第3章编码器与反馈

第3章：编码器与反馈——伺服系统的“眼睛”

做伺服驱动这么多年，我越来越觉得，编码器就是整个系统的眼睛。你算法写得再漂亮，电流环调得再顺，如果反馈回来的位置数据是错的，那一切都是白搭。今天咱们就好好聊聊编码器这回事。

3.1 编码器类型：增量式 vs 绝对式

先说说最基础的问题。编码器分两大类：增量式和绝对式。这俩有啥区别？说白了，一个只知道“动了多少”，一个知道“在哪儿”。

增量式编码器

增量式编码器输出的是脉冲信号。电机一转，它就咔咔往外蹦脉冲。你通过数脉冲个数，就知道电机转了多少角度。

优点：

结构简单，成本低
响应速度快
分辨率可以做得比较高

缺点：

断电后位置丢失
上电需要找零位（回零操作）
抗干扰能力相对弱一些

我的经验： 增量式编码器在工业机器人上用得少，但在一些简单的传送带、包装机上还是很常见的。我做过一个项目，客户为了省钱用了增量式，结果每次断电重启都要回零，操作工烦得要死。后来还是换了绝对式。

绝对式编码器

绝对式编码器就高级多了。它每个位置都有一个唯一的编码值。你读到的数据直接就是当前位置，不需要累计，不需要回零。

优点：

断电不丢位置
上电即用，无需回零
抗干扰能力强

缺点：

价格贵
接口复杂
多圈绝对式编码器有机械齿轮，寿命有限

注意： 绝对式编码器分单圈和多圈。单圈的只能记录一圈内的位置，多圈的可以记录多圈。选型时一定要搞清楚你的应用需要几圈。我曾经有个客户，选了单圈绝对式，结果用在丝杠上，一圈走5mm，行程1米，你说这能行吗？

3.2 编码器分辨率与精度

这两个概念经常被混淆。我见过不少工程师把分辨率当精度用，结果系统怎么调都调不好。

分辨率 是编码器能分辨的最小角度变化。比如一个17位的编码器，分辨率就是 360° / 2^17 ≈ 0.0027°。说白了，就是它能“看到”多小的变化。

精度是编码器实际输出值和真实值之间的误差。这个受机械安装、码盘刻划误差、电子噪声等因素影响。

参数	分辨率	精度
含义	能分辨的最小变化	实际值与真实值的偏差
单位	位（bit）或线数（CPR）	角秒（arcsec）或角度
影响因素	码盘刻线数、电子细分	机械安装、码盘质量、温度
典型值	17位、23位	±20角秒、±5角秒

  核心观点： 分辨率高不代表精度高。你用一个23位的编码器，分辨率是0.00015°，但如果安装偏心0.1mm，精度可能差到几角分。我调试过一个高精度转台，编码器分辨率23位，但装上去就是抖，最后发现是联轴器有间隙。换了刚性联轴器，问题就解决了。

3.3 编码器接口：ABZ、SSI、BiSS

接口这块，我把它分成三类来说。每种接口都有自己的脾气。

ABZ 增量式接口

这是最经典的接口。A相和B相相差90°电角度，用来判断方向。Z相是零位信号，每转一圈出一个脉冲。

读取方式很简单：用定时器捕获或者外部中断计数。我一般用STM32的定时器编码器模式，硬件自动处理，省心。

// STM32 定时器编码器模式配置示例
void Encoder_Init(void)
{
    TIM_EncoderInterfaceConfigTypeDef sEncoderConfig;
    
    sEncoderConfig.EncoderMode = TIM_ENCODERMODE_TI12;  // 双沿触发
    sEncoderConfig.IC1Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
    sEncoderConfig.IC2Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
    
    HAL_TIM_Encoder_Init(&htim3, &sEncoderConfig);
    HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL);
}

避坑指南： ABZ接口要注意信号抖动。我曾经在一个电机上发现，电机静止时计数器还在跳，查了半天发现是电缆屏蔽没做好。后来加了磁环和滤波电容，问题就解决了。

SSI 同步串行接口

SSI是绝对式编码器常用的接口。它用时钟线和数据线，主设备发时钟，编码器在时钟的驱动下逐位输出数据。

SSI的时序其实很简单：

主设备拉低时钟线，准备开始
时钟线产生一串脉冲（比如25个，对应25位数据）
编码器在每个时钟上升沿输出一位数据
传输完成后，时钟线保持高电平一段时间（叫“单稳态时间”）

// SSI 读取示例（伪代码）
uint32_t SSI_Read(void)
{
    uint32_t data = 0;
    
    // 拉低时钟，开始传输
    CLK_LOW();
    delay_us(1);
    
    for(int i = 0; i < 25; i++)
    {
        CLK_HIGH();
        delay_us(0.5);
        
        data <<= 1;
        if(DATA_READ() == HIGH)
            data |= 0x01;
        
        CLK_LOW();
        delay_us(0.5);
    }
    
    // 等待单稳态时间
    delay_us(20);
    
    return data;
}

注意： SSI的时钟频率不能太高，一般不超过5MHz。线缆长了还要降频。我试过用10米线跑4MHz，数据全是错的。降到1MHz就正常了。

BiSS 双向同步串行接口

BiSS是这几年比较火的接口，可以理解为SSI的升级版。它支持双向通信，不仅能读位置，还能写参数、读诊断信息。

BiSS的时序和SSI类似，但多了几个特点：

支持CRC校验，数据可靠性高
支持多编码器级联
传输速率高，可达10MHz以上
有寄存器读写功能

我个人比较喜欢BiSS，尤其是做高精度伺服的时候。CRC校验能帮你省掉很多排查故障的时间。有一次系统偶尔报位置错误，查了三天没找到原因。后来发现是编码器线缆有轻微破损，BiSS的CRC校验直接报错，一下子就定位到了。

3.4 编码器数据读取与处理

数据读回来了，怎么用？这里有几个关键点。

数据滤波

编码器数据难免有噪声。尤其是增量式，一个毛刺就能让位置跳一大截。我常用的滤波方法：

限幅滤波： 相邻两次位置变化超过阈值就丢弃
滑动平均： 取最近N个值的平均
中值滤波： 取中间值，适合去除脉冲噪声

// 限幅滤波示例
#define MAX_DELTA 100  // 最大允许变化量

int32_t Position_Filter(int32_t new_pos, int32_t last_pos)
{
    int32_t delta = new_pos - last_pos;
    
    if(abs(delta) > MAX_DELTA)
    {
        // 变化太大，认为是噪声，返回上次值
        return last_pos;
    }
    
    return new_pos;
}

速度计算

位置数据有了，速度怎么算？最直接的方法就是差分：

// M法测速：计算单位时间内的脉冲数
float Speed_M_Method(int32_t pos_now, int32_t pos_last, float dt)
{
    float speed = (float)(pos_now - pos_last) / dt;
    return speed;
}

但这里有个坑。如果dt太小，差分结果会放大噪声。我一般会加一个低通滤波器：

// 一阶低通滤波
float Speed_LPF(float speed_raw, float speed_last, float alpha)
{
    // alpha 取 0.1~0.3 比较合适
    return alpha * speed_raw + (1 - alpha) * speed_last;
}

我的习惯： 低速时用T法（测脉冲周期），高速时用M法（测脉冲数）。中速时两者结合，叫M/T法。这个后面讲速度环的时候会详细说。

多圈处理

用增量式编码器做位置控制，一定要处理多圈溢出。比如一个16位的编码器，一圈65536个脉冲。转两圈就溢出了。你得在软件里维护一个“圈数计数器”。

// 多圈位置处理
int32_t g_total_position = 0;
int16_t g_last_raw = 0;

void Position_Update(int16_t raw_value)
{
    int16_t delta = raw_value - g_last_raw;
    
    // 处理溢出
    if(delta > 32767)
        delta -= 65536;
    else if(delta < -32768)
        delta += 65536;
    
    g_total_position += delta;
    g_last_raw = raw_value;
}

  总结一下： 编码器选型要看应用场景。精度要求高的用绝对式BiSS，成本敏感的用增量式ABZ。不管用哪种，数据处理都要做好滤波和溢出处理。这些基础打好了，后面的位置环、速度环才能调得顺。

嗯，今天就先聊到这儿。下一章咱们讲电流环，那才是真正考验算法功底的地方。

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