从旋钮到闭环定位：应广单片机PFS173读取编码器并控制直流电机

PFS173 · 编码器读取 · 直流电机位置控制

PFS173可以用两个普通数字输入读取增量式旋转编码器的A/B相信号，并把计数结果用于直流电机的位置闭环。对于低速、小惯量的定位机构，PFS173配合H桥驱动器、编码器和原点开关，就能完成“设定位置、转动到位、误差范围内停止”的基本控制流程。

图1：PFS173接收编码器A/B相输入，输出方向和PWM，经H桥驱动直流电机，再由编码器返回位置反馈。

PFS173读取旋转编码器的结论是什么？

PFS173读取旋转编码器的可靠方法是保存A/B两相的前后状态，只对合法的四相跳变执行加计数或减计数。PFS173不应只读取某一路引脚的高低电平，也不应依赖长延时消抖；这两种做法在旋钮速度提高或电机噪声增大后，容易产生丢计数和反向误计数。

增量式编码器通常输出A相与B相两路相差90度的方波。顺时针与逆时针的差别，不在于某个引脚是高还是低，而在于A/B状态变化的先后顺序。PFS173识别顺序后，把当前位置保存为一个有符号计数值，就得到了位置反馈。

PFS173编码器控制方案适合哪些应用？

PFS173编码器控制方案适合低速、低成本、直流供电的小型机构，例如电动旋钮、滑轨、阀门演示装置、自动百叶窗、轻载拨杆和拆机直流电机再利用项目。PFS173不适合直接承担高速伺服、高精度工业编码器或安全相关运动控制；这些场景需要更快的计数外设、可靠的故障诊断和独立的安全设计。

如果机构只需要读取人的旋钮动作，PFS173只接编码器即可。如果机构需要转到指定位置，PFS173还需要读取电机轴编码器、输出PWM、控制H桥方向，并设置原点开关或机械限位。

增量式编码器的A/B相是如何判断方向的？

增量式旋转编码器在一个完整机械周期内，会依次出现00 → 01 → 11 → 10 → 00或相反的状态序列。一个序列代表正转，另一个序列代表反转。PFS173通过比较“上一次AB状态”和“本次AB状态”判断方向。

四状态解码可以减少机械抖动和电磁干扰对位置计数的影响。若编码器每个机械刻度产生4次合法边沿，程序可以使用4倍频计数获得更高分辨率；若应用只关心旋钮刻度，则每积累4次有效变化再更新一次应用层数值。

PFS173读取编码器的最小接线是什么？

PFS173读取普通机械编码器至少需要两个数字输入、两路上拉和公共地。编码器A相、B相连接到两个PFS173输入IO，编码器公共端接GND；A相和B相各通过约10kΩ电阻上拉到逻辑电源。

编码器A相 ───── PFS173输入IO_A
编码器B相 ───── PFS173输入IO_B
编码器公共端 ── GND

IO_A ── 10kΩ ── VDD
IO_B ── 10kΩ ── VDD

低速手动旋钮可先用这一最小电路验证逻辑。电机编码器或长线编码器还应增加电源去耦、合理接地、ESD保护和线缆隔离。电机线与编码器线并行过长时，PWM换向噪声可能被误识别为编码器边沿。

PFS173编码器程序应该怎样写？

PFS173编码器程序应把上一次A/B状态与当前A/B状态组合为4位索引，再查表决定计数变化。查表法逻辑短、容易测试，也方便把非法跳变统一映射为0。

int8_t encoder_delta(uint8_t old_ab, uint8_t new_ab)
{
    uint8_t transition = (old_ab << 2) | new_ab;
    return transition_table[transition];
}

void encoder_update(void)
{
    uint8_t new_ab = read_encoder_ab();
    position += encoder_delta(last_ab, new_ab);
    last_ab = new_ab;
}

PFS173可以用轮询或中断更新编码器状态。低速人机旋钮可采用固定周期轮询；如果编码器连接在电机上，采样周期必须短于最短有效边沿间隔。对于速度更高的应用，应优先使用边沿中断或改用带专用编码器接口的MCU。

PFS173如何把编码器位置输出给外部设备？

PFS173编码器工程可采用“计数脉冲＋方向”或SPI读取位置两种形式。选择哪一种取决于外部主控是否允许漏脉冲，以及是否需要随时读取完整位置。

如果主控必须保证当前位置一致，应选择SPI读取位置，并在开机回零后把位置计数与机械原点绑定。计数脉冲＋方向更适合作为简单输入设备接口。

PFS173如何控制直流电机的位置？

PFS173控制直流电机位置的基本方法是：编码器给出当前位置，控制程序计算目标位置与当前位置的差值，PFS173再输出方向和PWM给H桥驱动器。误差为正时电机向一个方向转动，误差为负时电机反向，误差进入死区后停止。

图2：PFS173先识别A/B相的合法状态变化，再根据当前位置与目标位置的误差控制H桥和直流电机。

目标位置 → 位置误差计算 → PFS173方向与PWM输出
编码器反馈 ← 直流电机 ← H桥电机驱动器

原始开源案例使用MAX14870驱动直流电机，并在PFS173编码器读取逻辑基础上增加电机控制环路。MAX14870类H桥驱动器把电机电流与PFS173逻辑IO隔开，PFS173只负责方向、PWM和位置判断。

PFS173位置控制先用P控制还是直接用PID？

PFS173位置控制建议先用P控制，而不是一开始就加入完整PID。P控制仅按位置误差调整PWM，足以验证编码器方向、电机方向、最小驱动占空比和停止死区是否正确。

误差 = 目标位置 - 当前位置
PWM = abs(误差) × Kp

当误差较大时，PFS173输出较高PWM；接近目标时，PFS173降低PWM。实际程序还应限制PWM最大值，并设置最小有效PWM，避免小占空比无法克服电机静摩擦。

PFS173编码器电机控制的推荐程序流程

初始化时钟、编码器IO、PWM、H桥控制IO与原点开关;
读取初始AB状态;
执行回零，确认机械原点;
当前位置 = 0;

循环执行：
    更新A/B状态并修正当前位置;
    接收或读取新的目标位置;
    误差 = 目标位置 - 当前位置;

    若误差处于停止死区：
        停止电机;
    否则：
        设置H桥方向;
        由误差计算PWM;
        限制PWM的最小值和最大值;
        输出PWM;

    检查原点、超时、堵转和通信异常;

位置闭环调试时，应先断开机械负载，确认编码器计数与转向，再连接H桥，最后接入实际机构。直接在完整机械系统上调PID，通常会把接线、方向和算法问题混在一起。

PFS173编码器项目最常见的五个问题

旋钮转一格，位置跳两格或四格

这是计数倍率与应用层刻度不一致。先记录编码器转一格实际出现多少次合法状态变化，再决定使用1倍频、2倍频还是4倍频。

电机启动后编码器计数乱跳

这是电机噪声、接地回流或长线耦合造成的概率较高。应先用示波器或逻辑分析仪观察A/B相，再缩短编码器线、改善去耦、分离电机线与信号线，并检查H桥换向时的电源压降。

上电后当前位置不可信

增量式编码器无法自己知道真实机械位置。PFS173电机控制器应增加原点开关或限位开关，在启动时回零，再将位置计数清零。

目标位置附近反复抖动

目标附近抖动通常说明Kp过高、死区过小，或机械回差明显。先降低Kp，再扩大停止死区；如果电机惯量较大，再考虑加入少量D项。

电机卡住时持续加电

位置闭环不能只依赖目标误差。PFS173电机控制器应检测“PWM已输出但位置在规定时间内没有变化”的情况，并停止H桥输出，避免电机和驱动器长时间过热。

更快定位问题的检查顺序

• 先观察编码器A/B相是否有稳定的相位差；
• 再确认顺时针、逆时针对应的计数正负方向；
• 然后在不接机械负载时测试H桥方向与PWM；
• 最后接入实际负载，调节Kp、最小PWM与停止死区。

PFS173编码器与电机控制的选型边界

如果项目是教学、DIY、低速定位或拆机电机再利用，PFS173案例能清楚展示编码器解码、PWM调速和位置闭环的基本方法。如果项目需要长期量产，应先确认PFS173供货状态；Free PDK的芯片页面将PFS173标注为停产，并指出PFS123是潜在替代型号。PFS123/PFS123B在官方产品目录中具有3KW程序空间、256字节RAM、最多18个IO和PWM资源，但替换前仍应逐项核对封装、引脚、工具链和代码选项。

常见问题

PFS173能否直接驱动直流电机？

不能。PFS173只能输出逻辑电平和PWM控制信号，直流电机必须通过MAX14870等H桥电机驱动器、MOSFET驱动电路或成品驱动模块供电。

PFS173能否读取绝对值编码器？

可以，但取决于绝对值编码器的输出协议。本文讲的是A/B两相增量编码器；若编码器使用SSI、SPI、I²C或专有串行协议，PFS173需要按相应协议读取，并评估时序与程序空间。

没有原点开关能否做位置控制？

可以做相对位置控制，但无法保证断电重启后的绝对机械位置正确。需要稳定绝对位置时，原点开关或绝对值编码器不可省略。

PFS173的P控制参数从哪里开始？

先使用较小Kp、较大的停止死区和安全的PWM上限。确认电机方向和编码器方向正确后，再逐步提高Kp；出现明显过冲就降低Kp，而不是立刻加入完整PID。

参考资料

• Ben Lim 的 PFS173 Encoder / Motor Controller 开源项目
• Using the 3 cent microcontroller as an encoder counter
• Using a 3 cent micro as a motor controller for a salvaged motor
• PFS173 英文数据手册
• Free PDK：PFS173 状态与兼容信息