伺服电机AB相输出，接入定时器通道，对定时器IO口的速率有何要求【详细分析】

1.前言

首先，要理解标题"伺服电机AB相输出，接入定时器通道，对定时器IO口的速率有何要求"这句话，主体是伺服电机 AB相输出，指的的伺服电机反馈的AB相信号，不是步进电机。因为步进电机一般是脉冲信号驱动，而不带反馈的（也可以给步进电机加上反馈，一种常见的方法是带上编码器，但这实际上就有伺服电机的味道了。具体可参考）。

其次，AB相信号是什么东西？AB相信号是A相和B项的合称，A相B相都是脉冲信号，A相B相相差90度，因此AB相属于正交信号。A相一般是与电机旋转同步的基准脉冲信号。B相是与A相 相位相差90度的脉冲信号。通过B相和A相 谁比谁超前90度，来控制电机是正传还是反转。

再次，通过电机反馈的AB相信号可以接入正交解码器，从而计算出电机的方向和位置。当前，一般不会在单板上再专门布置一个正交解码芯片，STM32和GD32的芯片的高级和通用定时器就具有相应功能。在使用定时器的正交解码功能时，要配置为编码器接口模式，具体可参考。

2.定时器接口可以处理的脉冲频率

GD32F407定时器，分为 高级定时器，通用定时器和基本定时器。其中，高级定时器和通用定时器具有正交解码功能。

2.1 当编码器为1000线时，对脉冲频率的检测要求

信号频率：

1000线编码器在电机高速旋转时，每圈会产生1000个脉冲周期。若电机转速为600RPM（每分钟600转，每秒钟10转），则每秒需处理约10000个脉冲。四倍频后，定时器每秒需解析40000个边沿信号，这对定时器的端口速度和中断响应能力提出极高要求。

相位差检测：

AB相信号通过90°相位差判断方向，要求定时器在单个脉冲周期内完成两次边沿检测（A相上升沿/下降沿、B相上升沿/下降沿）。若编码器线数为1000，脉冲周期最短仅25微秒（1s/40000 * 1000(ms)* 1000(us),4倍频），需确保定时器能在25微秒内完成4次边沿捕捉和方向判断（四倍频技术的基本原理是在一个脉冲周期内捕获四次边沿变化，从而将编码器的分辨率提高四倍）。

定时器的性能要求：

高速计数功能：定时器需支持高速计数模式，例如STM32定时器的编码器接口模式，可直接解析AB相脉冲的相位差和频率。若采用普通定时器，需通过中断方式处理边沿，但受限于中断响应时间（通常为微秒级），可能无法稳定解析高频信号。
中断响应时间：定时器中断响应时间需小于脉冲周期的1/4（四倍频下）。以600RPM为例，脉冲周期为25微秒，中断响应时间需控制在6.25微秒以内。若中断延迟过长，会导致脉冲计数丢失或方向误判。

高级/通用定时器 编码器接口模式下，是如何 根据AB相的输入进行脉冲计数的？

如下图所示，CI0和CI1一个可以看作A相，一个可以看作B相。当CI0先产生脉冲，CI1后产生脉冲。（A相先变化，B相后变化）时电机正转，计数器Counter开始计数CNT++。CI1先产生脉冲，CI0后产生脉冲。（B相先变化，A相后变化）时电机反转，计数器CNT- -。

注：上图一定要看懂，不懂的，留言提问。

3.计算过程

STM32/GD32通用定时器在编码器接口模式下，每秒可检测的脉冲数取决于定时器时钟频率、预分频器设置及编码器模式的工作原理，具体分析如下：

3.1 核心计算公式

最大脉冲检测频率 = (定时器时钟频率) / (预分频器值 + 1) / 4
• 定时器时钟频率：由MCU主频和时钟树配置决定（如STM32F103为72MHz，STM32F407可达168MHz）。
• 预分频器值：通过TIMx_PSC寄存器设置，用于降低定时器计数频率。
• 除以4：因编码器接口模式采用四倍频技术（A/B相每个周期产生4个边沿）。

3.2 典型场景计算示例

以GD32F407（主频32MHz,使用外部时钟）为例：

1. 无预分频（PSC=0）：
   • 最大检测频率 = 32MHz / (0+1) /4 = 8MHz。
   • 每秒脉冲数：8000,000个。
2. 预分频=1（PSC=1）：
   • 定时器时钟=32MHz/(1+1)=16MHz。
   • 最大检测频率=16MHz/4= 4MHz。
   • 每秒脉冲数：4,000,000个。
3. 预分频=7（PSC=7）：
   • 定时器时钟=32MHz/(7+1)=4MHz。
   • 最大检测频率=4MHz/4= 4MHz。
   • 每秒脉冲数：1,000,000个。

3.2关键限制因素

1. GPIO响应速度：
   • STM32 GPIO最大翻转速度通常为18MHz（部分高速GPIO可达50MHz以上）。
   • 若编码器信号频率超过GPIO响应能力，会出现信号畸变。
2. 中断延迟：
   • 在编码器接口模式下，定时器自动计数，无需CPU干预。
   • 若需通过中断读取计数值，中断响应时间（通常1-10μs）会降低有效检测频率。
3. 信号完整性：
   • 高速编码器信号需使用差分传输（如RS422）或屏蔽电缆。
   • 添加硬件滤波电路（如RC低通滤波器）可抑制噪声，但会增加信号延迟。

思考 or 问题

读完本篇文章，应能回答下述问题：

1.电机编码器输出的AB相，是什么信号？AB相1000线是什么意思？
2.STM32/GD32的哪种定时器可以实现正交解码器的作用？
3.定时器通过AB相判断方向和位置，1个脉冲周期内，需要完成几次边沿捕获？
4.STM32通用定时器设置为编码器接口模式，端口每秒可以支持检测多少个脉冲？

参考

1.STM32通用定时器-脉冲计数（编码器模式）及电机测速原理
2.GD32F407Datasheet
3.GD32F4xx_User_Manual_Rev3.2.pdf