90°
120° - 180°	0	1	0	010 (2)	150°
180° - 240°	0	1	1	011 (3)	210°
240° - 300°	0	0	1	001 (1)	270°
300° - 360°	1	0	1	101 (5)	330°

2.3 接口与扇区判断代码

// 读取霍尔状态并计算扇区 (假设接在GPIOA的PIN0,1,2)
uint8_t Get_Hall_Sector(void) {
    uint8_t hall_state = (GPIOA->IDR & 0x0007); // 读取低3位
    uint8_t sector = 0;
 
    switch(hall_state) {
        case 0b001: sector = 5; break; // 扇区 5 (对应电角度 300°-360°)
        case 0b011: sector = 4; break; // 扇区 4
        case 0b010: sector = 3; break; // 扇区 3
        case 0b110: sector = 2; break; // 扇区 2
        case 0b100: sector = 1; break; // 扇区 1
        case 0b101: sector = 0; break; // 扇区 0 (对应电角度 0°-60°)
        default: sector = 0; break; // 错误状态
    }
    return sector;
}
 
// 根据扇区估算电角度（用于FOC的Park变换）
float Get_Electrical_Angle_From_Hall(uint8_t sector) {
    float base_angle[] = {30.0f, 90.0f, 150.0f, 210.0f, 270.0f, 330.0f};
    // 注意：这只是扇区中心角度，实际需要结合速度进行插值
    return base_angle[sector] * (3.1415926f / 180.0f); // 转换为弧度
}

三、旋转变压器 (Resolver)

3.1 基本原理与结构

旋转变压器是一种模拟式角度传感器，其工作原理类似于微型变压器。它由转子（励磁绕组）和定子（正弦、余弦输出绕组）组成。转子通入高频交流励磁信号（通常5-10kHz），定子输出的两路信号的幅值分别与转子角度的正弦和余弦成正比。

输出信号表达式：

$$\begin{array}{rl}{V}_{\sin }& =KE\sin (\theta )\sin (\omega t)\\ V_{\cos }& =KE\cos (\theta )\sin (\omega t)\end{array}$$

其中，$E\sin (\omega t)$为励磁信号，$K$为变比，$\theta$为转子机械角度。

3.2 RDC芯片与数字接口

旋转变压器需要专用的RDC（旋变数字转换器）芯片（如AD2S1200, AU6802）将模拟的SIN/COS信号解调为数字角度和速度。常用接口有：

• SPI ：直接读取角度数据寄存器。
• 并行数据总线 ：高速读取，引脚多。
• 增量式输出 ：模拟增量编码器，输出A/B/Z脉冲。

旋变信号处理架构图

四、三种传感器对比与选型指南

特性	霍尔传感器	增量式编码器	绝对式编码器	旋转变压器
精度	低 (60°扇区)	中-高 (可达每转数万线)	高 (12-24位)	高 (10-16位)
成本	最低	低-中	高	中-高
环境耐受性	好	较差 (光电怕污染)	较差	极好 (耐高温、振动、油污)
上电位置	需转动获取	需寻零	立即获得	立即获得
接口复杂度	简单 (3路GPIO)	中等 (TIM编码器模式)	复杂 (并行/串行协议)	复杂 (需RDC芯片)
典型应用	低成本风机、泵、电动车轮毂电机	工业伺服、机器人关节、CNC	高端伺服、航天、绝对位置关键场合	汽车EPS、新能源车电机、航空发动机

选型建议

1. 成本敏感，精度要求不高 ：选择 霍尔传感器 ，结合无感启动算法可满足多数消费级产品。
2. 通用伺服，高精度控制 ：选择 高线数增量式编码器 ，性价比高，接口成熟。
3. 恶劣环境（高温、振动、油污） ：首选 旋转变压器 ，可靠性无可替代。
4. 需要绝对位置，且不允许上电寻零 ：选择 绝对式编码器 或旋转变压器。

五、在FOC算法中的传感器数据融合

在实际高性能FOC系统中，常采用多传感器融合技术，例如：

• 霍尔 + 编码器 ：霍尔用于低速和启动时提供粗略绝对位置，编码器用于高速高精度测量。通过 观测器（如滑模观测器、卡尔曼滤波器） 进行数据融合。
• 旋变 + 加速度计 ：在车辆动力学控制中，融合旋变角度与IMU数据，提高动态响应和抗扰能力。

// 简化的传感器融合伪代码（霍尔初始化 + 编码器跟踪）
typedef struct {
    float electrical_angle; // 融合后的电角度
    float mechanical_angle; // 机械角度
    float speed_rpm;        // 转速
    uint8_t hall_sector;
    int32_t encoder_count;
} SensorFusion_TypeDef;
 
void Sensor_Fusion_Update(SensorFusion_TypeDef* sens) {
    uint8_t new_sector = Get_Hall_Sector();
    if(new_sector != sens->hall_sector) {
        // 霍尔扇区变化，进行角度同步
        sens->hall_sector = new_sector;
        float hall_base_angle = Get_Electrical_Angle_From_Hall(new_sector);
        // 将编码器计数映射到当前扇区对应的角度范围内
        // ... 同步逻辑 ...
    }
    // 正常运行时，主要依赖编码器高分辨率计数
    int32_t enc_diff = Get_Encoder_Speed();
    sens->encoder_count += enc_diff;
    sens->speed_rpm = (enc_diff * 60.0f * CONTROL_FREQ) / (ENCODER_LINES * 4);
    sens->electrical_angle = (sens->encoder_count * 2.0f * PI) / (ENCODER_LINES * 4 * POLE_PAIRS);
}