4. 编码器的使用¶

学习本章时，配合《瑞萨RA系列FSP库开发实战指南》的 “GPT——通用PWM定时器” 章节一起阅读，效果会更佳，特别是涉及到寄存器说明的部分。

在基础部分的编码器详解章节中，已经详细介绍了旋转编码器的结构、原理和参数，这一章节我们将介绍如何使用编码器对电机的速度和位置进行测量。

4.1. 增量式编码器倍频技术¶

首先来看一下增量式编码器的输出信号和它的信号倍频技术。增量式编码器输出的脉冲波形信号形式常见的有两种：

一种是占空比50%的方波，通道A和B相位差为90°；
另一种则是正弦波这类模拟信号，通道A和B相位差同样为90°。

对于第1种形式的方波信号，如果把两个通道组合起来看的话，可以发现A和B各自的上升沿和下降沿都能计数，至少在1/2个原始方波周期内就可以计数一次，最多1/4个原始方波周期。这样计数频率就是原始方波信号的2倍或4倍，换句话说就是，将编码器的分辨率提高了2到4倍，具体如下图所示。

图中的方波信号如果只看其中一个通道的上升沿，那计数频率就等于这个通道信号的频率。如果在通道A的上升沿和下降沿都进行计数，计数频率就是通道A的两倍，即2倍频。如果同时对两个通道的上升沿和下降沿都计数，那计数频率就变成了原始信号的4倍，即4倍频。

假设有个增量式编码器它的分辨率是600PPR，能分辨的最小角度是0.6°，对它进行4倍频之后就相当于把分辨率提高到了600*4=2400PPR，此时编码器能够分辨的最小角度为0.15°。编码器倍频技术还可用来扩展一些测速方法的速度适用范围。例如电机测速通常使用M法进行测量（M法在下节介绍），编码器4倍频后可以扩展M法的速度下限。

以上就是方波信号的编码器倍频技术，其实输出模拟信号的增量式编码器同样也可以倍频，不过这种倍频原理与方波完全不同，教程当中就不讲解了。

4.2. 常用测速方法简介¶

上一节提到了增量式编码器倍频技术可以扩展M法的测量范围，那么现在我们就来讲解下这个M法究竟是怎样测速的，以及简单介绍一些常用的编码器测速方法。对于电机转速的测量，可以把增量式编码器安装到电机上，用控制器对编码器脉冲进行计数，然后通过特定的方法求出电机转速，常用的编码器测速方法一般有三种：M法、T法和M/T法。

M法：又叫做频率测量法。这种方法是在一个固定的定时时间内（以秒为单位），统计这段时间的编码器脉冲数，计算速度值。设编码器单圈总脉冲数为C，在时间T₀内，统计到的编码器脉冲数为M₀，则转速n的计算公式为：

公式中的编码器单圈总脉冲数C是常数，所以转速n跟M₀成正比。这就使得在高速测量时M₀变大，可以获得较好的测量精度和平稳性，但是如果速度很低，低到每个T₀内只有少数几个脉冲，此时算出的速度误差就会比较大，并且很不稳定。也有一些方法可以改善M法在低速测量的准确性，上一节提到的增量式编码器倍频技术就是其中一种，比如原本捕获到的脉冲M₀只有4个，经过4倍频后，相同电机状态M₀变成了16个，也就提升了低速下的测量精度。

T法：又叫做周期测量法。这种方法是建立一个已知频率的高频脉冲并对其计数，计数时间由捕获到的编码器相邻两个脉冲的间隔时间T_E决定，计数值为M₁。设编码器单圈总脉冲数为C，高频脉冲的频率为F₀，则转速n的计算公式为：

公式中的编码器单圈总脉冲数C和高频脉冲频率F₀是常数，所以转速n跟M₁成反比。从公式可以看出，在电机高转速的时候，编码器脉冲间隔时间T_E很小，使得测量周期内的高频脉冲计数值M₁也变得很少，导致测量误差变大，而在低转速时，T_E足够大，测量周期内的M₁也足够多，所以T法和M法刚好相反，更适合测量低速。

M/T法：这种方法综合了M法和T法各自的优势，既测量编码器脉冲数又测量一定时间内的高频脉冲数。在一个相对固定的时间内，计数编码器脉冲数M₀，并计数一个已知频率为F₀的高频脉冲，计数值为M₁，计算速度值。设编码器单圈总脉冲数为C，则转速n的计算公式为：

由于M/T法公式中的F₀和C是常数，所以转速n就只受M₀和M₁的影响。电机高速时，M₀增大，M₁减小，相当于M法，低速时，M₁增大，M₀减小，相当于T法。