STM32定时器与霍尔传感器的速度测量原理

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

于 2025-06-16 11:09:22 首次发布

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一、霍尔传感器与电机转动的本质关系

霍尔传感器工作原理：
- 3个霍尔元件呈120°分布，检测转子磁极位置
- 电机每旋转60°电角度，霍尔组合状态变化一次
- 完整电周期（360°电角度）产生6次状态变化
机械角度与电角度转换：

电角度 = 机械角度 × 极对数(P)

示例：4极电机(P=2)，转1圈机械角度=360°，电角度=720°

3. 关键参数定义：

机械频率就是转速

二、速度计算公式的完整推导

设：

Δt：两次霍尔变化的时间间隔（秒）
P：电机极对数（磁极数/2）
f_m：机械转速（转/秒）

推导过程：

每个Δt对应60°电角度
完整电周期(360°)时间：T_e = 6 × Δt
机械转速：f_m = 1/(P × T_e) = 1/(P × 6 × Δt)
RPM（转/分）：RPM = 60 × f_m = 60/(6PΔt) = 10/(PΔt)

最终公式：

RPM = 10 / (P × Δt)   [Δt单位：秒]

三、STM32定时器的实现机制

1. 定时器配置关键点

// 高级定时器配置示例(TIM1)
TIM_HandleTypeDef htim1;

void ConfigureHallSensorTimer(void) {
  // 时钟配置：72MHz主频
  htim1.Instance = TIM1;
  htim1.Init.Prescaler = 71;        // 分频后1MHz (72MHz/(71+1))
  htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim1.Init.Period = 0xFFFF;       // 最大计数值65535
  htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  HAL_TIM_Base_Init(&htim1);
  
  // 霍尔传感器接口配置
  TIM_HallSensor_InitTypeDef sHallConfig;
  sHallConfig.IC1Polarity = TIM_ICPOLARITY_BOTHEDGE; // 双沿触发
  sHallConfig.IC1Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
  sHallConfig.IC1Filter = 8;        // 滤波系数
  sHallConfig.CommutationDelayed = TIM_COMMUTATION_DELAY_NONE;
  HAL_TIMEx_HallSensor_Init(&htim1, &sHallConfig);
  
  // 启动捕获
  HAL_TIMEx_HallSensor_Start_IT(&htim1);
}

2. 捕获中断处理流程

volatile uint32_t prev_capture = 0;
volatile uint32_t overflow_count = 0;
volatile float rpm = 0.0f;

// 捕获中断服务函数
void TIM1_CC_IRQHandler(void) {
  if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim1, TIM_FLAG_CC1)) {
    uint32_t curr_capture = TIM1->CCR1;
    
    // 计算时间差（考虑溢出）
    uint32_t delta_count;
    if (curr_capture >= prev_capture) {
      delta_count = curr_capture - prev_capture;
    } else {
      // 计数器溢出处理
      delta_count = (0xFFFF - prev_capture) + curr_capture + 1;
      delta_count += overflow_count * 0x10000;
      overflow_count = 0;
    }
    
    // 计算实际时间（秒）
    float delta_t = delta_count / 1000000.0f; // 1MHz时钟=1us/count
    
    // 速度计算（假设P=2极对数）
    const uint8_t pole_pairs = 2;
    rpm = 10.0f / (pole_pairs * delta_t);
    
    prev_capture = curr_capture;
    __HAL_TIM_CLEAR_IT(&htim1, TIM_IT_CC1);
  }
}

// 溢出中断处理
void TIM1_UP_IRQHandler(void) {
  if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim1, TIM_FLAG_UPDATE)) {
    overflow_count++;
    __HAL_TIM_CLEAR_IT(&htim1, TIM_IT_UPDATE);
  }
}

四、速度计算实例分析

假设场景：

4极电机（P=2）
定时器时钟：72MHz
预分频：71 → 计数频率1MHz
测得Δcount = 25,000

计算过程：

实际时间间隔：
Δt = 25,000 / 1,000,000 = 0.025秒
应用公式：
RPM = 10 / (P × Δt) = 10 / (2 × 0.025) = 10 / 0.05 = 200 RPM

公式物理意义：

分母 P × Δt：每60°电角度所需时间
系数 10：由60秒/分 ÷ 6个区间推导而来
整体表示：每分钟能完成多少个60°电角度区间

五、实际应用中的关键问题处理

1. 低速测量优化：

// 使用溢出计数扩展量程
uint32_t total_count = (overflow_count * 65536) + delta_count;
float delta_t = total_count / 1000000.0f;

2. 噪声滤波技术：

硬件滤波：配置IC1Filter=8（约1μs滤波）
软件滤波：

#define FILTER_SAMPLES 5
float rpm_buffer[FILTER_SAMPLES];
float filtered_rpm = 0;

// 在中断中更新
rpm_buffer[sample_index] = rpm;
sample_index = (sample_index + 1) % FILTER_SAMPLES;

// 主循环中计算平均值
for(int i=0; i<FILTER_SAMPLES; i++) {
  filtered_rpm += rpm_buffer[i];
}
filtered_rpm /= FILTER_SAMPLES;

3. 动态范围处理：

// 根据速度动态调整预分频
void AdjustTimerPrescaler(float rpm) {
  if(rpm > 5000) {
    TIM1->PSC = 0;  // 72MHz计数
  } else if(rpm > 1000) {
    TIM1->PSC = 35; // 2MHz计数
  } else {
    TIM1->PSC = 71; // 1MHz计数
  }
  HAL_TIM_GenerateEvent(&htim1, TIM_EVENTSOURCE_UPDATE);
}

六、霍尔安装偏差补偿

当霍尔传感器与理想位置存在角度偏差时：

// 偏差补偿公式
float compensated_rpm = rpm * (1 + calibration_factor);

// 校准过程示例
void HallCalibration(void) {
  // 1. 锁定电机至已知位置
  // 2. 读取霍尔状态
  // 3. 计算偏差角度θ
  // 4. 计算补偿因子：k = 60° / (60° - θ)
}

七、总结：从捕获值到速度的完整路径