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外设与驱动 · motor

1. 模块概述​

  • 主要功能：Motor 组件是一个统一的电机控制框架，位于机器人外设层。它为不同类型的电机（PWM、CAN、UART、EtherCAT）提供标准化的 API 接口，实现“一次开发，多协议适配”，简化了复杂机器人系统中多协议电机驱动的集成工作。
  • 规格或特性：
    • 接口形态：支持 GPIO/PWM、CAN、UART (RS485/RS232) 及 EtherCAT (基于 IGH 主站)。
    • 控制模式：支持空闲 (IDLE)、速度 (VEL)、位置 (POS)、力矩 (TRQ)、MIT 阻抗控制 (HYBRID) 以及 EtherCAT 同步模式 (CSP/CSV/PP/PV/HM)。
    • API 特性：支持向量化批量操作 api，具备自动驱动注册机制。

软件框图：

  • 相关目录结构：
    路径职责
    include/motor.h统一的对外 API 头文件
    src/motor_core.c电机管理核心逻辑与工厂函数
    src/drivers/drv_485_ddt_m601c111/本末 M0601C111 RS485 电机驱动实现
    src/drivers/drv_can_ddt_m152d133/本末 M152D133 CAN 电机驱动实现
    src/drivers/drv_can_ddt_p1010b/本末 P1010B CAN 电机驱动实现
    src/drivers/drv_can_dm/达妙 CAN 电机驱动实现
    src/drivers/drv_canopen_jmc/JMC CANOpen 电机驱动实现
    src/drivers/drv_ethercat_jmc/JMC EtherCAT 电机驱动实现
    src/drivers/drv_pwm_generic.c通用 PWM 电机驱动实现
    src/drivers/drv_pwm_RoHS.cRoHS PWM 电机驱动实现
    src/drivers/drv_uart_ddt_m603c111/本末 M0603C UART 电机驱动实现
    src/drivers/drv_uart_feetech/Feetech UART 舵机驱动实现
    src/drivers/drv_uart_xl330/Reachy Mini xl330 电机驱动实现
    tests/各类电机的功能测试代码

2. 环境准备​

前置条件​

  • 运行环境：Linux 系统（推荐 Ubuntu 20.04+），支持 x86_64 架构。

  • 硬件与连接：

    • PWM：连接具备 PWM 输出能力的 GPIO 引脚。
    • CAN：使用 CAN 转 USB 适配器或板载 CAN 接口，确认 120Ω 终端电阻。
    • UART：连接 USB 线缆。
    • EtherCAT：连接带 EtherCAT 从站接口的伺服驱动器。

  • 工具与权限：

    • 权限：需要 sudo 或将用户加入 dialout (UART)、gpio (PWM) 组。
    • 配置：CAN 接口需开启（如 sudo ip link set can0 up type can bitrate 1000000）。

构建编译​

  • 获取代码： 
    # 单组件获取
    mkdir spacemit_robot && cd spacemit_robot  # SDK 根目录

    repo init -u https://github.com/spacemit-robotics/manifest.git -b main -m default.xml \
    --repo-url=https://gitee.com/spacemit-robotics/git-repo \
    -g core,peripherals

    repo sync -j4

如需全量获取，请参考 SDK快速入门

  • 本模块编译：
    • 方式 1：独立编译 
      cd components/peripherals/motor
      mkdir build && cd build
      cmake ..
      make -j$(nproc)
    • 方式 2：SDK 集成编译 (推荐) 
      source build/envsetup.sh # SDK 根目录下
      lunch  # 按需求选择方案
      m      # 编译整个系统
      # 或
      cd components/peripherals/motor
      mm     # 仅编译本模块
  • 产物名称：测试可执行文件输出至 build/ (独立编译) 或系统 output/staging/bin 路径 (SDK 编译)。

3. 示例使用（从 0 跑通）​

注意：如果选择 SDK 集成编译方式，使用不同的电机需要根据方案使能驱动

根据所选方案，可在对应的配置文件中启用或禁用组件/包的编译。若需排除特定包，将其从配置中移除即可。

ls target/k3-*
target/k3-com260-mars.json        target/k3-humanoid-h1_2.json
target/k3-com260-minimal.json     target/k3-humanoid-qinglong.json
target/k3-com260-reach-mini.json  target/k3-humanoid-r1.json
target/k3-humanoid-asimov.json    target/k3-humanoid-tiangong.json
target/k3-humanoid-g1.json        target/k3-humanoid-tinker.json
target/k3-humanoid-go1.json

以 k3-com260-minimal.json 为例

{
  "version": "1.0",
  "board": "k3-com260",
  "product": "minimal",
  "description": "K3 COM260 board - minimal build configuration",
  "enabled_packages": [
    "components/peripherals/motor"
  ],
  "enabled_package_options": {
    "components/peripherals/motor": { "enabled_drivers": ["drv_uart_xl330","drv_uart_feetech"] }
  },
  "options": {
    "parallel_jobs": 4,
    "auto_resolve_dependencies": true
  }
}

使能 xl330 电机驱动、飞特电机驱动

3.1 【PWM 电机测试】​

前置：硬件连接具备 PWM 驱动能力的 GPIO 引脚。

步骤 1：运行测试程序。

test_motor_pwm

步骤 2：预期现象。

  • 终端显示 PWM 初始化成功。
  • 电机根据预设频率进行运动。

3.2 【CAN 电机测试】​

前置：

  1. 硬件：完成开发板与电机的 CAN 连接，确认电机通信速率 达妙电机接线图

  • 达妙：DM-J4310 CAN 电机、48V电源、电源（含 CAN 通信端子）连接线：XT30(2+2)-F 插头连接线×1

  • 本末：M152D133 CAN 电机、24V电源 电机的 can_h、can_l 分别与开发板的 can_h、can_l 相连

  • 本末：P1010B CAN 电机、24V电源、电源连接线 XT30PW-M、信号连接线 GH1.25-2PWBPZ×1 电机的 can_h、can_l 分别与开发板的 can_h、can_l 相连

  1. 软件：设置总线通信速率，匹配目标电机 
    sudo ip link set can0 up type can bitrate 1000000

步骤 1：运行示例程序。

# 达妙 J4310 CAN 电机（默认测试 ID 为 0x02 的电机
test_motor_can --driver drv_can_dm --if can0 --id 0x02

# 本末 M152D133 CAN 电机
test_motor_can_ddt_m152d133

# 本末 P1010B CAN 电机 (注意：该程序验证多模式切换，受组帧机制限制，需注意制动和单参数配置约束)
test_motor_can_ddt_p1010b

步骤 2：预期现象。

  • 终端实时打印电机的 pos (rad)、vel (rad/s) 和 trq (Nm) 数据。
  • 电机平滑运动。

3.3 【UART 舵机/电机测试】​

前置：

  1. 硬件：

  • feetech - 总线舵机驱动板

  • 本末 M0603C UART 电机、14.4V电源、USB-TTL、电源&信号连接线 1.5T-1-4Y 电机的 RX 和 TX 分别与 USB转 TTL 模块的 RX 和 TX 连接,注意两者的 RX、TX 需交错连接，即电机 RX 接模块 TX，电机 TX 接模块 RX；另外 USB 转 TTL 模块的 GND 需和电源负极相连，即 USB 转 TTL 模块和电机共地 接线端子序号

  • 本末 M0601C111 RS485 电机、18V电源、电源连接线 XH2.542P、信号连接线 ZH1.54P、USB-485 模块 USB-485 A、B 分别与本末电机 信号线 ZH1.5*4P 的 A、B 相连， 接线端子序号如图

  1. 连接 Feetech 或 Dynamixel (XL/XC) 电机至串口（如 /dev/ttyACM0），确认权限。

步骤 1：运行 Feetech 舵机测试。

# 格式：test_motor_uart <串口> <波特率> <驱动名（默认drv_uart_feetech）> <电机数量>
test_motor_uart /dev/ttyACM0 1000000 drv_uart_feetech 1

步骤 2：运行 Reachy Mini (XL330/XC330) 电机测试。

test_uart_xl330 /dev/ttyACM0 # 默认测试 ID 为 10（机器人 body-yaw） 的电机

步骤 3：本末 (DDT) 串口电机测试。

# 本末 M0603C UART 电机（建议使用 ID=1）
# 警告：位置模式长期运行会存在积分漂移现象，请避免直接从开环/速度环切回位置环，必要时应重启。
test_motor_uart_ddt_m603c111 /dev/ttyUSB0

# 本末 M0601C111 RS485 电机（最高 500Hz 通信，一问一答）
test_motor_485_ddt_m601c111 /dev/ttyUSB0 1

步骤 4：预期现象。

  • 舵机/电机转动至目标角度并反馈实时位置。

3.4 【EtherCAT 伺服电机测试】​

前置：​

  1. 硬件上电，网络连接至带 IGH 主站的 Linux 主机网口，运行ls /dev/Ether* 确认设备节点开启

  2. 如有多台电机，请确保 电机 1 的 OUT 口和电机 2 的 IN 口相连，形成闭环

  3. 替换 deb

    注意：此 deb 修改网口为 ethercat，仅适用 2.2 章节 推荐镜像

    eth1: ethernet@cac82000 {
    -      compatible = "spacemit,k3-gmac", "snps,dwmac-5.10a";
    +      compatible = "spacemit,k3-ec-gmac", "snps,dwmac-4.20a";
          reg = <0x0 0xcac82000 0x0 0x2000>;
          ...
    }
    • 获取
    wget -r -np -nd -R "index.html*" https://archive.spacemit.com/ros2/k3-image-rc4-ethercat/
    • 替换
    dpkg -i linux-image-6.18.3-generic_6.18.3-20260506145840_riscv64.deb
    • 重启生效
    reboot

  4. 运行ethercat slaves 确认从站在线。

    如无输出优先检查接线和供电

测试​

步骤 1：运行运动测试。

test_motor_ecat #默认测试两台电机

-------------------------------
用法: test_motor_ecat [选项]
选项:
  -m, --motors N    电机数量 (默认 2, 最大 10)
  -c, --cycle MS    控制周期 (默认 2 ms)
  -h, --help        显示帮助信息

注意：此程序建议不要在串口终端执行，日志打印会严重阻塞 ethercat 通信，如果必须在串口终端，请增大控制周期至 5 ms 以上

步骤 2：关键逻辑确认。

  • 等待使能：程序将循环等待直到从站进入 OPERATION_ENABLED 状态（CiA402 状态 0x0027）。建议稳定 100ms 后再发送非零位指令。

步骤 3：预期现象。

  • 电机使能，进入位置/速度循环模式。

3.5 【CANOpen 伺服电机测试】​

前置：

  1. 硬件：完成 JMC 伺服电机的 CAN 连接，确认总线速率。

    canopen电机接线图

  2. 软件：开启 CAN 接口（如 sudo ip link set can0 up type can bitrate 1000000，请根据驱动器拨码配置修改）。

步骤 1：运行运动测试。

# 默认测试 ID 为 1 的 CANOpen 电机，控制周期 10ms
test_motor_canopen_jmc --motors 1 --cycle 10 -v

步骤 2：关键特性与逻辑（详见 src/drivers/drv_canopen_jmc/README.md）。

  • 状态机自动托管：底层的独立后台线程会自动通过 NMT 和 TPDO/RPDO 报文让电机流转到 Operation Enabled 状态。
  • SDO/PDO 交互：程序会自动进行同步参数修改测试（向 0x6083 写入加速度）并读取校验。注意：对于 JMC 伺服，0x6083 加速度是非标的 2 字节 长度。
  • 自动测试流程：程序将串行演示 PP (Profile Position) 往复运动、PV (Profile Velocity) 速度巡航，以及 HM (Homing) 自动回零。

步骤 3：预期现象。

  • 终端打印“参数修改验证成功”。
  • 电机完成一圈正转、回零、一圈反转、回零。接着按恒定速度正反转，最后触发寻零。

4. 应用开发​

4.1 最简使用流程​

// 1. 初始化：分配电机设备数组并建立库连接
struct motor_dev **devs = NULL;
int motor_init(&devs, 4); // devs: 返回分配的设备对象数组, 4: 操作的电机数量

// 2. 设置命令：填充控制参数并批量下发
struct motor_cmd *cmds = (struct motor_cmd *)calloc(4, sizeof(*cmds));
cmds[0].mode = MOTOR_MODE_POSITION; // 设置电机为位置控制模式
cmds[0].pos_des = 1.0;              // 设定目标弧度 (rad)
motor_set_cmds(devs, cmds, 4);      // 为 4 个电机同时下发当前命令

// 3. 读取状态：实时获取电机反馈数据
struct motor_state *states = (struct motor_state *)calloc(4, sizeof(*states));
motor_get_states(devs, states, 4);  // 阻塞或非阻塞地获取当前位置/电流/错误等

// 4. 释放资源：关闭通信并销毁对象数组
motor_free(devs, 4);

4.2 主要 API 说明​

1. 初始化与资源管理

// 批量初始化电机：建立与其通信连接，分配内部资源
int motor_init(struct motor_dev **devs, uint32_t count);
// devs: 电机设备数组指针, count: 电机数量

// 批量释放电机资源：断开通信并释放内存
void motor_free(struct motor_dev **devs, uint32_t count);
// devs: 电机设备数组指针, count: 电机数量

2. 核心控制与状态读取

// 批量设置控制命令：发送位置、速度、力矩或 MIT 混合指令
int motor_set_cmds(struct motor_dev **devs, const struct motor_cmd *cmds, uint32_t count);
// devs: 电机设备数组, cmds: 命令数组, count: 电机数量

// 批量读取电机状态：获取所有电机的最新实时反馈数据
int motor_get_states(struct motor_dev **devs, struct motor_state *states, uint32_t count);
// devs: 电机设备数组, states: 状态数组(输出), count: 电机数量

3. 底层参数配置 (寄存器/对象字典)

// 写入电机底层参数 (寄存器或字典索引等)
int motor_set_paras(struct motor_dev *dev, const void *address, const void *data, uint32_t data_len);
// dev: 电机设备, address: 参数地址/索引指针, data: 待写入数据指针, data_len: 数据字节长度

// 读取电机底层参数 (寄存器或字典索引等)
int motor_get_paras(struct motor_dev *dev, const void *address, void *out_data, uint32_t data_len);
// dev: 电机设备, address: 参数地址/索引指针, out_data: 读取数据缓冲区指针, data_len: 数据字节长度

4.3 核心数据结构​

电机控制命令结构体

struct motor_cmd {
    uint32_t mode;    // 控制模式
    float    pos_des; // 目标位置 (rad)
    float    vel_des; // 目标速度 (rad/s)  
    float    trq_des; // 目标力矩 (Nm) 或前馈力矩
    float    kp;      // 刚度增益 (HYBRID 模式)
    float    kd;      // 阻尼增益 (HYBRID 模式)
};

电机状态反馈结构体

struct motor_state {
    float    pos;  // 当前位置 (rad)
    float    vel;  // 当前速度 (rad/s)
    float    trq;  // 当前力矩 (Nm)
    float    temp; // 温度 (°C)
    uint32_t err;  // 错误标志
};

5. 调试指南​

  • 调试输出：在编译时开启 -DDEBUG_MOTOR 宏可打印底层驱动原始的收发包十六进制数据。
  • 工具链辅助：
    • CAN：使用 candump can0 监控报文，cansend 模拟下发。
    • UART：使用 minicom 检查物理连通，查看 /dev/ttyUSB* 设备节点的权限。
    • EtherCAT：利用 ethercat slaves 和 ethercat rescan 维护连接。
  • 常见问题收集：在驱动反馈异常时，请提供 dmesg 日志以及 motor_state 中的 err 错误代码。

6. 常见问题​

现象可能原因处理
无法识别 UART 电机ID 编码不正确或权限不足检查 motor_alloc_uart 的 ID 编码，确认 dialout 权限
CAN 电机无响应ID 冲突或波特率不匹配确认总线 ID 唯一，匹配 ip link set 设置的速率
EtherCAT 电机使能失败主站状态异常或未执行等待逻辑查 ethercat master 状态，确保启动后等待 100ms 稳定
PWM 电机不动GPIO 编号错误或信号线接反检查硬件原理图确认 GPIO 索引

附录：电机支持型号列表​

类型电机型号对应驱动名称备注
CAN达妙 DM-J4310-2EC / DM4310drv_can_dm推荐使用 MIT 模式
CANJMC CANOpen 伺服drv_canopen_jmc状态机自动托管，支持 PP/PV/HM
CAN本末 M152D133drv_can_ddt_m152d133自动解算多圈位置，支持 PI 调节与反馈周期设置
CAN本末 P1010Bdrv_can_ddt_p1010b组帧机制(一帧控多电机)，需注意制动及参数写入逻辑
EtherCATJMC IHSS42-ECdrv_ethercat_jmc集成式步进伺服
UARTFeetech STS3215drv_uart_feetech智能舵机
UARTDynamixel XL330 / XC330drv_uart_xl330Reachy Mini 专用，含 python 绑定
UART本末 M0603Cdrv_uart_ddt_m603c111自带安全保护阈值，需注意位置积分漂移与归位反转风险
RS485本末 M0601C111drv_485_ddt_m601c111一问一答最高 500Hz，提供电流/速度/位置环控制
PWM通用步进电机/直流电机drv_pwm_generic / drv_pwm_RoHS需 GPIO/PWM 硬件支持