【Servo】一个简单的伺服驱动器嵌入式架构，联想

旋转伺服驱动器的嵌入式软件架构

旋转伺服驱动器的嵌入式软件主要负责 电机控制、数据处理、通信交互、状态监控 等功能。为了确保系统的 实时性、可靠性和模块化，通常将软件划分为以下功能模块：

1. 软件功能模块划分

🔹 核心控制模块

模块名称	功能描述
FOC（磁场定向控制）	采用矢量控制算法计算电流分量 Id/Iq，优化电机性能。
PI 控制器	速度、电流、位置闭环控制，实现精确控制目标。
SVPWM（空间矢量脉宽调制）	生成 PWM 信号，驱动逆变器控制电机。
速度/位置环	根据编码器反馈进行速度、位置闭环控制，确保精度。

🔹 传感器 & 数据采集模块

模块名称	功能描述
电流采样（ADC 采样）	通过 ADC 采样电流进行电流环控制（一般 3 通道）。
电压检测	监测母线电压、三相电压，用于过压/欠压保护。
温度检测	监测驱动器温度，防止过热损坏。
编码器/位置反馈	处理增量编码器、旋转变压器、绝对值编码器反馈数据。

🔹 运动控制模块

模块名称	功能描述
插补算法	计算平滑轨迹，实现高精度运动。
加减速规划	梯形加速、S 形加速，防止速度突变。
目标位置计算	根据输入命令计算目标位置。

🔹 通信模块

模块名称	功能描述
CANopen/Modbus/EtherCAT	与 PLC、上位机进行通信，接收/发送数据。
UART/RS485	用于调试或与外部设备通信（HMI、PC）。
SPI/I2C	连接外部传感器、存储器进行数据交互。

🔹 保护与故障诊断模块

模块名称	功能描述
过流保护	监测电流，超过阈值时关闭 PWM 以防损坏。
过温保护	过温时降额运行或停止驱动器。
欠压/过压保护	低于/高于母线电压阈值时停止驱动器。
编码器异常检测	检测编码器丢失、脉冲丢失等错误。

🔹 用户接口 & 参数管理

模块名称	功能描述
参数存储（EEPROM/Flash）	存储用户配置，如电机参数、PID 参数。
键盘/显示（HMI）	驱动显示屏和按键，实现手动操作。
诊断和日志	记录故障信息，提供调试数据。

🔹 任务管理 & RTOS

模块名称	功能描述
任务调度	通过 FreeRTOS / RT-Thread 调度各个任务，保证实时性。
中断管理	处理 PWM 触发、ADC 采样、通信中断等事件。
低功耗管理	控制 MCU 进入低功耗模式，节省能耗。

2. 软件层级划分

🔹 驱动层（HAL - 硬件抽象层）

组件	说明
GPIO	控制 LED、继电器、输入/输出信号。
ADC/DAC	采样电流、电压、温度。
PWM	生成逆变器控制信号。
UART/SPI/I2C	通信接口，连接外部设备。

🔹 中间层（MCU 控制层）

组件	说明
FOC 算法	计算 Id/Iq 电流，控制电机。
闭环控制	PID 位置、速度、电流控制。
编码器解析	处理增量编码器、旋转变压器数据。

🔹 应用层

组件	说明
上位机通信	通过 CANopen/Modbus 控制驱动器。
人机交互（HMI）	处理按键输入、LCD 显示。
故障处理	过流、过压、欠压等保护机制。

3. 任务优先级 & 调度

🔹 高优先级任务（实时任务）

任务	描述	运行频率
FOC 算法	计算 PWM 输出，控制电机	10-20kHz
电流环控制	采样电流，更新 PI 控制器	10-20kHz
PWM 触发	控制 MOSFET 开关	10-20kHz

🔹 中等优先级任务

任务	描述	运行频率
速度环控制	计算速度 PI 控制	1-5kHz
位置环控制	计算目标位置	500Hz-1kHz
通讯处理	解析 CANopen/Modbus 数据	1kHz

🔹 低优先级任务

任务	描述	运行频率
参数存储	保存参数到 EEPROM/Flash	1Hz-10Hz
诊断与日志	记录报警信息	10Hz
温度监测	过热保护	1Hz

4. 小结

旋转伺服驱动器的嵌入式软件划分为：
- 核心控制（FOC, PWM, PI）
- 传感器处理（电流采样, 编码器反馈）
- 运动控制（速度环, 位置环, 插补算法）
- 通信（CANopen, Modbus, UART）
- 保护机制（过流, 过温, 过压）
- 用户交互（HMI, 参数存储, 诊断日志）
- 实时任务管理（RTOS调度, 中断处理）
软件架构采用分层设计：
- 驱动层（HAL）：操作硬件外设
- 中间层（控制算法）：核心计算逻辑
- 应用层：用户交互 & 故障处理

旋转伺服驱动器嵌入式软件层级划分

旋转伺服驱动器的嵌入式软件通常采用 分层架构 设计，以提高 可维护性、可扩展性和模块化开发能力。

1. 软件分层架构

🔹 典型的 4 层架构

层级	主要功能	具体模块
应用层（Application Layer）	与上位机/用户交互，处理用户命令和系统状态管理	上位机协议解析、HMI（人机交互）、参数管理、故障诊断、日志记录
控制层（Control Layer）	伺服控制核心算法，执行位置/速度/电流控制	FOC 算法、位置环、速度环、电流环、SVPWM、插补算法、滤波器
驱动层（Driver Layer）	直接驱动硬件外设，负责数据采集与控制信号输出	PWM 生成、电流/电压/位置采样、ADC 采样、编码器解码、GPIO 读写
硬件抽象层（HAL - Hardware Abstraction Layer）	屏蔽底层硬件差异，提供统一接口	MCU 低级驱动、寄存器操作、RTOS 底层支持、Flash 读写

2. 应用层模块（Application Layer）

应用层的主要职责是：

✅ 与上位机（PLC、PC）进行通信

✅ 提供用户交互（HMI/LCD/按键）

✅ 存储和管理参数

✅ 诊断和日志记录

🔹 具体模块

模块	功能描述
通信协议（Protocol Stack）	解析 CANopen、Modbus、EtherCAT、RS485、UART 等通信协议，实现远程控制
HMI（人机交互）	处理 LCD 显示、按键输入，支持用户手动配置参数
参数管理（Parameter Manager）	读取/存储伺服电机参数、PID 参数、编码器设定，存储到 EEPROM/Flash
故障诊断（Fault Diagnosis）	监测过流、过压、欠压、过温、编码器故障等，提供故障代码
日志记录（Logging）	记录故障日志、运行日志，便于调试和维护
远程控制	处理上位机发送的运动控制命令，如启动、停止、复位、模式切换

3. 偏向上位机交互的模块

以下模块主要负责 与上位机（PLC、PC）交互，接收/发送指令：

通信协议解析
- Modbus ：用于 PLC 通信 ，控制伺服驱动器的 启停、模式切换。
- CANopen /EtherCAT ：工业总线协议，用于 多轴协同控制。
- UART/RS485 ：用于 PC 调试、诊断、参数读取。
HMI 交互
- LCD 显示当前电机状态、报警信息、实时参数。
- 按键调整运行模式、输入目标转速或位置。
参数管理
- 上位机发送设定指令 ，修改 PI 参数、惯量补偿、编码器偏移。
- 将参数存储到 EEPROM/Flash，掉电不丢失。
故障诊断
- 实时检测电机状态 ，如果过流/过压等，发送报警到上位机。
- 例如，PLC 通过 CANopen 读取驱动器状态字，判断是否正常运行。
日志记录
- 存储历史报警信息 ，便于 PC 端诊断分析。
- 上位机可以通过 UART/CANopen 读取报警日志。

4. 交互数据流

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  上位机（PLC/PC）
        ▲  ▲
        │  │
 CANopen / Modbus / EtherCAT / UART
        │  │
        ▼  ▼
 +----------------------------+
 |  应用层（Application Layer） |
 |----------------------------|
 |  通信协议解析               | ⇄  解析上位机命令
 |  HMI 交互                  | ⇄  显示电机状态
 |  参数管理                  | ⇄  读取/存储参数
 |  故障诊断                  | ⇄  发送报警信息
 |  日志记录                  | ⇄  读取历史记录
 +----------------------------+
        │
        ▼
 +----------------------------+
 |  控制层（Control Layer）    |  ⇄  计算运动控制
 |----------------------------|
 |  位置环 / 速度环 / 电流环   |
 |  FOC 算法                   |
 |  插补 & 轨迹规划            |
 +----------------------------+
        │
        ▼
 +----------------------------+
 |  驱动层（Driver Layer）     |  ⇄  直接操作硬件
 |----------------------------|
 |  PWM 生成                  |
 |  ADC 采样                   |
 |  编码器解码                 |
 +----------------------------+

5. 小结

1️⃣ 软件总共分为 4 层

✅ 应用层 （Application）------ 与上位机交互，管理用户参数和报警日志。

✅ 控制层 （Control）------ 计算 FOC 算法、位置/速度控制 ，负责电机运行。

✅ 驱动层 （Driver）------ 直接与硬件交互，包括 PWM、ADC、编码器 。

✅ 硬件抽象层（HAL）------ 屏蔽底层硬件，提供统一接口。

2️⃣ 应用层（Application）包含哪些模块

通信协议解析（CANopen、Modbus、EtherCAT） → 远程控制
HMI 交互（LCD、按键、菜单系统） → 本地调试
参数管理（EEPROM/Flash 存储） → 读取/修改伺服参数
故障诊断（报警、过流、过压等） → 确保安全运行
日志记录（存储历史报警） → 提供维护数据

3️⃣ 偏向上位机交互的模块

✅ 通信协议解析 （CANopen, Modbus, EtherCAT, UART）

✅ HMI 交互（LCD、按键）

✅ 参数管理（EEPROM 读写）

✅ 故障诊断（过流、过温、编码器异常检测）

✅ 日志记录（报警历史查询）

**词汇联想 ---- 更详细的某个模块，比如 "Modbus 通信流程" 或 "FOC 算法计算过程" **

Modbus 通信流程解析（适用于伺服驱动器）

Modbus 是一种 主从式（Master-Slave） 通信协议，常用于 PLC（主机）控制伺服驱动器（从机） 。它支持 串行（RTU/ASCII） 和 以太网（TCP） 传输。

1. Modbus 主要特点

✅ 主从模式 ：上位机（PLC/PC）主动发送指令 ，伺服驱动器被动响应 。

✅ 地址寻址 ：支持 247 个从机（RTU 模式） ，通过 从机地址（Slave ID） 区分设备。

✅ 寄存器映射 ：采用 功能码 + 寄存器地址 读写 伺服驱动器参数 。

✅ 错误检测 ：RTU 模式使用 CRC 校验，保证数据完整性。

2. Modbus 通信流程

📌 主从设备数据流

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    PLC（Modbus Master）
        │
        ▼
  请求（READ/WRITE）
        │
        ▼
  伺服驱动器（Modbus Slave）
        │
        ▼
  响应（DATA/ERROR）

📌 通信步骤

Step 1 ：PLC 发送 Modbus 请求 （READ/WRITE）
Step 2 ：伺服驱动器解析请求 （检查从机地址 + 功能码 + CRC）
Step 3 ：伺服驱动器执行操作（读/写寄存器）
Step 4 ：伺服驱动器返回响应 （成功数据或错误码）
Step 5 ：PLC 解析响应数据，控制伺服驱动器运行

3. Modbus 数据帧格式

Modbus 数据帧由 地址 + 功能码 + 数据 + 校验 组成。

📌 RTU 模式数据帧

字段	字节	描述
从机地址（Slave ID）	1	目标设备地址（1-247）
功能码（Function Code）	1	读/写操作代码
数据区（Data）	N	具体寄存器地址 & 数据
CRC 校验（Error Check）	2	计算数据完整性

示例（读取 03 寄存器数据）

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[01] [03] [00] [0A] [00] [01] [C5] [CD]

01 → 设备地址（从机 1）
03 → 读取保持寄存器
00 0A → 寄存器地址 0x000A
00 01 → 读取 1 个寄存器
C5 CD → CRC 校验码（低字节在前）

4. Modbus 主要功能码

功能码（Hex）	操作	描述
`0x03`	读保持寄存器（Read Holding Registers）	读取伺服参数（位置、速度、扭矩等）
`0x06`	写单个寄存器（Write Single Register）	设置目标转速、目标位置
`0x10`	写多个寄存器（Write Multiple Registers）	批量写入多个参数

5. 伺服驱动器 Modbus 寄存器映射

伺服驱动器通常通过 Modbus 03/06/10 功能码 访问内部寄存器，例如：

寄存器地址	功能	数据类型	说明
`0x0001`	运行状态	16-bit	`0 = 停止`，`1 = 运行`
`0x0002`	伺服使能	16-bit	`0 = 禁用`，`1 = 使能`
`0x0003`	目标转速	16-bit	RPM
`0x0004`	目标位置	32-bit	编码器单位
`0x0005`	实际转速	16-bit	RPM
`0x0006`	实际位置	32-bit	反馈位置

6. Modbus 典型指令示例

📌 读取伺服状态

PLC 读取 1 号伺服驱动器的运行状态（0x0001 寄存器）

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[01] [03] [00] [01] [00] [01] [D5] [CA]

解析

01 → 从机地址
03 → 读取保持寄存器
00 01 → 目标寄存器地址 0x0001
00 01 → 读取 1 个寄存器
D5 CA → CRC 校验

伺服返回（状态 = 运行）

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[01] [03] [02] [00] [01] [79] [84]

02 → 返回 2 字节数据
00 01 → 运行状态 = 1
79 84 → CRC 校验

📌 设定目标转速

PLC 设置 1 号伺服目标转速 1500 RPM

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[01] [06] [00] [03] [05] [DC] [88] [35]

解析

01 → 设备地址
06 → 写单个寄存器
00 03 → 目标转速寄存器地址 0x0003
05 DC → 1500（十进制）
88 35 → CRC 校验

伺服返回

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[01] [06] [00] [03] [05] [DC] [88] [35]

（确认写入成功）

📌 伺服驱动器使能

PLC 发送指令，使能 1 号伺服驱动器

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[01] [06] [00] [02] [00] [01] [18] [0A]

解析

00 02 → 伺服使能寄存器
00 01 → 使能

伺服返回

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[01] [06] [00] [02] [00] [01] [18] [0A]

7. Modbus 伺服驱动器通信架构

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+------------------------+
|  PLC/上位机（Modbus 主机）|
+------------------------+
        │
   Modbus RTU/TCP
        │
+------------------------+
|  伺服驱动器（Modbus 从机）|
|  - 解析 Modbus 指令      |
|  - 读/写伺服参数        |
|  - 反馈运行状态        |
+------------------------+

8. 小结

✅ Modbus 采用主从模式 ，PLC/PC 控制伺服驱动器。

✅ 支持多种功能码 （0x03 读参数，0x06 写单个参数，0x10 批量写入）。

✅ 通信流程：主机发送指令 -> 伺服解析 -> 读取/写入数据 -> 伺服响应 。

✅ 适用于 CANopen、Modbus RTU/ASCII、Modbus TCP。

💡 完整的 Modbus 代码示例（C 语言嵌入式实现）

完整的 Modbus RTU 代码示例（C 语言嵌入式实现）

以下代码实现 Modbus RTU 从机（伺服驱动器） 的核心功能，包括：

✅ 接收 Modbus RTU 请求 （读取寄存器、写入寄存器）

✅ 解析功能码（0x03 读取寄存器, 0x06 写单个寄存器, 0x10 写多个寄存器）

✅ 生成响应数据帧并通过 UART 发送

✅ 支持 CRC 校验

📌 1. 伺服驱动器 Modbus RTU 框架

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+-------------------------------------+
|      伺服驱动器（Modbus 从机）       |
+-------------------------------------+
| UART 接收 Modbus 请求               | ⇄  PLC 发送读取/写入指令
| 解析数据帧（地址+功能码+数据+CRC）  |
| 处理功能码（0x03/0x06/0x10）       |
| 访问寄存器数据（位置、速度等）       |
| 计算 CRC 并返回 Modbus 响应          |
+-------------------------------------+

📌 2. Modbus 伺服驱动器寄存器

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#define MODBUS_ADDRESS    1   // 从机地址
#define REG_COUNT         10  // 伺服寄存器数量

// 伺服寄存器表
uint16_t servo_registers[REG_COUNT] = {
    0x0000, // 0x0000: 伺服运行状态（0=停止，1=运行）
    0x0000, // 0x0001: 伺服使能状态（0=关闭，1=使能）
    0x05DC, // 0x0002: 目标速度（默认 1500 RPM）
    0x0000, // 0x0003: 目标位置
    0x0000, // 0x0004: 实际速度反馈
    0x0000, // 0x0005: 实际位置反馈
    0x0000, // 0x0006: 电流反馈
    0x0000, // 0x0007: 负载扭矩
    0x0000, // 0x0008: 报警状态
    0x0000  // 0x0009: 运行时间
};

📌 3. CRC16 校验计算

Modbus RTU 采用 CRC-16（多项式 0xA001） 进行校验：

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uint16_t Modbus_CRC16(uint8_t *data, uint16_t length) {
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    for (uint16_t i = 0; i < length; i++) {
        crc ^= data[i];
        for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 0x0001) {
                crc >>= 1;
                crc ^= 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

📌 4. 解析 Modbus 请求

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void Modbus_ParseRequest(uint8_t *request, uint16_t length) {
    if (length < 8) return; // 最小 Modbus RTU 帧长

    // 校验 CRC
    uint16_t received_crc = (request[length - 1] << 8) | request[length - 2];
    uint16_t calculated_crc = Modbus_CRC16(request, length - 2);
    if (received_crc != calculated_crc) return; // CRC 校验失败

    uint8_t slave_id = request[0];  // 从机地址
    uint8_t function_code = request[1]; // 功能码
    uint16_t reg_address = (request[2] << 8) | request[3]; // 寄存器地址
    uint16_t reg_count = (request[4] << 8) | request[5];   // 读取数量

    if (slave_id != MODBUS_ADDRESS) return; // 不是本设备，忽略

    switch (function_code) {
        case 0x03: // 读取寄存器
            Modbus_HandleReadRequest(reg_address, reg_count);
            break;
        case 0x06: // 写单个寄存器
            Modbus_HandleWriteRequest(reg_address, reg_count);
            break;
        default:
            break;
    }
}

📌 5. 读取保持寄存器（功能码 0x03）

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void Modbus_HandleReadRequest(uint16_t reg_address, uint16_t reg_count) {
    uint8_t response[256];
    uint16_t length = 0;

    response[length++] = MODBUS_ADDRESS; // 从机地址
    response[length++] = 0x03; // 功能码
    response[length++] = reg_count * 2; // 字节数

    for (uint16_t i = 0; i < reg_count; i++) {
        uint16_t value = servo_registers[reg_address + i];
        response[length++] = value >> 8;
        response[length++] = value & 0xFF;
    }

    uint16_t crc = Modbus_CRC16(response, length);
    response[length++] = crc & 0xFF;
    response[length++] = crc >> 8;

    UART_Send(response, length); // 通过串口发送响应
}

📌 6. 写单个寄存器（功能码 0x06）

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void Modbus_HandleWriteRequest(uint16_t reg_address, uint16_t value) {
    if (reg_address < REG_COUNT) {
        servo_registers[reg_address] = value; // 更新寄存器值
    }

    uint8_t response[8];
    response[0] = MODBUS_ADDRESS;
    response[1] = 0x06;
    response[2] = reg_address >> 8;
    response[3] = reg_address & 0xFF;
    response[4] = value >> 8;
    response[5] = value & 0xFF;

    uint16_t crc = Modbus_CRC16(response, 6);
    response[6] = crc & 0xFF;
    response[7] = crc >> 8;

    UART_Send(response, 8); // 通过串口返回确认
}

📌 7. 串口接收 Modbus 数据

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#define UART_BUFFER_SIZE 256
uint8_t uart_buffer[UART_BUFFER_SIZE];
uint16_t uart_index = 0;

void UART_Receive_Handler(uint8_t byte) {
    uart_buffer[uart_index++] = byte;

    if (uart_index >= 8) { // Modbus 最小帧长
        Modbus_ParseRequest(uart_buffer, uart_index);
        uart_index = 0; // 清空缓冲区
    }
}

📌 8. 伺服 Modbus RTU 总体流程

UART 接收 Modbus 数据
解析 Modbus 请求（地址 + 功能码 + CRC 校验）
处理功能码（读/写寄存器）
返回 Modbus 响应

✅ 小论

🚀 完整的 Modbus RTU 代码，支持：

读取寄存器（0x03）
写入寄存器（0x06）
CRC 校验
UART 串口收发

【Servo】一个简单的伺服驱动器嵌入式架构，联想

旋转伺服驱动器的嵌入式软件架构

1. 软件功能模块划分

🔹 核心控制模块

🔹 传感器 & 数据采集模块

🔹 运动控制模块

🔹 通信模块

🔹 保护与故障诊断模块

🔹 用户接口 & 参数管理

🔹 任务管理 & RTOS

2. 软件层级划分

🔹 驱动层（HAL - 硬件抽象层）

🔹 中间层（MCU 控制层）

🔹 应用层

3. 任务优先级 & 调度

🔹 高优先级任务（实时任务）

🔹 中等优先级任务

🔹 低优先级任务

4. 小结

旋转伺服驱动器嵌入式软件层级划分

1. 软件分层架构

🔹 典型的 4 层架构

2. 应用层模块（Application Layer）

🔹 具体模块

3. 偏向上位机交互的模块

4. 交互数据流

5. 小结

1️⃣ 软件总共分为 4 层

2️⃣ 应用层（Application）包含哪些模块

3️⃣ 偏向上位机交互的模块

Modbus 通信流程解析（适用于伺服驱动器）

1. Modbus 主要特点

2. Modbus 通信流程

📌 主从设备数据流

📌 通信步骤

3. Modbus 数据帧格式

📌 RTU 模式数据帧

4. Modbus 主要功能码

5. 伺服驱动器 Modbus 寄存器映射

6. Modbus 典型指令示例

📌 读取伺服状态

📌 设定目标转速

📌 伺服驱动器使能

7. Modbus 伺服驱动器通信架构

8. 小结

💡 ** 完整的 Modbus 代码示例（C 语言嵌入式实现） **

完整的 Modbus RTU 代码示例（C 语言嵌入式实现）

📌 1. 伺服驱动器 Modbus RTU 框架

📌 2. Modbus 伺服驱动器寄存器

📌 3. CRC16 校验计算

📌 4. 解析 Modbus 请求

📌 5. 读取保持寄存器（功能码 0x03）

📌 6. 写单个寄存器（功能码 0x06）

📌 7. 串口接收 Modbus 数据

📌 8. 伺服 Modbus RTU 总体流程

✅ 小论

💡 完整的 Modbus 代码示例（C 语言嵌入式实现）