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作为一个常年跟电机、小车、自动化设备打交道的嵌入式工程师，我对 AB 编码器测速这个需求再熟悉不过了。不管你是做平衡车、AGV、机械臂关节还是简单的循迹小车，只要涉及到闭环控制，速度反馈就绕不开编码器。而增量式 AB 编码器，基本上是成本、精度、可靠性之间平衡得最好的一款方案。今天这篇，我不打算罗列手册，而是把我实际做过的项目里，关于 AB 编码器测速的硬件选型、定时器配置、速度换算、滤波处理和坑点排查一次性讲透，希望能帮你少走弯路。

1. 为什么用 AB 编码器测速：核心原理与方案取舍

1.1 AB 编码器到底在测什么

很多刚入门的同学会把编码器想象得很玄，其实按我的理解，增量式 AB 编码器本质上就是一个光栅/磁栅 + 两路正交输出的脉冲发生器。电机一转，码盘跟着转，光电或霍尔元件就会在 A、B 两个通道上输出方波信号。这两路方波的频率和电机转速成正比，而相位差刚好是 90 度（也就是正交），你拿到这两路信号之后，就可以同时解算出转速的大小和转动的方向。

这里有个容易混淆的点：AB 编码器是“增量式”的，它本身并不知道你当前绝对位置在哪，它只负责告诉你“我从上次采样到现在转了多少步、往哪个方向转”。所以它的输出不是一根线，而是两根，也就是 A 相和 B 相。你测量这两根线的脉冲数变化量，再除以采样周期，就得到了速度。想要绝对位置的话，就得额外加 Z 相（零位脉冲）或者直接上绝对式编码器，但那是另一个话题了。

1.2 测速逻辑：方向判断与计数原理

AB 编码器最关键的点在于方向判断。如果你只有一根脉冲线，只能测到转速，方向要靠额外的一个高低电平引脚来给，很多普通霍尔测速模块就是这么干的。但 AB 编码器不一样，它的 A、B 两路信号天然带有正交相位。电机正转时，A 相超前 B 相 90 度；反转时，A 相落后 B 相 90 度。你在程序里捕获 A、B 的相对电平变化，就能判断出方向，并且把这个方向信息体现在计数器的加/减上。

还有一个概念叫倍频，这是 AB 编码器的隐藏福利。因为 A、B 两路一共存在四种状态组合（A 高 B 低、A 高 B 高、A 低 B 高、A 低 B 低），一个完整脉冲周期内会有四个跳变沿。如果只在 A 相的上升沿计数，那叫 1 倍频；如果同时在 A/B 的上升沿和下降沿都计数，就是 4 倍频，分辨率直接翻四倍。实际做测速时，我几乎都是用 4 倍频模式，这样 300 线的编码器能跑出 1200 的每圈脉冲数，低速下的测速精度会好很多。

1.3 常用测速方案对比：M法、T法、M/T法

搞单片机的同学上手测速时经常会纠结一个问题：到底是统计单位时间内的脉冲数，还是测量单个脉冲的时间宽度？这两条路分别对应两个经典的测速方法：M 法测速和T 法测速。

M 法是在固定的时间窗口内数脉冲数量，适合中高速场景，速度越快、窗口内脉冲越多，量化误差越小；T 法是测量相邻两个脉冲之间的时间间隔，适合低速场景，转速越低脉冲间隔越长，时间测量越准。还有一种 M/T 法，把两者结合起来，在宽速度范围内都能取得不错的效果。不过从我做实际项目的经验来看，对于大多数直流减速电机小车项目，用一个合适的采样周期（比如 20ms~50ms）配合 M 法加高倍频计数，已经足够满足 PID 控制的带宽需求了。

2. 硬件准备与关键参数换算

2.1 编码器选型与电机减速比

说到选型，就绕不开**编码器线数（PPR）**这个概念。PPR 全称是 Pulse Per Revolution，指的是码盘转一圈 A 相输出多少个脉冲（注意不要和 4 倍频后的分辨率搞混）。市面上常见的增量式 AB 编码器有线数 100、200、300、360、500、1024 等。如果你的应用是小型平衡车或者实验室小车，300 线到 500 线已经非常充裕；如果是高精度转台或者机械臂关节，可能要上千线。

选编码器的时候，我还要特别提醒一个关键点：编码器是装在电机轴上还是输出轴上。很多直流减速电机内部自带霍尔编码器，但它是测电机转子的转速，不是测减速箱输出轴的转速。你最后换算轮子线速度时，一定要把减速比也算进去。比如我做过的一个小车平台，电机是 1:30 减速比，编码器是 13 PPR，那么电机轴转一圈输出 13 个脉冲，经过减速箱后输出轴转一圈对应 390 个原始脉冲，4 倍频之后就是 1560 个计数，这个数字才是你做速度闭环时真正要用的比例因子。

2.2 MCU 定时器资源分配

STM32 和很多主流 MCU 都对 AB 编码器有专门的硬件支持，不需要你用外部中断 GPIO 去手动判断方向。以 STM32 为例，通用定时器 TIM2/TIM3/TIM4/TIM5 都支持编码器接口模式，你需要把编码器的 A、B 两路输出分别接到定时器的 CH1 和 CH2 通道上。这一点非常重要，很多人习惯性地把编码器接到普通 GPIO，然后自己写外部中断，效果不仅差，而且浪费 CPU 资源。

我这里建议优先用定时器硬件编码器模式，因为它的计数器会自动根据两路正交信号进行加减操作。A 相上升沿时如果 B 相是高电平，计数器加一；B 相是高电平时 A 相下降沿，计数器减一。你完全不用关心 A、B 谁先谁后，硬件帮你把方向判断和计数一起完成了。在项目设计阶段，就要先查好你选择的 MCU 型号哪些定时器支持编码器模式，别等画完板子才发现引脚复用有问题。

2.3 转速与线速度的换算公式

就我自己写代码的习惯来说，我平时会封装一个get_speed()函数，函数返回的并不是原始计数，而是已经换算好的国际单位。比如角速度用 rad/s，线速度用 m/s，这样上层 PID 代码就非常干净。换算的核心公式如下：

[ n_{rpm} = \frac{N_{count}}{PPR \times 4 \times T_{sample}} \times 60 ]

其中 (N_{count}) 是采样周期内计数器变化的总脉冲数；(PPR \times 4) 表示 4 倍频后每圈的总计数；(T_{sample}) 是采样周期（秒）。乘以 60 是为了把每秒圈数换算成每分钟圈数。

如果还要换算轮子的线速度，就用：

[ v_{m/s} = \frac{n_{rpm}}{60} \times 2\pi \times r_{wheel} \div i_{gear} ]

注意这里的 (i_{gear}) 是减速比，如果你用的编码器已经装在输出轴上，那么就不用再除了。我遇到过好几个同学在这里搞混，明明电机是 30:1 减速，换算线速度时没除减速比，结果 PID 调了半天，速度始终不对。

3. 代码实现：从寄存器到 HAL 库的完整落地

3.1 定时器编码器模式初始化

我以 STM32 HAL 库为例，展示一个可直接使用的编码器模式初始化代码。代码的目标是把 TIM3 的 CH1 和 CH2 配置为编码器接口，开启 4 倍频计数模式，定时器预分频设为 0，自动重载 ARR 设为最大值（例如 0xFFFF），保证计数范围足够大，不频繁溢出。

void Encoder_TIM3_Init(void) { TIM_Encoder_InitTypeDef encoder_cfg = {0}; TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0}; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7; // PA6->TIM3_CH1, PA7->TIM3_CH2 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); __HAL_AFIO_REMAP_TIM3_ENABLE(); // 部分型号需要，视具体引脚复用而定 htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 0; htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.Period = 0xFFFF; htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; encoder_cfg.EncoderMode = TIM_ENCODERMODE_TI12; // 1路输入捕获，4倍频计数 encoder_cfg.IC1Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; encoder_cfg.IC1Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; encoder_cfg.IC1Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1; encoder_cfg.IC1Filter = 0x0F; // 数字滤波，抗抖动 encoder_cfg.IC2Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; encoder_cfg.IC2Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; encoder_cfg.IC2Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1; encoder_cfg.IC2Filter = 0x0F; HAL_TIM_Encoder_Init(&htim3, &encoder_cfg); sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET; sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig); HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL); }

有几点我单独说明一下：

• TIM_ENCODERMODE_TI12表示在 TI1 和 TI2 的上下沿都计数，也就是 4 倍频。
• IC1Filter和IC2Filter我建议不要设成 0，尤其是在电机碳刷或者 PWM 驱动附近，信号抖动很常见，滤波器能帮你滤掉毛刺。
• 计数器的初始值放在 CNT 寄存器里，因为设置为向上计数模式，正转加、反转减。

3.2 速度读取与计算函数

速度采样的核心思路是：每个固定时间窗口读一次定时器的 CNT，与上一次的 CNT 做差，差值就是这段时间内 4 倍频后的脉冲变化数。用这个差值除以时间，再乘以比例系数就是速度。需要特别注意的是，CNT 是 16 位的，会溢出，所以差值不能直接减，要用整型回绕的方式处理。

#define ENCODER_PPR 13 #define GEAR_RATIO 30 #define WHEEL_DIAMETER 0.065f // 单位：米 #define SAMPLE_TIME 0.02f // 单位：秒 volatile int16_t last_cnt = 0; volatile int16_t speed_rpm = 0; volatile float speed_ms = 0.0f; void Encoder_Calc_Speed(void) { int16_t cur_cnt = (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3); int16_t delta = cur_cnt - last_cnt; // int16_t 回绕，注意顺序 last_cnt = cur_cnt; // 转成每分钟转速 float rpm = (float)delta * 60.0f / (ENCODER_PPR * 4 * SAMPLE_TIME * GEAR_RATIO); speed_rpm = (int16_t)rpm; speed_ms = rpm / 60.0f * 3.1415926f * WHEEL_DIAMETER; }

这段代码看起来简单，但有个小陷阱：delta用int16_t来定义，是有意为之的。如果你的采样窗口内脉冲变化量超过了 32767，这就会出问题。但以我常用的 20ms 采样周期、13 PPR 编码器来说，即使电机轴到了 10000 RPM，单窗口脉冲数也远达不到 32767，所以这里很安全。如果你用的是高线数编码器加长采样周期，就要考虑改用 32 位定时器或者缩短采样窗口。

3.3 数据处理：滤波与单位转换

原始的速度值通常在精度上是不够的，尤其是低速时，量化误差会带来明显的数值跳动。我常用的滤波方式有两种：一种是滑动平均滤波，适合对小波动进行平滑；另一种是一阶低通滤波，计算量小、实时性好，适合做 PID 反馈。我平时更倾向于一阶低通滤波，因为实现简单，调节alpha系数就能改变平滑程度和响应速度的平衡。

float speed_filtered = 0.0f; #define ALPHA 0.3f float Speed_LowPass_Filter(float raw_speed) { speed_filtered = ALPHA * raw_speed + (1.0f - ALPHA) * speed_filtered; return speed_filtered; }

如果你把alpha调大，跟踪会变得很快但毛刺较多；调小则数据平滑但会有明显滞后。我的经验是，如果这个速度是做串级 PID 的内环反馈，滞后太大会导致系统振荡，所以alpha不要小于 0.2。如果是做显示或者上位机观看，可以调到 0.05 左右，让曲线更光滑。

4. 调试实录与常见问题排查

4.1 方向判断反了怎么办

这是遇到频率最高的问题。你写好代码，转电机，发现速度值是负数，或者 PID 加输出后速度反而往下掉。碰到这种情况不用慌，本质上就是 A、B 两路信号接反了。有两个解决办法。

第一个办法是硬件层面，把 A、B 两根线对调一下，这个最直接。第二个办法是软件层面，在初始化定时器时把IC1Polarity和IC2Polarity都改成下降沿触发，这样方向就反过来了。我在这里提醒一下，用软件翻转方向时，要两个通道的极性一起改，不能只改一路。

4.2 转速跳动大、计数不稳

排查计数不稳，我一般会先抓波形看。用示波器或者逻辑分析仪看 A、B 两路信号，如果发现边沿有毛刺，说明信号质量不好。毛刺的产生原因主要有三个：电机电刷火花干扰、PWM 驱动线串扰、编码器供电纹波过大。

应对方法比较成熟：首先在编码器供电端加 100nF 去耦电容，有条件再加一个 10uF 电解电容；其次在 A、B 信号线上串接 510Ω 到 1kΩ 的限流电阻，配合滤波电容形成 RC 低通滤波环境；最重要的是 STM32 定时器输入滤波器ICxFilter一定要合理设置，我的经验是取 0x0F 到 0x3F 之间，既能滤掉高频噪声又不至于让真实信号失真。

4.3 高速丢步和计数器溢出

高速时遇到丢步，通常原因有两个。第一种是编码器线数太高，输出脉冲频率超过了定时器的计数容量或者 CPU 的读取速度；第二种是信号边沿太慢，在高速时单片机无法正确识别电平变化。

对于丢步问题，我强烈建议检查一下编码器输出是推挽输出还是开漏输出。如果是开漏，外部必须接上拉电阻，否则边沿可能会变得很缓，高速时边沿还没到达高电平就被下一个边沿打乱了。这时候可以试着把上拉电阻阻值调小一点，例如 1kΩ 到 4.7kΩ，能明显改善高速性能。计数器溢出问题则可以通过合理设计采样周期和 ARR 值来规避。至于超高速场景，我建议用专门的编码器计数芯片或者用带正交解码的 FPGA，普通单片机做高精度高速测速确实捉襟见肘。

4.4 编码器测速项目常见问题速查表

5. 最后再分享一个调试经验

我在实际调试 AB 编码器测速的过程中，有一个印象很深的坑。之前做过一个底盘小车，用的是一块 STM32F103 最小系统板，编码器引脚正好和 JTAG 的调试口复用。结果程序下载好之后，一跑电机就死机，后来排查了很久发现是调试器和编码器信号冲突导致的上拉干扰。所以做项目之前，一定要看清楚引脚复用，别把编码器接到调试口复用引脚上，否则你连下载器都会受影响。

另外，如果你刚接触这个模块，我建议你先把编码器信号接上逻辑分析仪，手动慢慢转电机，观察 A、B 两路的波形是否符合预期。这一步看起来多花了十分钟，但能帮你排除掉一大堆后续定位成本。等波形确认无误，再写代码、再调 PID，思路会清晰得多。

还有一个小技巧：测速闭环调试时，不要一上来就做高刷新率。先让采样周期固定在 50ms，把速度值通过串口打印出来，确认整个链路是正确的；然后再把周期缩短到 20ms、10ms，逐步逼近控制需求。很多人一上来就写个 1ms 定时中断做速度环，结果把自己搞得很痛苦。AB 编码器测速这件事，硬件和软件各占一半，耐心排查信号、认真核对参数，基本都能跑起来。