STM32F1编码器模式实战：平衡小车电机测速全解析（HAL库/CubeMX/直流减速电机）

1. 平衡小车电机测速的核心原理

做平衡小车的朋友都知道，电机测速是整个系统的"眼睛"。就像我们骑自行车时需要知道车轮转得多快才能保持平衡一样，平衡小车也需要实时掌握电机转速。这里我们用STM32F1的编码器模式来实现这个功能，实测下来精度可以达到±2转/分钟，完全能满足平衡控制的需求。

直流减速电机自带霍尔编码器，每转会产生固定数量的脉冲。以常见的GM25-370电机为例，电机本身转速12000转/分钟，经过34:1的减速箱后输出转速约350转/分钟。编码器每转产生15个脉冲，经过减速箱后每输出轴转一圈实际产生510个脉冲（15×34）。STM32的编码器模式还能进行4倍频，最终每转能得到2040个脉冲信号。

测速原理很简单：定时采集脉冲数量，比如每0.1秒读取一次计数器值。假设读到的脉冲数是1020，那么转速就是1020÷2040÷0.1=5转/秒（即300转/分钟）。这个计算过程会在代码部分详细展开。

2. 硬件准备与安全接线

2.1 必备硬件清单

我用的核心硬件包括：

• STM32F103C8T6最小系统板（蓝色药丸板）
• DRV8848电机驱动模块（比TB6612电流更大）
• 带15线霍尔编码器的GM25-370直流减速电机
• 12V锂电池供电系统
• 0.96寸OLED显示屏（I2C接口）
• HC-08蓝牙模块（用于无线调试）

特别要注意电机选择。市面上常见的有光电编码器和霍尔编码器两种，霍尔编码器抗干扰能力更强，更适合电机应用。编码器线数也不是越多越好，15线在减速后已经能提供足够的分辨率。

2.2 生死攸关的接线技巧

这里我踩过坑：曾经因为接线错误烧了三块单片机。关键注意事项：

1. 电机驱动板的电源GND和信号GND要分开处理。建议只将信号GND与单片机共地，大电流的电源GND单独走线。
2. STM32绝对不能直接给电机驱动板供电！电机驱动需要单独电源。
3. 编码器信号线建议加10K上拉电阻，避免信号抖动。
4. 电机电源线上一定要加0.1μF的消噪电容。

具体接线图示：

• 编码器A相接TIM3_CH1（PA6）
• 编码器B相接TIM3_CH2（PA7）
• 电机PWM接TIM4_CH1（PB6）
• 电机方向控制接任意GPIO

3. CubeMX关键配置详解

3.1 时钟树配置

先配置HSE为8MHz外部晶振，PLL倍频到72MHz系统时钟。这是STM32F1的黄金频率，所有外设都基于这个时钟工作。特别注意APB1总线时钟要设为36MHz，因为定时器挂载在这个总线上。

3.2 PWM配置（TIM4）

1. 选择TIM4，Clock Source选Internal Clock
2. Channel1配置为PWM Generation CH1
3. 参数设置：
   • Prescaler: 71（得到1MHz计数频率）
   • Counter Period: 199（生成10kHz PWM）
   • Pulse: 初始值设为0

PWM频率建议设置在8-16kHz之间，超出这个范围要么会有可闻噪音，要么电机响应变慢。

3.3 编码器模式配置（TIM4）

这是最关键的配置：

1. 选择TIM3，Combined Channels设为Encoder Mode
2. 参数设置：
   • Encoder Mode: TI1 and TI2（4倍频模式）
   • Counter Period: 65535（16位计数器最大值）
   • Polarity: Rising Edge（常规配置）

特别注意：Polarity设置不影响计数方向，只影响触发边沿。计数方向由编码器相位差决定。

3.4 定时器中断配置（TIM1）

配置TIM1产生100ms中断：

• Prescaler: 7199
• Counter Period: 999 这样得到的定时器频率是72MHz/(7199+1)/(999+1)=10Hz

4. 代码实现与优化技巧

4.1 编码器数据处理

// encoder.c void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if(htim == &htim1) { short counter = (short)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3); __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3, 0); // 计算转速（转/秒） float speed = (float)counter / 2040.0f / 0.1f; // OLED显示 OLED_ShowDecimal(0, 4, speed, 2, 2, 12, 0); } }

这段代码有三个优化点：

1. 使用short类型强制转换处理计数器溢出
2. 2040是4倍频后的每转脉冲数（510×4）
3. 0.1是定时器中断周期

4.2 电机控制实现

// motor.c void Motor_SetSpeed(uint8_t percentage) { uint16_t pulse = 7200 * percentage / 100; // ARR=7200 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_1, pulse); }

建议做成开环速度曲线，不同电压下电机特性不同，可以实测后建立速度-占空比对照表。

4.3 抗干扰处理

实际测试中发现编码器会受到电机干扰，加入以下滤波代码：

// 在定时器中断中加入移动平均滤波 #define FILTER_SIZE 5 static float speed_buffer[FILTER_SIZE] = {0}; static uint8_t filter_index = 0; speed_buffer[filter_index] = (float)counter / 2040.0f / 0.1f; filter_index = (filter_index + 1) % FILTER_SIZE; float filtered_speed = 0; for(int i=0; i<FILTER_SIZE; i++) { filtered_speed += speed_buffer[i]; } filtered_speed /= FILTER_SIZE;

5. 实测数据与常见问题

5.1 性能测试结果

在不同PWM占空比下测得转速：

5.2 常见故障排查

1. 计数器值不变化：

   • 检查编码器供电（通常是5V）
   • 用示波器看PA6/PA7是否有波形
   • 确认CubeMX配置了编码器模式

2. 转速显示跳动大：

   • 增加软件滤波
   • 检查编码器连接线是否太长
   • 在编码器信号线加100Ω电阻和100pF电容滤波

3. 电机转动但转速显示为零：

   • 检查编码器方向是否接反
   • 尝试交换A相B相接线

6. 进阶应用：为PID控制做准备

测速最终是为PID控制服务的，这里先打好基础。后续PID需要：

1. 稳定的速度采样（本文已实现）
2. 合适的控制周期（建议5-10ms）
3. 速度-占空比转换关系

建议先建立电机特性表，记录不同PWM下的空载转速和带载转速，这对PID参数整定很有帮助。在我的平衡小车项目中，这套测速方案最终实现了±1rpm的稳定控制精度。