《STM32 HAL库》小米微电机控制 —— 通信协议分析及驱动库（微信文章未删减版）

之前有段时间因为机器狗项目的缘故，一直在使用小米微电机，但是苦于没有一个详尽的奶妈级教程，在控制电机的学习中踩了不少的坑。今天咱们就从头至尾一步一步的实现使用按键控制小米微电机。本文将会分析小米电机驱动库，并简要介绍相关的CAN通信知识。阅读本文之前建议先看一遍小米电机说明书，直接百度就有。

一、前置知识

小米微电机是一款伺服电机，那什么是伺服电机呢？

伺服电机的最大特征要素是伺服机构。

伺服机构是以物体的位置、方位、姿态等控制量，跟随目标（或给定值）变化的自动控制系统。伺服的英文“servo”以拉丁语中表示“奴隶”的“servus”为词根，意思是按照指令动作的控制。

就拿小米电机来说，有多种控制模式，其运控模式流程图如下

不过对我们来说，可以把小米微电机看做一个黑盒，只要给他供电之后，再向它发送命令，它就可以安装命令进行转动，我们不需要关系电机的电流电压或者相关的控制算法，因为这些都已经被打包在伺服系统之中

CAN通信是什么？如何进行CAN通信？

CAN（Controller Area Network），是ISO国际标准化的串行通信协议

它的诞生是为了满足汽车产业的“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需求。

低速CAN(ISO11519)通信速率10~125Kbps，总线长度可达1000

高速CAN(ISO11898)通信速率125Kbps~1Mbps，总线长度≤40米

CAN FD 通信速率可达5Mbps，并且兼容经典CAN，遵循ISO 11898-1 做数据收发

CAN总线以“帧”形式进行通信。CAN协议定义了5种类型的帧：数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、间隔帧，其中数据帧最为常用。数据帧又分为标准帧和扩展帧。

以上内容了解即可，不需要我们重点关注
我们只需要知道：小米微电机使用的是：高速CAN，波特率1M，扩展帧格式！

二、小米电机通信协议

电机通信为 CAN 2.0 通信接口，波特率 1Mbps，采用扩展帧格式，如下所示：

电机支持的控制模式包括：
运控模式：给定电机运控 5 个参数；
电流模式：给定电机指定的 Iq 电流；
速度模式：给定电机指定的运行速度；
位置模式：给定电机指定的位置，电机将运行到该指定的位置；

哇！CAN通信的数据帧那么复杂，这个通信协议也不简单，我们该怎么理解呢？

这里我们先看一个软件的截图

看下面的操作区，有没有发现需要我们关注和设置只有ID和数据呀？

因为CAN通信的数据帧中我们能改变的，或者说传递信息的只有ID和数据。

小米的通信协议也是这样，通过设置ID和数据（十六进制格式）然后发送给电机就能控制电机了

此处用获取电机信息举例

我们只要把数据帧设置为如下内容即可：

图中前两个为电机开机启动时发送的数据帧，第三行为我们发送的数据帧。

这里我们设置ID为：0x00000023，数据设置为：0x00 00 00 00 00 00 00 00

可以看到电机应答帧为图中第四个数据帧。

至于其他的通信类型，都大差不差，大家可以自行阅读说明书中的通信协议。

三、小米电机驱动库

这里鸣谢大佬ZDYukino。我对此库进行些许改动，使其可以在105上实现在两个can上发送

不过这个库没有详细的解释，之前初学的我还是踩了不少的坑，代码将放到文末

这里我们将概括性的分析此驱动库，并将在下一章中结合实例驱动电机

主逻辑&功能：

1.定义了一些全局变量和宏定义，包括 CAN 通信相关的数据结构和变量。

2.实现了一些辅助函数：

Float_to_Byte 将一个浮点数转换为字节数组。

uint16_to_float 将一个 16 位无符号整数转换为浮点数。

float_to_uint 将一个浮点数转换为一个指定位数的无符号整数。

Set_Motor_Parameter 设置电机的参数，根据参数类型将参数值转换为字节数组，并通过 CAN 发送给电机。

Get_Motor_ID 从接收到的 CAN ID 中提取电机的 ID。

3.实现了一些控制电机的函数：

chack_cybergear 检查电机的状态。

start_cybergear 启动电机。

stop_cybergear 停止电机。

set_mode_cybergear 设置电机的工作模式。

set_current_cybergear 设置电机的电流。

set_zeropos_cybergear 设置电机的零点位置。

set_CANID_cybergear 设置电机的 CAN ID。

init_cybergear 初始化电机，设置电机的 ID 和模式，并启动电机。

motor_controlmode 控制电机的运动模式，包括力矩、机械位置、速度、控制参数等。

4.实现了一个 CAN 接收回调函数 HAL_CAN_RxFifo1MsgPendingCallback，当有 CAN 消息到达时触发该函数。在该函数中，根据接收到的电机 ID，将接收到的数据提取出来并保存到对应的电机结构体中。

对于头文件：

1.定义了一些宏，包括一些控制参数的最小值和最大值，以及通信命令的宏定义。

2.定义了一个枚举类型 CONTROL_MODE，用于表示电机的控制模式，包括运控模式、位置模式、速度模式和电流模式。

3.定义了一个枚举类型 ERROR_TAG，用于表示电机的错误状态。

4.定义了一个结构体 MI_Motor，表示小米电机。该结构体包含了电机的一些状态信息，如 CAN ID、MCU ID、角度、速度、力矩、温度等。还包含了一些设置电机参数的变量，如设定电流、设定速度、设定位置等。

5.声明了一些函数的原型，包括检查电机状态、启动电机、停止电机、设置电机工作模式、设置电机电流、设置电机零点位置、设置电机的 CAN ID、初始化电机和控制电机运动模式等。

/** ****************************(C)SWJTU_ROBOTCON**************************** * @file cybergear.c/h * @brief 小米电机函数库 * @note * @history * Version Date Author Modification * V1.0.0 1-10-2023 ZDYukino 1. done * @verbatim ========================================================================= ========================================================================= @endverbatim ****************************(C)SWJTU_ROBOTCON**************************** **/#include "main.h"#include "can.h"#include "cybergear.h"//#include "vofa.h"
CAN_RxHeaderTypeDef rxMsg;//发送接收结构体CAN_TxHeaderTypeDef txMsg;//发送配置结构体uint8_t rx_data[8];       //接收数据uint32_t Motor_Can_ID;    //接收数据电机IDuint8_t byte[4];          //转换临时数据uint32_t send_mail_box = {0};//NONE
#define can_txd() HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan1, &txMsg, tx_data, &send_mail_box)//CAN发送宏定义
MI_Motor mi_motor[4];//预先定义四个小米电机
/** * @brief 浮点数转4字节函数 * @param[in] f:浮点数 * @retval 4字节数组 * @description : IEEE 754 协议 */static uint8_t* Float_to_Byte(float f){    unsigned long longdata = 0;    longdata = *(unsigned long*)&f;           byte[0] = (longdata & 0xFF000000) >> 24;    byte[1] = (longdata & 0x00FF0000) >> 16;                                                                                                                                                                                                             byte[2] = (longdata & 0x0000FF00) >> 8;    byte[3] = (longdata & 0x000000FF);    return byte;}
/** * @brief 小米电机回文16位数据转浮点 * @param[in] x:16位回文 * @param[in] x_min:对应参数下限 * @param[in] x_max:对应参数上限 * @param[in] bits:参数位数 * @retval 返回浮点值 */static float uint16_to_float(uint16_t x,float x_min,float x_max,int bits){    uint32_t span = (1 << bits) - 1;    float offset = x_max - x_min;    return offset * x / span + x_min;}
/** * @brief 小米电机发送浮点转16位数据 * @param[in] x:浮点 * @param[in] x_min:对应参数下限 * @param[in] x_max:对应参数上限 * @param[in] bits:参数位数 * @retval 返回浮点值 */static int float_to_uint(float x, float x_min, float x_max, int bits){  float span = x_max - x_min;  float offset = x_min;  if(x > x_max) x=x_max;  else if(x < x_min) x= x_min;  return (int) ((x-offset)*((float)((1<-1))/span);}
/** * @brief 写入电机参数 * @param[in] Motor:对应控制电机结构体 * @param[in] Index:写入参数对应地址 * @param[in] Value:写入参数值 * @param[in] Value_type:写入参数数据类型 * @retval none */static void Set_Motor_Parameter(MI_Motor *Motor,uint16_t Index,float Value,char Value_type){    uint8_t tx_data[8];    txMsg.ExtId = Communication_Type_SetSingleParameter<<24|Master_CAN_ID<<8|Motor->CAN_ID;    tx_data[0]=Index;    tx_data[1]=Index>>8;    tx_data[2]=0x00;    tx_data[3]=0x00;    if(Value_type == 'f'){        Float_to_Byte(Value);        tx_data[4]=byte[3];        tx_data[5]=byte[2];        tx_data[6]=byte[1];        tx_data[7]=byte[0];            }    else if(Value_type == 's'){        tx_data[4]=(uint8_t)Value;        tx_data[5]=0x00;        tx_data[6]=0x00;        tx_data[7]=0x00;                    }    can_txd();    }
/** * @brief 提取电机回复帧扩展ID中的电机CANID * @param[in] CAN_ID_Frame:电机回复帧中的扩展CANID * @retval 电机CANID */static uint32_t Get_Motor_ID(uint32_t CAN_ID_Frame){    return (CAN_ID_Frame&0xFFFF)>>8;}
/** * @brief 电机回复帧数据处理函数 * @param[in] Motor:对应控制电机结构体 * @param[in] DataFrame:数据帧 * @param[in] IDFrame:扩展ID帧 * @retval None */static void Motor_Data_Handler(MI_Motor *Motor,uint8_t DataFrame[8],uint32_t IDFrame){            Motor->Angle=uint16_to_float(DataFrame[0]<<8|DataFrame[1],MIN_P,MAX_P,16);        Motor->Speed=uint16_to_float(DataFrame[2]<<8|DataFrame[3],V_MIN,V_MAX,16);                    Motor->Torque=uint16_to_float(DataFrame[4]<<8|DataFrame[5],T_MIN,T_MAX,16);                        Motor->Temp=(DataFrame[6]<<8|DataFrame[7])*Temp_Gain;        Motor->error_code=(IDFrame&0x1F0000)>>16;    }
/** * @brief 小米电机ID检查 * @param[in] id: 对应控制电机结构体 * @retval none */void chack_cybergear(uint8_t ID){    uint8_t tx_data[8] = {0};    txMsg.ExtId = Communication_Type_GetID<<24|Master_CAN_ID<<8|ID;    can_txd();}
/** * @brief 使能小米电机 * @param[in] Motor:对应控制电机结构体 * @retval none */void start_cybergear(MI_Motor *Motor){    uint8_t tx_data[8] = {0};     txMsg.ExtId = Communication_Type_MotorEnable<<24|Master_CAN_ID<<8|Motor->CAN_ID;    can_txd();}
/** * @brief 停止电机 * @param[in] Motor:对应控制电机结构体 * @param[in] clear_error:清除错误位（0 不清除 1清除） * @retval None */void stop_cybergear(MI_Motor *Motor,uint8_t clear_error){    uint8_t tx_data[8]={0};    tx_data[0]=clear_error;//清除错误位设置    txMsg.ExtId = Communication_Type_MotorStop<<24|Master_CAN_ID<<8|Motor->CAN_ID;    can_txd();}
/** * @brief 设置电机模式(必须停止时调整！) * @param[in] Motor: 电机结构体 * @param[in] Mode: 电机工作模式（1.运动模式Motion_mode 2. 位置模式Position_mode 3. 速度模式Speed_mode 4. 电流模式Current_mode） * @retval none */void set_mode_cybergear(MI_Motor *Motor,uint8_t Mode){        Set_Motor_Parameter(Motor,Run_mode,Mode,'s');}
/** * @brief 电流控制模式下设置电流 * @param[in] Motor: 电机结构体 * @param[in] Current:电流设置 * @retval none */void set_current_cybergear(MI_Motor *Motor,float Current){    Set_Motor_Parameter(Motor,Iq_Ref,Current,'f');}
/** * @brief 设置电机零点 * @param[in] Motor: 电机结构体 * @retval none */void set_zeropos_cybergear(MI_Motor *Motor){    uint8_t tx_data[8]={0};    txMsg.ExtId = Communication_Type_SetPosZero<<24|Master_CAN_ID<<8|Motor->CAN_ID;    can_txd();        }
/** * @brief 设置电机CANID * @param[in] Motor: 电机结构体 * @param[in] Motor: 设置新ID * @retval none */void set_CANID_cybergear(MI_Motor *Motor,uint8_t CAN_ID){    uint8_t tx_data[8]={0};    txMsg.ExtId = Communication_Type_CanID<<24|CAN_ID<<16|Master_CAN_ID<<8|Motor->CAN_ID;    Motor->CAN_ID = CAN_ID;//将新的ID导入电机结构体    can_txd();    }/** * @brief 小米电机初始化 * @param[in] Motor: 电机结构体 * @param[in] Can_Id: 小米电机ID(默认0x7F) * @param[in] Motor_Num: 电机编号 * @param[in] mode: 电机工作模式（0.运动模式Motion_mode 1. 位置模式Position_mode 2. 速度模式Speed_mode 3. 电流模式Current_mode） * @retval none */void init_cybergear(MI_Motor *Motor,uint8_t Can_Id, uint8_t mode){    txMsg.StdId = 0;            //配置CAN发送：标准帧清零     txMsg.ExtId = 0;            //配置CAN发送：扩展帧清零     txMsg.IDE = CAN_ID_EXT;     //配置CAN发送：扩展帧    txMsg.RTR = CAN_RTR_DATA;   //配置CAN发送：数据帧    txMsg.DLC = 0x08;           //配置CAN发送：数据长度
    Motor->CAN_ID=Can_Id;       //ID设置     set_mode_cybergear(Motor,mode);//设置电机模式    start_cybergear(Motor);        //使能电机}
/** * @brief 小米运控模式指令 * @param[in] Motor: 目标电机结构体 * @param[in] torque: 力矩设置[-12,12] N*M * @param[in] MechPosition: 位置设置[-12.5,12.5] rad * @param[in] speed: 速度设置[-30,30] rpm * @param[in] kp: 比例参数设置 * @param[in] kd: 微分参数设置 * @retval none */void motor_controlmode(MI_Motor *Motor,float torque, float MechPosition, float speed, float kp, float kd){       uint8_t tx_data[8];//发送数据初始化    //装填发送数据    tx_data[0]=float_to_uint(MechPosition,P_MIN,P_MAX,16)>>8;      tx_data[1]=float_to_uint(MechPosition,P_MIN,P_MAX,16);      tx_data[2]=float_to_uint(speed,V_MIN,V_MAX,16)>>8;      tx_data[3]=float_to_uint(speed,V_MIN,V_MAX,16);      tx_data[4]=float_to_uint(kp,KP_MIN,KP_MAX,16)>>8;      tx_data[5]=float_to_uint(kp,KP_MIN,KP_MAX,16);      tx_data[6]=float_to_uint(kd,KD_MIN,KD_MAX,16)>>8;      tx_data[7]=float_to_uint(kd,KD_MIN,KD_MAX,16); 
    txMsg.ExtId = Communication_Type_MotionControl<<24|float_to_uint(torque,T_MIN,T_MAX,16)<<8|Motor->CAN_ID;//装填扩展帧数据    can_txd();}
/*****************************回调函数 负责接回传信息 可转移至别处*****************************//** * @brief hal库CAN回调函数,接收电机数据 * @param[in] hcan:CAN句柄指针 * @retval none */void HAL_CAN_RxFifo1MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan){    //HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin); //LED闪烁指示    HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO1, &rxMsg, rx_data);//接收数据    Motor_Can_ID=Get_Motor_ID(rxMsg.ExtId);//首先获取回传电机ID信息     switch(Motor_Can_ID)                   //将对应ID电机信息提取至对应结构体    {        case 0X7F:              if(rxMsg.ExtId>>24 != 0)               //检查是否为广播模式                Motor_Data_Handler(&mi_motor[0],rx_data,rxMsg.ExtId);            else                 mi_motor[0].MCU_ID = rx_data[0];            break;                   default:            break;            }}

/** ****************************(C)SWJTU_ROBOTCON**************************** * @file cybergear.c/h * @brief 小米电机函数库 * @note * @history * Version Date Author Modification * V1.0.0 1-10-2023 ZDYukino 1. done * @verbatim ========================================================================= ========================================================================= @endverbatim ****************************(C)SWJTU_ROBOTCON**************************** **/#include "main.h"#include "can.h"//控制参数最值，谨慎更改#define P_MIN -12.5f#define P_MAX 12.5f#define V_MIN -30.0f#define V_MAX 30.0f#define KP_MIN 0.0f#define KP_MAX 500.0f#define KD_MIN 0.0f#define KD_MAX 5.0f#define T_MIN -12.0f#define T_MAX 12.0f#define MAX_P 720#define MIN_P -720//主机CANID设置#define Master_CAN_ID 0x00 //主机ID//控制命令宏定义#define Communication_Type_GetID 0x00 //获取设备的ID和64位MCU唯一标识符#define Communication_Type_MotionControl 0x01 //用来向主机发送控制指令#define Communication_Type_MotorRequest 0x02 //用来向主机反馈电机运行状态#define Communication_Type_MotorEnable 0x03 //电机使能运行#define Communication_Type_MotorStop 0x04 //电机停止运行#define Communication_Type_SetPosZero 0x06 //设置电机机械零位#define Communication_Type_CanID 0x07 //更改当前电机CAN_ID#define Communication_Type_Control_Mode 0x12#define Communication_Type_GetSingleParameter 0x11 //读取单个参数#define Communication_Type_SetSingleParameter 0x12 //设定单个参数#define Communication_Type_ErrorFeedback 0x15 //故障反馈帧//参数读取宏定义#define Run_mode 0x7005 #define Iq_Ref 0x7006#define Spd_Ref 0x700A#define Limit_Torque 0x700B#define Cur_Kp 0x7010#define Cur_Ki 0x7011#define Cur_Filt_Gain 0x7014#define Loc_Ref 0x7016#define Limit_Spd 0x7017#define Limit_Cur 0x7018
#define Gain_Angle 720/32767.0#define Bias_Angle 0x8000#define Gain_Speed 30/32767.0#define Bias_Speed 0x8000#define Gain_Torque 12/32767.0#define Bias_Torque 0x8000#define Temp_Gain 0.1
#define Motor_Error 0x00#define Motor_OK 0X01
enum CONTROL_MODE   //控制模式定义{    Motion_mode = 0,//运控模式     Position_mode,  //位置模式    Speed_mode,     //位置模式     Current_mode    //电流模式};enum ERROR_TAG      //错误回传对照{    OK                 = 0,//无故障    BAT_LOW_ERR        = 1,//欠压故障    OVER_CURRENT_ERR   = 2,//过流    OVER_TEMP_ERR      = 3,//过温    MAGNETIC_ERR       = 4,//磁编码故障    HALL_ERR_ERR       = 5,//HALL编码故障    NO_CALIBRATION_ERR = 6//未标定};
typedef struct{           //小米电机结构体    uint8_t CAN_ID;       //CAN ID    uint8_t MCU_ID;       //MCU唯一标识符[后8位，共64位]    float Angle;          //回传角度    float Speed;          //回传速度    float Torque;         //回传力矩    float Temp;
    uint16_t set_current;    uint16_t set_speed;    uint16_t set_position;
    uint8_t error_code;
    float Angle_Bias;
}MI_Motor;extern MI_Motor mi_motor[4];//预先定义四个小米电机
extern void chack_cybergear(uint8_t ID);extern void start_cybergear(MI_Motor *Motor);extern void stop_cybergear(MI_Motor *Motor, uint8_t clear_error);extern void set_mode_cybergear(MI_Motor *Motor, uint8_t Mode);extern void set_current_cybergear(MI_Motor *Motor, float Current);extern void set_zeropos_cybergear(MI_Motor *Motor);extern void set_CANID_cybergear(MI_Motor *Motor, uint8_t CAN_ID);extern void init_cybergear(MI_Motor *Motor, uint8_t Can_Id, uint8_t mode);extern void motor_controlmode(MI_Motor *Motor,float torque, float MechPosition, float speed, float kp, float kd);

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