MCU 控制电机运动手段 + 编码器反馈检测手段

面向 STM32 等单片机，机器人小车场景：直流减速电机、步进电机、舵机；

区分输出控制（MCU→电机）、输入采集（编码器→MCU）两大部分。

一、MCU 控制电机运动的手段和方法

1. 直流有刷减速电机（GB37‑520 这类小车电机）

目标：控制转速、正反转、启停；MCU 不能直接驱动电机大电流，必须外接驱动芯片（L298N、DRV8833、TB6612）。

1）方向控制：普通 GPIO 输出高低电平

• IN1、IN2 两个逻辑脚给到电机驱动芯片，组合高低电平决定正转 / 反转 / 刹车 / 滑行。 例：IN1=1,IN2=0 →正转；IN1=0,IN2=1→反转；IN1=IN2 同电平→刹车。

2）速度控制：PWM 脉冲宽度调制（定时器输出 PWM）

• PWM 占空比越大，等效平均电压越高，电机转速越快。
• 频率常用：10kHz‑20kHz（避开人耳听觉，减少电机啸叫）
• MCU 片上定时器生成 PWM 输出到驱动芯片的 PWMA/PWMB 引脚。

MCU 输出逻辑信号，电机驱动芯片做功率放大。MCU 本身不流过电机大电流。

2. 步进电机

目标：控制转动角度、步数、转速 1）脉冲 + 方向模式（最常用）

• STEP 脉冲：每来 1 个脉冲，电机走 1 步；定时器输出脉冲。
• DIR 方向：GPIO 高低电平控制旋转方向。
• 外接步进驱动：A4988、DRV8825，支持细分。 2）相位直接输出模式（全桥驱动，少用） MCU 直接输出 A、B、A‑、B‑四相时序，CPU 负担重，不推荐。

细分：驱动器内部处理，MCU 只需要发脉冲，不需要管细分。

3. 舵机（SG90 MG996R）

1）标准模拟舵机：PWM 角度控制（50Hz 周期） 周期 20ms，高电平 0.5ms~2.5ms 对应 0‑180° 角度。 定时器输出硬件 PWM；不是占空比，是高电平绝对时间决定角度。

2）总线/数字舵机（串口舵机） UART 串口发送指令数据包，设定角度、转速；一条总线挂载多个舵机。

4. BLDC 无刷电机

• FOC 矢量控制：MCU 定时器输出三相互补 PWM，配合电流采样，复杂；无人机、移动底盘使用。

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二、MCU 检测电机编码器反馈的手段与方法

编码器作用：

测量电机实际转速、转过的脉冲数、位置；

分增量编码器（A/B 相正交编码器）、霍尔编码器、绝对值编码器。

小车直流电机绝大多数是AB 相正交增量霍尔编码器。

增量正交编码器 A/B 相（最常见，机器人小车）

输出 A 相、B 相两路方波。

• 正转：A 相位超前 B 相 90°；反转：B 相位超前 A 相 90°。
• 脉冲数：电机转一圈输出 N 个脉冲。

方案 1：定时器硬件正交解码（Encoder Mode，强烈推荐⭐）

STM32 高级 / 通用定时器自带编码器接口模式。

• 将 A、B 直接接入定时器 CH1、CH2 通道。
• 硬件内部自动计数、自动判断正反转，不需要 CPU 干预。
• CNT 寄存器自动累加 / 递减脉冲。CPU 只需要定时读取 CNT 计数值。

优点：不占用 CPU，不会丢脉冲，高速旋转也可靠。

缺点：必须占用定时器的两个通道，不是所有定时器支持编码器模式。

方案 2：外部中断 EXTI（软件解码，不推荐高速）

A、B 接到 GPIO，配置下降沿 / 上升沿外部中断。中断回调函数中读取 A、B 电平，判断方向，软件计数。

缺点： 电机转速很高时，中断频繁爆发，挤占 CPU；电机高速容易丢脉冲；电机抖动会频繁误触发。

仅低速场景临时用，底盘电机不要用此方案。

读取转速、位置逻辑

1. 读取定时器 CNT 计数值，获得脉冲总数；
2. 固定时间间隔采样两次计数值，差值得到脉冲变化量；
3. 根据电机线数、减速比换算：角度、位移、转速 (rpm)。

注意：CNT 寄存器会溢出，需要做溢出补偿处理。

绝对值编码器

上电直接读出绝对角度位置，不需要记累计脉冲。

• SPI 接口 / I2C / SSI 串口，MCU 使用 SPI/I2C 外设读取角度。 机器人底盘较少，机械臂关节常用。

霍尔单通道编码器（只有 A 相，无 B 相）

只能计数脉冲，不能识别旋转方向，机器人基本不用。

编码器接线注意点

1. 编码器 VCC/GND 必须供电，与 MCU 共地；
2. 编码器输出电平 3.3V/5V 匹配 MCU IO；5V 编码器输出接到 3.3V MCU 需要分压，防止烧毁 IO。

三、工程闭环控制完整链路（机器人小车）

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MCU定时器PWM输出 →电机驱动芯片 →直流电机旋转
        ↓
电机同轴霍尔编码器输出A/B相
        ↓
接入STM32定时器编码器硬件接口，硬件自动计数
        ↓
MCU定时读取脉冲计数值，换算真实转速
        ↓
PID算法对比【目标转速】和【实际转速】，更新PWM占空比输出

四、资源选型小结

1. 电机控制输出：主要消耗：GPIO、定时器 PWM；大功率电机依赖外部驱动芯片。
2. 编码器输入反馈：优先使用定时器硬件 Encoder 正交解码，尽量避免外部中断软件解码。

一台双轮差分小车：2 路电机 PWM 输出 + 2 路定时器编码器接口。