Robomaster電控入門（3）RM系列電機控制

RM系列電機，電調介紹

Robomaster官方提供了一系列性能各異，可以用於不同場景，且易於驅動的直流無刷減速電機及配套電調，這里主要介紹三款常用的電機&電調——M3508電機&C620電調，GM6020電機（內部集成電調），M2006&C610電調。

這些電調的手冊，驅動demo等同樣可以到官網上去下載

https://www.robomaster.com/zh-CN/products/components/general

直流無刷電機不使用傳統有刷電機的電刷機械結構，而是通過電子換向器實現換向，相比傳統電機有着許多的性能優勢，一般使用直流無刷電機時需要有配套的電調，通過改變電調輸出的電流大小和方向，可以改變電機的轉速和轉向。

Robomaster系列的電機內部都有霍爾傳感器，可以反饋電機的轉速，位置等信息，以供用戶實現閉環控制。

一般使用電機時都是先將電機與配套電調連接，電調與電源以及主控板連接，這里以M3508電機為例，其他電機使用時也是同理，首先是將電機和電調互聯，C620電調上有一個xt30電源輸入口和一個2pin的CAN接口。

官方提供了中心板，電調的電源和信號口可以連接至中心板，再由中心板連接電池和主控。一個中心板上有4個xt30電源輸出，4個2pin的CAN接口，1個xt60的電源輸入和1個8pin的電源&CAN組合輸出，剛剛好可以組成一個四輪底盤。

https://www.robomaster.com/zh-CN/products/components/detail/143

RM的A型主控板上一共有兩路CAN，一路是CAN1，采用2pin接口，一路是CAN2，采用4pin接口，可以直接使用雙頭2pin線連接主控板CAN1接口&中心板或主控板CAN1接口&電調，也可以通過2pin轉4pin線連接CAN2接口。

電機是整個機器人上最重要的執行器之一，基本上一個機器人的控制流中，所有輸入的最終目的都是為了體現在電機的輸出上。一個典型的robomaster步兵機器人身上一共會用到哪些電機呢？以大疆開源的ICRA機器人為例

https://www.robomaster.com/zh-CN/products/components/robot

其使用的電機如下表

電機位置	電機型號
底盤電機*4	M3508
雲台yaw軸電機，pitch軸電機	GM6020
撥彈電機*1	M2006
摩擦輪電機*2	Snail 2305

其中Snail電機是前文中沒有提到的，這是一個PWM控制的直流無刷電機，由於沒有霍爾傳感器，該電機不能實現閉環控制，有一些隊伍會使用去掉減速箱的M3508電機作為替代方案。

不同的電機有着不同的性能，因此被用於不同的機構中，具體使用哪一款電機需要通過分析轉速，扭矩等需求進行選型，獲取這些參數的直接手段就是查閱官方的手冊，這里依然是以M3508電機為例。

Robomaster系列的電機及配套電調幾乎全部是通過CAN總線連接到主控的，即主控通過CAN總線發送數據給電調，實現電機的調速，電調通過CAN總線將電機數據反饋給主控。

RM系列的電機&電調是專門針對比賽進行過設計的，在實際的賽場環境中也確實有着很好的發揮，下面是官方論壇上發布的測評貼，內容很有趣，值得一讀。

https://bbs.robomaster.com/thread-5009-1-1.html

CAN通訊

如上一小節所說，RM系列電機&電調大都是使用CAN進行通訊的，因此掌握了CAN通訊就搞定了一大半的電機驅動，其重要性不言而喻，但CAN是一個相對而言比較復雜的通訊協議，相比於UART，SPI，IIC這些常用的通訊協議，CAN有着更多的特性需要去記憶，本節將對CAN的一些比較重要的特性進行梳理，但是不會涉及到CAN的全貌，因為如果要介紹全的話可能要寫很長很長了.......

• 硬件層面

  • 差分信號

    與其他通信方式重要差別之一是CAN采用的是“差分信號”，即通過組成總線的2根線（CAN-H和CAN-L）的電位差來確定總線的電平，信號是以兩線之間的“差分”電壓形式出現，總線電平分為顯性電平和隱性電平。

    CAN總線采用兩種互補的邏輯數值"顯性"和"隱性"。"顯性"數值表示邏輯"0"，而"隱性"表示邏輯"1"。當總線上同時出現“顯性”位和“隱性”位時，最終呈現在總線上的是“顯性”位。

    與串口這種除了TX和RX，還需要用GND連接兩個設備串行通訊方式不同，CAN總線只需要CAN_H和CAN_L兩根線，就能夠通過差分信號的方式表征邏輯"0"和邏輯"1"

    

  • 幀仲裁

    任何總線都不得不需要面臨處理沖突的問題，因為多個設備都掛載在總線上，難免會出現若干個設備同時想要發送信號的情況，這種情況下就需要進行仲裁，判斷哪個設備可以占用總線，而其他設備要轉變為接收或者等待。

    CAN的仲裁機制正好利用了差分信號的特性，即顯性電平覆蓋隱形電平的特性，如果出現多個設備同時發送的情況，則先輸出隱形電平的設備會失去對總線的占有權。下圖中D為顯性電平，R為隱形電平，通過該圖可以很容易地理解CAN的仲裁機制。

    

  • 波特率

    CAN有着很高的通訊速率，通過查閱手冊可知，一般RM系列電調的通訊速率為1Mbps，只有波特率一致的情況下，主控才能成功與電調進行通訊，CAN的通訊速率的決定因素包括

    • 同步段(SYNC_SEG)：位變化應該在此時間段內發生。只有一個時間片的固定長度(1 x tq)
    • 位段1(BS1)：定義采樣點的位置。其持續長度可以在 1 到 16 個時間片之間調整
    • 位段2(BS2)：定義發送點的位置。其持續長度可以在 1 到 8 個時間片之間調整
    • 同步跳轉寬度（SJW）：定義位段加長或縮短的上限。它可以在 1 到 4 個時間片之間調整

    在ST官方的手冊中可以找到波特率的計算公式，通過用戶對時鍾樹，分頻值，以及上面4個值的設置，就可以得到想要的波特率。

    

    當然，這種計算一般是有套路的，一個特定的波特率一般會有對應的一組值，比如針對RM系列電調，一套典型的設置值如下（來自官方開源代碼），APB1外設時鍾42MHz，分頻值被設置為7，SJW被設置為1tq，BS1被設置為2tq，BS2被設置為3tq，可以計算出波特率恰好是1Mbps。當然，具體的設置還是要根據時鍾樹來進行。

      hcan1.Instance = CAN1;
      hcan1.Init.Prescaler = 7;
      hcan1.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;
      hcan1.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
      hcan1.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_2TQ;
      hcan1.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_3TQ;
    

• 軟件層面

  • 過濾器

    CAN的過濾器的目的是很容易理解的，由於總線上的信號是以廣播的形式發送的，如果設備都在對於每一個被廣播的信號都進行接收+判斷，那么勢必會浪費大量的時間在這項其實沒有什么意義的工作上，解決的方法就是通過設置過濾器，屏蔽掉一些和自己無關的設備發來的信息。

    我們都知道所有CAN設備都是有ID的，具體的ID我們可以從手冊中獲取。以C620電調為例，可以在C620電調的手冊中看到，電調反饋信號時其ID為0x201-0x204。

    https://www.robomaster.com/zh-CN/products/components/general/M3508

    

    在知道了設備ID之后，為了實現過濾的功能，我們需要對CAN過濾器進行配置。

    CAN的過濾器模式分為掩碼模式和列表模式，列表模式簡單來說就是制作一張ID表，如果來的數據的ID在這張表中則接收，否則不收。

    重點介紹一下掩碼模式的原理：掩碼模式的思路很容易理解，舉個例子，某所學校的學號構成方式為[4位10進制 入學年份]+[4位10進制 學生序號]，比如一個2016年入學的學生，其學號可以是20161234，那么假如要開一個2016年畢業生的慶祝會，會場門口要檢查每一個人的學號，只有2016級的才可以進入，這里應該使用什么樣的判斷方法呢？

    首先，我們需要設置屏蔽碼，屏蔽掉后四位的學生序號，因為他們和本次檢測無關，反而增大了計算量。

    然后設置檢驗法2016，如果屏蔽后的結果等於2016，則可以放行。

    如下表所示，第一行為原碼，第二行為掩碼，將第一行表格中的數與掩碼相乘，即得到第三行的屏蔽碼，最后一行是驗證碼，屏蔽碼和驗證碼比較確定一致后，就接收該學號。

    2	0	1	6	1	2	3	4
    1	1	1	1	0	0	0	0
    2	0	1	6	0	0	0	0
    2	0	1	6	0	0	0	0

    這里依然是以官方開源代碼為例，每一行添加注釋說明其功能

      can_filter_st.FilterActivation = ENABLE;				//satori:激活濾波器
      can_filter_st.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;		//satori：采用掩碼模式
      can_filter_st.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;	//satori:設置32位寬
      can_filter_st.FilterIdHigh = 0x0000;					//satori:設置驗證碼高低各4字節
      can_filter_st.FilterIdLow = 0x0000;
      can_filter_st.FilterMaskIdHigh = 0x0000;				//satori:設置屏蔽碼高低各4字節
      can_filter_st.FilterMaskIdLow = 0x0000;
      can_filter_st.FilterBank = 0;							//satori:使用0號過濾器
      can_filter_st.FilterFIFOAssignment = CAN_RX_FIFO0;	//satori:通過CAN的信息放入0號FIFO
      HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan1, &can_filter_st);
    

    那么我們來看一下開源代碼中驗證碼和屏蔽碼這兩項的配置，屏蔽碼設為0x00000000，無論任何標識符通過之后都變成0x00000000，驗證碼為0x00000000，所以無論任何屏蔽碼都能通過。可見其實並沒有起到任何過濾作用，這是因為CAN總線上掛載的四個電調，我們的主控都需要接收其數據，所以無論來的標識符是哪個，都要照單全收，而CAN不配置完過濾器是無法開啟的，所以才有這套驗證碼+屏蔽碼都是0x00000000的操作。

    最后貼一個CSDN上寫的比較好的博客，推薦大家也讀一下

    https://blog.csdn.net/flydream0/article/details/52317532

  • 標准數據幀

    CAN的一個標准數據幀包括以下幾個部分——

    

    仲裁場中包含12位的標識符

    

    仲裁場后跟隨的是控制場，存放數據長度DLC，數據場中要填寫CAN發送的數據

    

    最后的CRC，應答這些就與校驗，總線控制等有關了，和用戶沒有太大關系。

    具體該怎么配置，還是需要根據手冊走，這里以C620電調為例，在手冊中我們可以找到如下內容——

    電調接收報文格式：

    

    電調反饋報文格式：

    

電調信號收發示例

依然是以官方開源代碼為例，我們先看CAN接收的過程，即如何從CAN接收中斷回調函數開始，一步一步送到解碼函數中，調用過程如下

HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback->can1_motor_msg_rec->motor_device_data_update->get_encoder_data

編碼器解碼函數，主要完成的工作依然是數據拼接

static void get_encoder_data(motor_device_t motor, uint8_t can_rx_data[])
{
  motor_data_t ptr = &(motor->data);
  ptr->msg_cnt++;

  if (ptr->msg_cnt > 50)
  {
    motor->init_offset_f = 0;
  }

  if (motor->init_offset_f == 1)
  {
    get_motor_offset(ptr, can_rx_data);
    return;
  }

  ptr->last_ecd = ptr->ecd;
  //satori：data[0]和data[1]拼接成轉子機械角度
  ptr->ecd = (uint16_t)(can_rx_data[0] << 8 | can_rx_data[1]);

  if (ptr->ecd - ptr->last_ecd > 4096)
  {
    ptr->round_cnt--;
    ptr->ecd_raw_rate = ptr->ecd - ptr->last_ecd - 8192;
  }
  else if (ptr->ecd - ptr->last_ecd < -4096)
  {
    ptr->round_cnt++;
    ptr->ecd_raw_rate = ptr->ecd - ptr->last_ecd + 8192;
  }
  else
  {
    ptr->ecd_raw_rate = ptr->ecd - ptr->last_ecd;
  }

  ptr->total_ecd = ptr->round_cnt * 8192 + ptr->ecd - ptr->offset_ecd;
  /* total angle, unit is degree */
  ptr->total_angle = ptr->total_ecd / ENCODER_ANGLE_RATIO;
  //satori：data[2]和data[3]拼接成轉子轉速
  ptr->speed_rpm = (int16_t)(can_rx_data[2] << 8 | can_rx_data[3]);
  //satori：data[4]和data[5]拼接成實際轉矩電流
  ptr->given_current = (int16_t)(can_rx_data[4] << 8 | can_rx_data[5]);
}

CAN發送過程調用順序如下：

can_msg_bytes_send->motor_can_send->motor_device_can_output->motor_can1_output_1ms

通過軟件定時器設置CAN發送周期為1ms

同樣分析一下發送函數，在can_msg_bytes_send函數中完成對幀格式的設置

uint32_t can_msg_bytes_send(CAN_HandleTypeDef *hcan,
                            uint8_t *data, uint16_t len, uint16_t std_id)
{
  uint8_t *send_ptr;
  uint16_t send_num;
  can_manage_obj_t m_obj;
  struct can_std_msg msg;

  send_ptr = data;
  msg.std_id = std_id;
  send_num = 0;

  if (hcan == &hcan1)
  {
    m_obj = &can1_manage;
  }
  else if (hcan == &hcan2)
  {
    m_obj = &can2_manage;
  }
  else
  {
    return 0;
  }

  while (send_num < len)
  {
    if (fifo_is_full(&(m_obj->tx_fifo)))
    {
      //can is error
      m_obj->is_sending = 0;
      break;
    }

    if (len - send_num >= 8)
    {
      msg.dlc = 8;
    }
    else
    {
      msg.dlc = len - send_num;
    }

    //memcpy(msg.data, data, msg.dlc);
    *((uint32_t *)(msg.data)) = *((uint32_t *)(send_ptr));
    *((uint32_t *)(msg.data + 4)) = *((uint32_t *)(send_ptr + 4));

    send_ptr += msg.dlc;
    send_num += msg.dlc;

    fifo_put(&(m_obj->tx_fifo), &msg);
  }

  if ((m_obj->is_sending) == 0 && (!(fifo_is_empty(&(m_obj->tx_fifo)))))
  {
    CAN_TxHeaderTypeDef header;
    uint32_t send_mail_box;

    header.StdId = std_id;
    //satori：設置幀格式為標准幀
    header.IDE = CAN_ID_STD;
    header.RTR = CAN_RTR_DATA;

    while (HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(m_obj->hcan) && (!(fifo_is_empty(&(m_obj->tx_fifo)))))
    {
      fifo_get(&(m_obj->tx_fifo), &msg);
      header.DLC = msg.dlc;
      //satori:調用HAL庫函數進行發送
      HAL_CAN_AddTxMessage(m_obj->hcan, &header, msg.data, &send_mail_box);

      m_obj->is_sending = 1;
    }
  }

  return send_num;
}

在motor_device_can_output中進行數據，DLC，ID的設置

int32_t motor_device_can_output(enum device_can m_can)
{
  struct object *object;
  list_t *node = NULL;
  struct object_information *information;
  motor_device_t motor_dev;

  memset(motor_msg, 0, sizeof(motor_msg));

  var_cpu_sr();
   
  /* enter critical */
  enter_critical();

  /* try to find device object */
  information = object_get_information(Object_Class_Device);

  for (node = information->object_list.next;
       node != &(information->object_list);
       node = node->next)
  {
    object = list_entry(node, struct object, list);
    motor_dev = (motor_device_t)object;
    if(motor_dev->parent.type == Device_Class_Motor)
    {
      if (((motor_device_t)object)->can_id < 0x205)
      {
        //裝填ID，裝填數據
        motor_msg[motor_dev->can_periph][0].id = 0x200;
        motor_msg[motor_dev->can_periph][0].data[(motor_dev->can_id - 0x201) * 2] = motor_dev->current >> 8;
        motor_msg[motor_dev->can_periph][0].data[(motor_dev->can_id - 0x201) * 2 + 1] = motor_dev->current;
        motor_send_flag[motor_dev->can_periph][0] = 1;
      }
      else
      {
        motor_msg[motor_dev->can_periph][1].id = 0x1FF;
        motor_msg[motor_dev->can_periph][1].data[(motor_dev->can_id - 0x205) * 2] = motor_dev->current >> 8;
        motor_msg[motor_dev->can_periph][1].data[(motor_dev->can_id - 0x205) * 2 + 1] = motor_dev->current;
        motor_send_flag[motor_dev->can_periph][1] = 1;
      }
    }
  }

  /* leave critical */
  exit_critical();
  
  for (int j = 0; j < 2; j++)
  {
    if (motor_send_flag[m_can][j] == 1)
    {
      if (motor_can_send != NULL)
        motor_can_send(m_can, motor_msg[m_can][j]);
      motor_send_flag[m_can][j] = 0;
    }
  }

  /* not found */
  return RM_OK;
}

實際上對幀格式，DLC，ID，數據的裝填可以全部在一個函數中完成，官方代碼寫的相對而言比較復雜，多封裝了好幾層，讀者可以去論壇上找一些相對而言簡單一些的開源代碼看看。

結語

這一講應該是最硬核，也是我自己寫的最累的一講，CAN是每一個參加RM的電控繞不過去的坎，有很多很多的坑需要自己實踐時踩過了才會懂，畢竟實踐出真知嗎。