STM32 四輪驅動與 VESC 控制系統 (4WD_RWD 動態切換)
📌 專案架構與規格設定
本專案使用 STM32 作為核心控制器，透過 CAN Bus 與 4 顆 VESC 進行通訊，實現四輪獨立驅動與動態扭矩分配。
- 電池系統：48V 標稱電壓，總輸出功率限制 1000W。
- 前輪配置：250W 減速電機 (內建單向離合器，具備滑行優勢)。
- 後輪配置：500W 減速電機。
- 輪胎規格：20 吋車輪，減速比 1:4.4，馬達額定轉速 390 RPM。
- 控制策略：低速 4WD 起步 (1:2 扭矩分配) $\rightarrow$ 高速切換純 RWD 巡航 (前輪斷電滑行，後輪滿功率輸出)。
🛠️ 程式碼核心優化項目 (Bug Fixes & Improvements)
- 修復 CAN 發送死迴圈：在
VESC_Send_Current增加 Timeout 機制，防止 VESC 沒開機或斷線時導致 MCU 系統卡死。 - 修復記憶體溢位 (Buffer Overflow)：在
ENCODE_Step_up中將TxData陣列加大至 8 bytes，並修正 DLC (Data Length Code) 設定。 - 優化 ADC 讀取：將
HAL_ADC_Start()移出while(1)迴圈，利用硬體連續轉換模式 (Continuous Mode) 提高穩定性。 - 增加 CAN ID 濾波保護：在接收中斷
HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback內加入StdId檢查，防止雜訊誤觸發編碼器數值更新。
💻 完整程式碼 (main.c)
/* USER CODE BEGIN Header */
/**
******************************************************************************
* @file : main.c
* @brief : STM32 VESC 4WD/RWD Dynamic Control System
******************************************************************************
*/
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
/* USER CODE END Includes */
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
#define POWER_LIMIT_W 1000 // 電池總功率限制 1000W
#define BATTERY_VOLTAGE_NOM 48 // 標稱電壓 48V
// 最大總電流 (mA)
#define MAX_TOTAL_CURRENT_MA ((POWER_LIMIT_W * 1000) / BATTERY_VOLTAGE_NOM)
// 速度切換閾值 (ERPM: Electrical RPM)
// 依據 20吋輪、4.4減速比、390rpm 重新估算切換點
#define ERPM_THRESHOLD_RWD 10000
#define ERPM_HYSTERESIS 500 // 遲滯區間，避免臨界點頻繁切換
// VESC CAN ID 定義 (需與 VESC Tool 設定一致)
#define VESC_ID_FRONT_L 0xB1
#define VESC_ID_FRONT_R 0xB2
#define VESC_ID_REAR_L 0xA3
#define VESC_ID_REAR_R 0xA4
// VESC CAN Packet ID
#define CAN_PACKET_SET_CURRENT 1
#define ENCODER_RESOLUTION 4096.0f
#define STEERING_CENTER_OFFSET 2048.0f
/* USER CODE END PD */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
ADC_HandleTypeDef hadc1;
ADC_HandleTypeDef hadc2;
CAN_HandleTypeDef hcan1;
/* USER CODE BEGIN PV */
int32_t current_erpm = 0; // 平均轉速 (由 CAN RX 更新)
uint16_t throttle_adc = 0; // 0 - 4095
int32_t target_total_ma = 0; // 總目標電流 (mA)
uint16_t speed_adc = 0; // 模擬速度的 ADC
float current_angle = 0.0f; // 0 ~ 360 度的絕對角度
float steering_angle = 0.0f; // -180 ~ +180 度的方向盤實際轉角
uint32_t raw_encoder_value = 0; // 0 ~ 4095
/* USER CODE END PV */
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_ADC1_Init(void);
static void MX_CAN1_Init(void);
static void MX_ADC2_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
// 狀態機定義：四驅與後驅模式
typedef enum {
MODE_4WD,
MODE_RWD
} DriveMode_t;
DriveMode_t drive_mode = MODE_4WD;
void VESC_Send_Current(uint8_t controller_id, int32_t current_ma);
void Control_Loop_1kHz(void);
void ENCODE_Step_up(void);
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan);
/* USER CODE END PFP */
/**
* @brief The application entry point.
*/
int main(void)
{
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
HAL_Init();
SystemClock_Config();
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_CAN1_Init();
MX_ADC2_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
// 啟動 CAN 總線與中斷
HAL_CAN_Start(&hcan1);
HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan1, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
// 【優化】將 ADC 啟動移出 while(1) 迴圈，使用連續轉換模式讓硬體自動更新
HAL_ADC_Start(&hadc1);
HAL_ADC_Start(&hadc2);
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
while (1)
{
Control_Loop_1kHz();
}
}
/* USER CODE BEGIN 4 */
/**
* @brief 主控制迴圈 (使用輪詢方式發送 CAN 避免 Bus 壅塞)
*/
void Control_Loop_1kHz(void)
{
static uint32_t last_control_tick = 0;
uint32_t current_tick = HAL_GetTick();
// 控制執行頻率 (大約 500Hz)
if ((current_tick - last_control_tick) < 2) {
return;
}
last_control_tick = current_tick;
// 1. 讀取油門與速度模擬 ADC (0 ~ 4095)
throttle_adc = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
speed_adc = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);
current_erpm = ((int32_t)speed_adc * 20000) >> 12;
// 2. 計算總需求電流 (mA)
target_total_ma = ((int32_t)throttle_adc * MAX_TOTAL_CURRENT_MA) >> 12;
// 3. 判斷模式 (根據 ERPM 絕對值)
int32_t abs_erpm = (current_erpm < 0) ? -current_erpm : current_erpm;
if (drive_mode == MODE_4WD) {
if (abs_erpm > (ERPM_THRESHOLD_RWD + ERPM_HYSTERESIS)) {
drive_mode = MODE_RWD;
}
} else {
if (abs_erpm < (ERPM_THRESHOLD_RWD - ERPM_HYSTERESIS)) {
drive_mode = MODE_4WD;
}
}
// 4. 動態電流分配 (Distribute Current)
int32_t current_front_axle = 0;
int32_t current_rear_axle = 0;
if (drive_mode == MODE_4WD) {
// --- 4WD 模式 (起步高扭力) ---
// 前 250W + 後 500W，比例 1:2
current_front_axle = target_total_ma / 3;
current_rear_axle = target_total_ma - current_front_axle;
} else {
// --- RWD 模式 (高速巡航) ---
// 前輪斷電 (利用離合器滑行)，後輪全功率輸出
current_front_axle = 0;
current_rear_axle = target_total_ma;
}
// 5. 計算單顆電機電流並輪詢發送
int32_t cmd_front = current_front_axle / 2;
int32_t cmd_rear = current_rear_axle / 2;
static uint8_t motor_step = 0;
switch(motor_step)
{
case 0:
VESC_Send_Current(VESC_ID_FRONT_L, cmd_front);
motor_step = 1;
break;
case 1:
VESC_Send_Current(VESC_ID_FRONT_R, cmd_front);
motor_step = 2;
break;
case 2:
VESC_Send_Current(VESC_ID_REAR_L, cmd_rear);
motor_step = 3;
break;
case 3:
VESC_Send_Current(VESC_ID_REAR_R, cmd_rear);
motor_step = 0;
break;
}
}
/**
* @brief 發送電流命令給 VESC
*/
void VESC_Send_Current(uint8_t controller_id, int32_t current_ma)
{
CAN_TxHeaderTypeDef TxHeader;
uint32_t TxMailbox;
uint8_t TxData[4];
TxHeader.ExtId = (CAN_PACKET_SET_CURRENT << 8) | controller_id;
TxHeader.IDE = CAN_ID_EXT;
TxHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;
TxHeader.DLC = 4;
// Big Endian packing
TxData[0] = (uint8_t)(current_ma >> 24);
TxData[1] = (uint8_t)(current_ma >> 16);
TxData[2] = (uint8_t)(current_ma >> 8);
TxData[3] = (uint8_t)(current_ma);
// 【安全優化】加入 Timeout 防護，避免 CAN Bus 異常時系統卡死
uint32_t timeout = 0;
while (HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&hcan1) == 0)
{
timeout++;
if (timeout > 50000) {
return; // 丟棄此包，保護主程式
}
}
HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan1, &TxHeader, TxData, &TxMailbox);
}
/**
* @brief 發送編碼器設定命令
*/
void ENCODE_Step_up(void)
{
CAN_TxHeaderTypeDef TxHeader;
uint32_t TxMailbox;
uint8_t TxData[8]; // 【修正】必須開到 8 bytes 以防溢位
TxHeader.StdId = 0x01;
TxHeader.IDE = CAN_ID_STD;
TxHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;
TxHeader.DLC = 4;
TxData[0] = 0x04;
TxData[1] = 0x01;
TxData[2] = 0x04;
TxData[3] = 0xAA;
HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan1, &TxHeader, TxData, &TxMailbox);
// 第二包命令
TxHeader.DLC = 5; // 【修正】長度改為 5
TxData[0] = 0x05;
TxData[1] = 0x01;
TxData[2] = 0x05;
TxData[3] = 0x88;
TxData[4] = 0x13; // 寫入第 5 個 byte 不再越界
HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan1, &TxHeader, TxData, &TxMailbox);
}
/**
* @brief CAN 接收中斷回調函式 (處理編碼器回傳角度)
*/
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
CAN_RxHeaderTypeDef RxHeader;
uint8_t RxData[8];
if (hcan->Instance == CAN1)
{
if (HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &RxHeader, RxData) == HAL_OK)
{
// 【安全優化】確認封包來源 ID，防止 VESC 雜訊誤更動數據
if (RxHeader.IDE == CAN_ID_STD && RxHeader.StdId == 0x01)
{
if (RxData[0] == 0x07 && RxData[1] == 0x01 && RxData[2] == 0x01)
{
// 小端序解碼
raw_encoder_value = (uint32_t)((RxData[6] << 24) |
(RxData[5] << 16) |
(RxData[4] << 8) |
RxData[3]);
}
}
}
}
}
/* USER CODE END 4 */