小米电机CyberGear STM32HAL 使用指南

小米电机CyberGear STM32HAL 使用指南

在23年8月底 小米正式发售了用于其铁蛋2代的小米“微电机”,准确来说就是目前机器人方向流行的关节电机。根据其参数可知,在同等重量下,小米此款电机不仅在额定扭矩上达到了4NM,峰值扭矩达到了12NM的水平,同时在价格上也基本上算是全网最低。笔者也是通过预购,在发售之初拿到了“年轻人的第一个微电机”。故想发出此文,和各位一起,通过最简单,最流行的硬件,完成对电机的基础控制。

硬件介绍

由于小米电机采用了当前在关节电机行业上比较流行的TX30 2+2的接口,通过一个接口就可以同时完成信号和供电的传输,使得线路连接非常简单,且几乎不存在反插问题(CAN信号线需要额外注意与控制板的连接顺序)。但是此种连接方式还是有些细节方面的问题,比如插头连接松动,端子容易虚焊或损坏,以及价格偏贵等问题,故在使用此种插头时,一定要确保连接可靠,同时can信号线最好需要严格双绞以保证型号传输的稳定性。

主控方面,笔者采用的是自己设计的用来做其他项目的F103C6T6主控,包含了采用VP230的can通信硬件电路,故使用此板作为电机控制实验的主控板,其中CAN接口采用2.54 3P的接口。

至此,完成控制电路的硬件连接。

软件编写

新建一个工程,采用CUBEMX进行工程建立,极大地提高了效率,降低了学习成本。
选择了对应芯片之后,完成基础配置:外置晶振,DEBUG,UART,TIM2定时器(2ms中断)以及CAN通信:

时钟配置(8MHz外置晶振,主控倍频至72MHz)

can配置(1M波特率,CAN接收中断)

uart配置(115200波特率,DMA接收中断)

TIM配置(2ms定时中断)


生成工程

其他
自行配置LED GPIO等 方便调试

首次生成工程编译通过之后,进行系统初始化:

  /* USER CODE BEGIN 2 */
	//CAN过滤器初始化
	CAN_FilterTypeDef can_filter_st;
    can_filter_st.FilterActivation = ENABLE;
    can_filter_st.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
    can_filter_st.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
    can_filter_st.FilterIdHigh = 0x0000;
    can_filter_st.FilterIdLow = 0x0000;
    can_filter_st.FilterMaskIdHigh = 0x0000;
    can_filter_st.FilterMaskIdLow = 0x0000;
    can_filter_st.FilterBank = 0;
    can_filter_st.FilterFIFOAssignment = CAN_RX_FIFO0;
    can_filter_st.SlaveStartFilterBank = 14;
    HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &can_filter_st);
    HAL_CAN_Start(&hcan);
    HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
    
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);//定时中断初始化
  /* USER CODE END 2 */

导入笔者编写的cybergear.c/.h文件,并加入编译目录中(不会的话移步其他人的基础教程)

至此,完成控制电机的全部准备工作。

控制电机:

对于控制电机的命令,大致分为三种:

1. 启停控制: 需要让电机运动起来,首先需通过命令要开启电机,电机开启之后会有轻微震动。
2. 运动控制: 使用运控指令完成对电机的控制,一般将其放入一个中断内定时调用,以期精细控制并及时得到回传数据。
3. 数据读取: 一般用于更改电机的参数,一般在首次使用或者更换使用场景,调整电机性能时对电机使用。

调试电机:

1.调用初始化函数,设置电机工作模式,使能电机

  /* USER CODE BEGIN 2 */
   	HAL_Delay(500);              //一定时间延时 等待电机初始化完成 
	init_cybergear(&mi_motor[0], 0x7F, Motion_mode);//小米电机 启动!
  /* USER CODE END 2 */

2.调用运动控制函数(放入主循环或者中断中),控制电机转动

  /* USER CODE BEGIN 3 */
      motor_controlmode(&mi_motor[0], 0, 0, 0, 0 , 0);  
      HAL_Delay(2);
  /* USER CODE END 3 */

运控函数使用可通过官方说明书给出的传递函数作为参考,完成对电机的控制。

其中,有三种典型控制方法:

• 力矩控制:仅输入力矩,其他均为0,即为纯力矩模式,单位为NM,注意在无负载情况下,很容易达到最大转速;
• 速度控制:输入期望速度,kd,其他均为0,即为速度控制模式,其中kd大小影响其响应速度,一般可取0.1-1;
• 位置控制:输入期望位置,kp,kd,其他均为0,即为位置控制模式,其中kp大小影响响应速度(到达位置快慢),kd大小影响着电机阻尼,过小会震荡,过大电机会震动明显。kp一般1-10,kd一般0.5左右。
• 其他控制方式就有待广大爱好者发掘,这里不再深究。

踩坑:

由于笔者在首次调试的时候没有官方can转usb调试器,无法通过官方上位机调试故只能盲调,控制电机几经失败后发现小米电机出厂ID为极其阴间的0X7F,其他踩坑暂无。

最后:

感谢广大群友相助,在此为两大关节电机群打个广告:
174204312 达妙电机交流群
869911140 大然电机交流群
特别的，借鉴并参考了乌苏哥写的小米电机STM32库函数
本文也是笔者首次编写,如有不足,错误之处,烦请各位大佬指正。

附上代码

cybergear.c

/**
  ****************************(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"

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ID
uint8_t byte[4];          //转换临时数据
uint32_t send_mail_box = {0};//NONE
    
#define can_txd() HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &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<<bits)-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:  控制电机CAN_ID【出厂默认0x7F】
  * @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_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
    HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin);              //LED闪烁指示
    HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &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;		
    }
}

cybergear.h文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-714527.html

/**
  ****************************(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,     //速度模式  
    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;			  //回传温度
	
	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);

到了这里，关于小米电机CyberGear STM32HAL 使用指南的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！