舵机与电机控制
舵机和电机是机器人执行器的两大基石。本章从物理原理讲起，介绍两者的控制方式，并重点说明 GSRL 中 CAN 总线电机的控制架构。
上一篇：定时器与 PWM
1. 舵机（Servo）
1.1 物理结构
舵机是一个闭环角度伺服系统，内部集成了：
┌─────────────────────────────────────────┐
│ 舵机内部 │
│ │
│ PWM 信号 ──→ ┌─────────┐ │
│ │ 控制电路 │ │
│ └────┬────┘ │
│ │ │
│ ┌────▼────┐ │
│ │ 直流电机 │──→ 齿轮组 ──→ 输出轴
│ └─────────┘ │
│ │ │
│ ┌────▼────┐ │
│ │ 电位器 │←── 反馈角度 │
│ │(位置反馈)│ │
│ └─────────┘ │
└─────────────────────────────────────────┘
- 直流电机：提供动力
- 齿轮组：减速增扭，同时放大了位置精度
- 电位器：实时测量输出轴的角度
- 控制电路：比较目标位置（PWM 信号）和实际位置（电位器），驱动电机消除误差
1.2 控制方式
舵机通过 PWM 信号的脉宽控制角度（见上一章）。重要的是：
- 舵机内部自带 PID 控制（PID 算法详见 GSRL Algorithm 层），只需要给定目标位置信号
- 普通舵机角度范围约 180°，旋转角度由内部机械限位决定
- 总线舵机（如 Dynamixel）通过 UART/RS485 收发数字指令，可反馈位置、速度、电流
1.3 关键参数
| 参数 | 典型值 | 含义 |
|---|---|---|
| 工作电压 | 4.8V ~ 7.4V | 供电电压越高，扭矩和速度越大 |
| 堵转扭矩 | 15 ~ 40 kg·cm | 输出轴能承受的最大负载 |
| 响应速度 | 0.1 ~ 0.2 s/60° | 转动 60° 所需时间 |
| 死区 | 1~2 μs | 脉宽变化小于死区时舵机不响应 |
| 控制频率 | 50Hz (20ms) | 大部分舵机的标准控制频率 |
2. 直流有刷电机
2.1 基本原理
直流有刷电机通过电刷和换向器使转子线圈中的电流方向不断切换，从而在永磁体磁场中持续旋转。
简化模型：
N N N
┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐
│ →→→ │ │ ↑↑↑ │ │ ←←← │ ← 转子线圈（电流方向随换向器翻转）
└─────┘ └─────┘ └─────┘
S S S
换向器 (换角度后电流反向，维持同一方向的电磁力)
2.2 控制方式：H 桥驱动
H 桥通过 4 个开关管（MOSFET）控制电机的转向和转速：
VCC
│
┌────┴────┐
│ S1 S3 │ S1+S4 导通 → 正转
│ M │ S2+S3 导通 → 反转
│ S2 S4 │ S1+S2 或 S3+S4 同时导通 → 短路（禁止！）
└────┬────┘ 占空比 0% ~ 100% → 调速
│
GND
PWM 信号控制 H 桥开关管的导通时间，实现电压调速。
3. 无刷直流电机（BLDC）
3.1 为什么要无刷
有刷电机的电刷是磨损件（接触摩擦、产生火花），高速高功率场景下寿命短、EMI 大。此外，电刷与换向器之间的火花会产生电气噪声（电弧），干扰传感器和无线电通信——在机器人中，这可能导致 IMU 数据抖动或遥控信号丢包。无刷电机效率约 85%~90%，远高于有刷电机的 70%~75%，同等电池容量下续航更长。同时，无刷电机功率密度更高——相同体积下能输出更大的扭矩，这对于空间紧张的机器人关节至关重要。
无刷电机将永磁体放在转子上，线圈放在定子上，通过电子换向代替机械换向。
无刷电机结构:
┌──────────┐
│ 定子线圈 │ ← 固定不动
┌─────┼──────────┼─────┐
│ │ ┌──┐ │ │
│ │ │永│ │ │ ← 转子旋转
│ │ │磁│ │ │
│ │ │体│ │ │
│ │ └──┘ │ │
└─────┴──────────┴─────┘
3.2 FOC（磁场定向控制）原理简述
比赛机器人中常用的高性能电机（大疆 M3508、达妙 DM4310 等）都使用 FOC 控制：
┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐
│ 目标扭矩 │ → │ PID 控制 │ → │ 坐标变换 │ → │ SVPWM │ → 三相桥 → 电机
│ (电流) │ │ (电流环) │ │ Clarke │ │ (空间矢量)│
└──────────┘ └──────────┘ │ Park │ └──────────┘
└──────────┘
↑
┌──────────┐
│ 角度传感器│ ← 编码器/霍尔
└──────────┘
FOC 的核心思想：通过数学变换（Clarke + Park），将三相交流电流转化为等效的直流电流进行控制（转矩电流 Iq 和励磁电流 Id），大幅简化了控制模型。
3.3 为什么用 FOC 而不是简单的六步换相
六步换相（方波驱动）是最简单的 BLDC 控制方式：依次给三相线圈中的两相通电，每 60° 电角度切换一次。它实现简单，但存在固有缺陷——每次换相时刻，电流方向突变导致转矩脉动，电机会产生明显的振动和噪音。
FOC（磁场定向控制）则完全不同：它通过实时测量转子角度，用数学变换（Clarke + Park）将三相交流电流分解为转矩电流 Iq 和励磁电流 Id，然后像控制直流电机一样分别控制它们。FOC 的电流矢量连续平滑旋转，产生的转矩也连续平滑——没有换相突变，没有振动。
在云台（gimbal）应用中，这一差异至关重要：六步换相的振动会导致相机画面抖动，而 FOC 的平滑转矩是实现稳定拍摄的基础。这就是为什么大疆 M3508、达妙 DM4310 等比赛电机全部采用 FOC 的原因。
关键认知：FOC 控制中的电机驱动器（如大疆 C620 电调、达妙电机内置驱动板）已经实现了电流环 FOC，用户只需通过 CAN 总线发送目标电流值。这意味着我们不需要自己写 FOC，只需要做好通信层和控制层。
3.4 为什么用 CAN 总线电机而不是 PWM 电机
传统 PWM 电机控制是单向的——MCU 通过 PWM 占空比告诉电机"转多快"，但电机无法向 MCU 返回任何信息。想获得位置反馈？需要额外接编码器线。想知道电流和温度？需要额外接传感器。一个电机至少需要 3 根线（PWM + 编码器 A + 编码器 B），6 个电机就是 18 根线。
CAN 总线电机是双向的——MCU 发送目标电流/位置/速度指令，电机同时回报当前角度、转速、转矩电流、温度。这种反馈是实现闭环控制的前提——PID 控制器需要知道当前位置才能计算下一步输出。此外，CAN 总线只需 CAN_H 和 CAN_L 两根线，就能菊花链串联数十个电机，大幅简化布线。在 RoboMaster 机器人中，8 个关节电机通过两根 CAN 线即可全部连接，如果用 PWM + 编码器方案，线缆数量将超过 30 根。
4. GSRL 中的电机控制架构
4.1 电机控制的三层结构
GSRL 中的电机控制是一个经典的闭环控制系统：
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ 控制层 (Control) │
│ │
│ 目标位置/速度 ─→ PID 控制器 ─→ 目标电流/电压 │
│ ↑ │ │
│ │ │ │
│ 实际位置/速度 (反馈) │ │
│ │ │ │
├───────┼──────────────────────────────┼───────────┤
│ │ 通信层 (CAN) │ │
│ │ │ │
│ CAN 反馈帧 ←──────────────→ CAN 控制帧 │
│ │ │ │
├───────┼──────────────────────────────┼───────────┤
│ │ 物理层 (电机驱动板) │ │
│ │
│ 编码器 → 驱动板 → 三相桥 → BLDC 电机 │
└──────────────────────────────────────────────────┘
4.2 Motor 基类的设计
GSRL 的 Motor 类（dvc_motor.hpp）封装了所有电机共有的控制逻辑：
class Motor {
protected:
// 通信
uint32_t m_motorControlMessageID; // CAN 控制帧 ID
uint32_t m_motorFeedbackMessageID; // CAN 反馈帧 ID
uint8_t m_motorControlData[8]; // CAN 控制数据（发送）
uint8_t m_motorFeedbackData[8]; // CAN 反馈数据（接收）
// 当前状态（从 CAN 反馈中解析）
fp32 m_currentAngle; // 当前角度 (rad)
fp32 m_currentAngularVelocity; // 当前角速度 (rad/s)
int16_t m_currentTorqueCurrent; // 当前转矩电流
int8_t m_temperature; // 温度
bool m_isMotorConnected; // 是否在线
// 目标状态（由上层控制算法设定）
fp32 m_targetAngle;
fp32 m_targetAngularVelocity;
int16_t m_targetTorqueCurrent;
// 控制器
Controller *m_controller; // PID 控制器接口
fp32 m_controllerOutput; // 控制器输出
public:
// 闭环控制（多种模式）
fp32 angleClosedloopControl(); // 位置闭环
fp32 angularVelocityClosedloopControl(); // 速度闭环
int16_t torqueCurrentClosedloopControl(); // 电流闭环
fp32 revolutionsClosedloopControl(); // 圈数闭环
void openloopControl(fp32 controlValue); // 开环控制
};
4.3 支持的电机类型
GSRL 通过继承 Motor 基类，支持多种 CAN 总线电机：
| 类名 | 电机型号 | 通信协议 |
|---|---|---|
MotorGM6020 |
大疆 GM6020 | 大疆 CAN 协议，一控多（电压控制） |
MotorM3508 |
大疆 M3508 | 大疆 CAN 协议（电流控制） |
MotorM2006 |
大疆 M2006 | 与 M3508 协议兼容 |
MotorDM4310 |
达妙 DMJ4310 | 达妙 MIT 模式（力矩控制） |
MotorDM2325 |
达妙 DM-S2325 | 与 DMJ4310 协议兼容 |
MotorDMmulti |
达妙一控四固件 | 达妙力位混控模式 |
MotorLKMG |
瓴控 MG 系列 | 瓴控协议 |
4.4 完整控制流程示例
以 tsk_test.cpp 中的达妙电机控制为例：
// 1. 声明 PID 控制器
SimplePID::PIDParam param = {
10.0f, // Kp
0.0f, // Ki
0.0f, // Kd
100.0f, // outputLimit
0.0f // intergralLimit
};
SimplePID myPID(SimplePID::PID_POSITION, param);
// 2. 声明电机对象（ID=1, MasterID=3, PMAX=PI, VMAX=40, TMAX=15）
MotorDM4310 motor(1, 3, 3.1415926f, 40, 15, &myPID);
// 3. 在任务中初始化 CAN
CAN_Init(&hcan1, can1RxCallback);
// 4. 主循环：1ms 周期
while (1) {
motor.openloopControl(sinf(2 * PI * 0.5f * xTaskGetTickCount() / 1000));
// 将控制数据通过 CAN 发送给电机
const uint8_t *data = motor.getMotorControlData();
HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan1, motor.getMotorControlHeader(), data, &send_mail_box);
vTaskDelayUntil(&taskLastWakeTime, 1);
}
// 5. ISR 中接收反馈
void can1RxCallback(can_rx_message_t *pRxMsg) {
motor.decodeCanRxMessageFromISR(pRxMsg);
}
数据流：
1ms 任务循环:
motor.openloopControl() ← 计算控制量
→ motor.getMotorControlHeader() ← 获取 CAN 帧头
→ motor.getMotorControlData() ← 获取 CAN 数据
→ HAL_CAN_AddTxMessage() ← 通过 CAN1 发出
CAN 中断:
CAN1_RX0_IRQHandler()
→ HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback()
→ can1RxCallback()
→ motor.decodeCanRxMessageFromISR() ← 更新电机当前状态
5. 舵机 vs 电机对比
| 特性 | 舵机 | 直流有刷电机 | CAN 总线 BLDC |
|---|---|---|---|
| 控制接口 | PWM 脉宽 | PWM 占空比（H 桥） | CAN 总线数字指令 |
| 控制量 | 角度（位置） | 电压/转速 | 转矩电流（FOC） |
| 反馈 | 无（内部闭环） | 无（需编码器） | 角度/速度/电流/温度 |
| 精度 | ±1° | 取决于编码器 | 编码器精度（可达 0.01°） |
| 使用的控制器 | 舵机内置 | 需要外部 PID | 电机内置电流环 + 外置位置/速度 PID |
| GSRL 中的角色 | 较少使用 | 较少使用 | 主力执行器 |
6. 总结
| 要点 | 说明 |
|---|---|
| 舵机 | 内置闭环的角位置伺服，PWM 脉宽控制角度 |
| 直流有刷电机 | H 桥驱动，PWM 占空比调速，电刷是磨损件 |
| BLDC + FOC | 电子换向，CAN 总线控制，驱动器内置电流环 |
| GSRL Motor 体系 | 基类封装闭环控制，继承类适配不同 CAN 协议 |
| 控制流程 | 任务中 PID 计算 → CAN 发送 → ISR 中接收反馈 → 更新状态 |
与 GSRL 的关系
GSRL 中几乎所有机器人关节都由 CAN 总线电机驱动。Motor 基类定义了位置/速度/电流闭环的接口，SimplePID / CascadePID 作为控制器实现，CAN Driver 负责数据传输。这种分层设计使得同一控制算法可以无缝切换不同品牌的电机——只需替换继承类。
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作者: Qing | 修改日期: 2026-07-18