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CiA 402 - 伺服驱动器协议

CiA 402 是 CANopen 驱动器和运动控制设备协议，是伺服驱动器最广泛使用的标准，掌握该协议是实现伺服控制的关键。

协议简介​

什么是 CiA 402？​

CiA 402 是一个基于 CoE (CANopen over EtherCAT) 的设备协议，专门为驱动器和运动控制设备定义标准接口。

协议层次关系：

EtherCAT 应用层
    └── CoE (CANopen over EtherCAT)
            ├── CiA 401 (通用 I/O 模块)
            ├── CiA 402 (驱动器和运动控制) ← 当前协议
            └── 其他 CiA 设备协议

CiA 402 定义了什么？​

CiA 402 在 CoE 对象字典的 0x6000-0x67FF 范围内定义了：

  • 标准状态机：统一的驱动器状态转换逻辑
  • 操作模式：多种运动控制模式（位置、速度、转矩等）
  • 标准对象：统一的控制和反馈参数
  • PDO 映射：实时运动控制数据交换
  • 互操作性：不同厂商驱动器可互换

为什么需要 CiA 402？​

  • 标准化接口 — 所有驱动器使用相同的对象地址和功能
  • 换装即用 — 主站代码无需为不同品牌驱动器定制
  • 降低成本 — 减少集成工作量和学习成本
  • 行业认可 — 几乎所有伺服厂商都支持 CiA 402

状态机​

CiA 402 定义了完整的驱动器状态机

主要状态​

状态说明控制字状态字
Not ready to switch on初始化状态，驱动未就绪-xxxx xxxx x0xx 0000
Switch on disabled驱动禁用，可接收命令-xxxx xxxx x1xx 0000
Ready to switch on准备开启，电压未使能0x06xxxx xxxx x01x 0001
Switched on已开启，电压使能但未运行0x07xxxx xxxx x01x 0011
Operation enabled运行使能，可正常操作0x0Fxxxx xxxx x01x 0111
Quick stop active快速停止激活0x02xxxx xxxx x00x 0111
Fault reaction active故障反应中-xxxx xxxx x0xx 1111
Fault故障状态0x80xxxx xxxx x0xx 1000

状态转换命令​

命令控制字说明
Shutdown0x06关闭，进入 Ready to switch on
Switch on0x07开启，进入 Switched on
Enable operation0x0F使能操作，进入 Operation enabled
Disable voltage0x00禁用电压，返回 Switch on disabled
Quick stop0x02快速停止
Fault reset0x80故障复位

控制字与状态字​

控制字 (Controlword, 0x6040)​

Bit名称说明
0Switch on开启命令
1Enable voltage使能电压
2Quick stop快速停止（0=激活）
3Enable operation使能操作
4Operation mode specific新设定点
5Operation mode specific立即改变
6Operation mode specific相对
7Fault reset故障复位（上升沿）
8Halt暂停
9-10Operation mode specific操作模式特定
11-15Manufacturer specific厂商特定

常用控制字：

const ushort SHUTDOWN        = 0x06;  // 0000 0110
const ushort SWITCH_ON       = 0x07;  // 0000 0111
const ushort ENABLE_OP       = 0x0F;  // 0000 1111
const ushort DISABLE_VOLTAGE = 0x00;  // 0000 0000
const ushort QUICK_STOP      = 0x02;  // 0000 0010
const ushort FAULT_RESET     = 0x80;  // 1000 0000

状态字 (Statusword, 0x6041)​

Bit名称说明
0Ready to switch on准备就绪
1Switched on已开启
2Operation enabled操作使能
3Fault故障
4Voltage enabled电压使能
5Quick stop快速停止（0=激活）
6Switch on disabled开启禁用
7Warning警告
8Manufacturer specific厂商特定
9Remote远程模式
10Target reached目标到达
11Internal limit active内部限位激活
12Operation mode specific设定点确认
13Operation mode specificFollowing error
14-15Manufacturer specific厂商特定

操作模式​

模式定义 (Modes of operation, 0x6060)​

值缩写模式说明
1PPProfile Position Mode轮廓位置模式，点到点运动
3PVProfile Velocity Mode轮廓速度模式，速度控制
4PTProfile Torque Mode轮廓转矩模式，转矩控制
6HMHoming Mode回零模式，建立位置参考
7IPInterpolated Position Mode插补位置模式，轨迹跟踪
8CSPCyclic Synchronous Position Mode周期同步位置模式
9CSVCyclic Synchronous Velocity Mode周期同步速度模式
10CSTCyclic Synchronous Torque Mode周期同步转矩模式

模式详解​

PP - Profile Position Mode​

特点：

  • 点到点运动
  • 内部轨迹规划
  • 梯形/S形速度曲线

主要对象：

  • 0x607A: Target position（目标位置）
  • 0x6081: Profile velocity（轮廓速度）
  • 0x6083: Profile acceleration（轮廓加速度）
  • 0x6084: Profile deceleration（轮廓减速度）

CSP - Cyclic Synchronous Position Mode​

特点：

  • 周期性位置指令
  • 主站轨迹规划
  • 最高实时性

主要对象：

  • 0x607A: Target position（目标位置，每周期更新）
  • 0x60B2: Torque offset（转矩偏移）

CSV - Cyclic Synchronous Velocity Mode​

特点：

  • 周期性速度指令
  • 适合速度跟随

主要对象：

  • 0x60FF: Target velocity（目标速度）
  • 0x60B2: Torque offset（转矩偏移）

CST - Cyclic Synchronous Torque Mode​

特点：

  • 周期性转矩指令
  • 力控应用

主要对象：

  • 0x6071: Target torque（目标转矩）

常用对象​

控制与状态​

索引名称类型访问说明
0x6040ControlwordUNSIGNED16RW/RXPDO控制字
0x6041StatuswordUNSIGNED16RO/TXPDO状态字
0x6060Modes of operationINTEGER8RW操作模式
0x6061Modes of operation displayINTEGER8RO实际操作模式

位置对象​

索引名称类型单位说明
0x6062Position demand valueINTEGER32内部单位位置需求值
0x6063Position actual internal valueINTEGER32内部单位实际位置（内部）
0x6064Position actual valueINTEGER32用户单位实际位置
0x607ATarget positionINTEGER32用户单位目标位置
0x607CHome offsetINTEGER32用户单位回零偏移
0x607DSoftware position limitARRAY用户单位软件位置限制

速度对象​

索引名称类型单位说明
0x606BVelocity demand valueINTEGER32内部单位速度需求值
0x606CVelocity actual valueINTEGER32用户单位实际速度
0x60FFTarget velocityINTEGER32用户单位目标速度
0x6081Profile velocityUNSIGNED32用户单位轮廓速度
0x6083Profile accelerationUNSIGNED32用户单位/s²轮廓加速度
0x6084Profile decelerationUNSIGNED32用户单位/s²轮廓减速度

转矩对象​

索引名称类型单位说明
0x6071Target torqueINTEGER16千分之额定目标转矩
0x6077Torque actual valueINTEGER16千分之额定实际转矩
0x60B2Torque offsetINTEGER16千分之额定转矩偏移

代码示例​

伺服使能流程​

// 推荐: 使用 CiA402Instance 属性 (非阻塞, 每 PDO 周期调用)
var drv = servo.CoE.CiA402;

master.Events.ProcessDataCyclicSync += (masterIndex) =>
{
    // Enable() 返回 bool: true=已进入 OperationEnabled, false=仍在过渡或失败
    if (drv.Enable())
    {
        Console.WriteLine("伺服使能成功");
    }
};

位置模式（PP）​

var drv = servo.CoE.CiA402;

// 1. 配置操作模式和运动参数 (通过 OD 属性)
drv.OperationMode = ModeCiA402.PP;
drv.ProfileVelocity = 1000;
drv.ProfileAcceleration = 5000;
drv.ProfileDeceleration = 5000;

// 2. 在 PDO 回调中使能并发送定位命令
master.Events.ProcessDataCyclicSync += (masterIndex) =>
{
    if (!drv.Enable()) return;

    // 发送定位命令 (通过属性, 自动选择 PDO/OD)
    drv.NewSetpoint(100000);

    if (drv.TargetReached)
    {
        Console.WriteLine("到达目标位置");
        drv.ClearNewSetpoint();
    }
};

周期同步位置模式（CSP）​

var drv = servo.CoE.CiA402;

// 1. 配置操作模式 (通过 OD 属性)
drv.OperationMode = ModeCiA402.CSP;

// 2. 周期性发送位置 (通过属性, 自动走 PDO)
double angle = 0;
master.Events.ProcessDataCyclicSync += (masterIndex) =>
{
    if (!drv.Enable()) return;

    // 生成轨迹（示例：正弦波）
    drv.TargetPosition = (int)(10000 * Math.Sin(angle));
    angle += 0.01;
};

单位与缩放​

位置单位​

通过以下对象配置：

  • 0x6093: Position factor (分子/分母)
  • 0x6094: Velocity encoder factor

示例：将用户单位转换为编码器脉冲

用户单位 = 编码器脉冲 × (0x6093 分子 / 0x6093 分母)

速度单位​

默认单位：用户单位/秒

转矩单位​

千分之额定转矩（1000 = 100%）

回零模式（Homing）​

回零方法 (0x6098)​

方法编号参考信号说明
1-14限位开关 + 零位信号不同方向和序列组合
17-18原点开关基于原点开关
19-22原点开关 + 零位信号组合方式
23-27原点开关（两侧）双侧原点开关
33-34零位信号仅使用零位信号
35当前位置当前位置设为原点

回零速度与加速度​

索引子索引名称类型说明
0x609901Speed during search for switchUNSIGNED32搜索参考信号时的速度（快速）
0x609902Speed during search for zeroUNSIGNED32搜索零位时的速度（慢速）
0x609A00Homing accelerationUNSIGNED32回零过程中的加减速度

说明：

  • 0x6099:01 — 回零搜索速度，用于快速接近限位开关或原点开关
  • 0x6099:02 — 回零零位速度，用于慢速精确定位编码器零位信号
  • 0x609A — 回零加速度，控制回零过程中的加速和减速。适用于所有回零方法

回零流程​

var drv = servo.CoE.CiA402;

// 1. 配置回零参数 (通过 OD 属性)
drv.OperationMode = ModeCiA402.HM;
drv.HomingMethod = 1;
drv.HomingSpeedSearch = 500;
drv.HomingSpeedZero = 100;

// 2. 在 PDO 回调中使能并执行回零
master.Events.ProcessDataCyclicSync += (masterIndex) =>
{
    if (!drv.Enable()) return;

    drv.StartHoming();

    if (drv.HomingAttained)
        Console.WriteLine("回零完成");

    if (drv.HomingError)
        Console.WriteLine("回零错误");
};

状态字解析​

// 推荐: 使用 CiA402Instance 属性直接获取状态
var drv = servo.CoE.CiA402;
var state = drv.StateDrive;
Console.WriteLine($"驱动状态: {state.GetDescription()}");

// 或使用静态方法解析原始状态字
ushort sw = drv.Statusword;
var parsed = CiA402Instance.ParseState(sw);
Console.WriteLine($"状态字: 0x{sw:X4} → {parsed}");