CiA402 运动控制协议指南 (CANopen & EtherCAT)

面向初学者与现场调试工程师，帮助快速理解 CiA402 行规、建立实际控制代码，并能在遇到故障时查阅定位。本指南同时覆盖 CANopen 与 EtherCAT/CoE，实现“认知 → 编程 → 排障”的闭环。

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0. 预备条件与自检

0.1 必要条件

  • 驱动器硬件：强电侧已上电、STO/急停链路闭合，必要的制动电阻/抱闸释放条件满足。
  • 对象字典：获取对应 EDS/ESI 文件，确认 Vendor ID、Product Code、支持的模式列表。
  • 通信栈：CANopen 需配置波特率和节点号；EtherCAT 使用 IgH 或 SOEM，掌握 PDO 映射位置。
  • 测量工具：准备 ethercat slaves/pdos/diag、candump、厂商驱动面板、示波器/绝对编码器读值等。

0.2 最小自检流程

步骤 命令 / 操作 预期 失败时排查
检查驱动状态 观察面板/LED 显示 Ready 或 Waiting 若 Fault，复位后再接入主站
确认对象 ethercat upload 0 0x1000 0 / candump 读 0x1000 返回正确 Vendor ID 若无响应，复查节点地址和布线
校验 PDO 映射 ethercat pdos -p N 包含 0x6040/0x6041 等关键对象 若缺失，需自定义映射或切换模式
同步基准 CANopen：确认 SYNC 生产者；EtherCAT：ethercat diag --dc 同步 OK 报错时调整 DC/周期或先禁用 DC

经验：在驱动器面板或调试软件上提前设置模式 (如 CSP)、极性、机械参数，可减少应用层调试时间。

1. CANopen 与 EtherCAT 对比

特性 CANopen EtherCAT (CoE) 对初学者的含义
物理/链路层 CAN (1 Mbps) 100 Mbps 全双工以太网 EtherCAT 延迟更小，对实时线程要求更高
帧结构 8 字节数据 EtherCAT 帧可打包多个 PDO CSP/CSV 时 EtherCAT 能携带更多轴数据
同步手段 SYNC 报文/事件触发 分布时钟 (DC) EtherCAT 需配置 assign_activate 与周期时间
协议继承 原生 通过 CoE 复用 两者共享对象字典与 CiA402 状态机，可共用文档与代码逻辑
调试工具 candump, cansend, 示波器 ethercat CLI, Wireshark ECAT 熟悉工具可快速判断是链路问题还是应用问题

总结：两者在应用层几乎一致，掌握 CiA402 的对象和状态机后，即可在不同总线上复用控制逻辑。

1.1紧密联系 (CoE)

CiA402 (也称为 DS402) 是 CAN in Automation 组织定义的伺服驱动器设备行规。

尽管物理层和数据链路层截然不同，但 EtherCAT 在应用层大量借鉴了 CANopen 的设计，这就是 CoE (CANopen over EtherCAT) 协议。

  • 对象字典 (Object Dictionary): 两者都使用索引 (Index) 和子索引 (Sub-Index) 来组织参数（如 0x6040 是控制字）。
  • 通信对象: 两者都使用 SDO (配置/参数) 和 PDO (实时数据) 的概念。
  • 设备行规: 两者都支持 CiA402 标准来控制伺服驱动器。

总结: EtherCAT 就像是给 CANopen 换了一辆“法拉利”跑车（以太网物理层），但车里的驾驶手册（应用层协议）几乎是一样的。

2. CiA402 核心对象速查

Index 名称 方向 Bit 单位/缩放 备注
0x6040 Control Word(控制字) Master→Slave 16 无 控制状态机切换 (启动、停止、复位)
0x6041 Status Word(状态字) Slave→Master 16 无 反馈当前状态 (故障、就绪、运行中)低 7 位决定状态；高位含 Fault/Warning
0x6060 Modes of Operation Master→Slave 8 整数 选择模式 (位置 CSP, 速度 CSV, 力矩 CST)
0x6061 Modes Display Slave→Master 8 整数 驱动反馈当前的实际模式
0x607A Target Position Master→Slave 32 脉冲或编码器格 目标位置,CSP 必填；建议以实际位置初始化
0x6064 Position Actual Value Slave→Master 32 同上 读取当前编码器值,实际位置反馈
0x60FF Target Velocity Master→Slave 32 rpm / pulses/s 目标速度,CSV 模式下使用
0x6071 Target Torque Master→Slave 16 0.1% 额定力矩 目标力矩,CST 模式使用，需提前设定额定力矩
0x60C1 Interpolation Time Period Master→Slave 16 us CSP/CSV 的周期设置，不同厂家名称略有不同
0x60B1 Velocity Offset Master→Slave 32 pulses/s CSP 中叠加速度前馈

方向：Master→Slave 表示 PDO/SDO 写入；Slave→Master 表示反馈。

3. 模式 (Modes of Operation) 指南

模式 值 特点 典型场景 关键要求
PP 1 非实时，点到点轨迹由驱动生成 简易点动、搬运 需先配置加减速；通过 SDO 触发
PV 3 按给定速度运行 恒速送料 Target Velocity 连续更新，注意加速限制
PT 4 力矩闭环 扭矩控制、绕线 需设置电流环，配合扭矩限制对象
HM 6 回零 原点寻找 先配置 0x6098 (索引方式) 等参数
CSP 8 周期同步位置，最常用 多轴插补、机械臂 需要稳定周期，Target Position 每周期更新
CSV 9 周期同步速度 卷材、张力控制 Target Velocity + 前馈，域内存分辨率需确认
CST 10 周期同步力矩 压装、磨削 高速链路 + 精确扭矩标定

切换模式常见步骤：

  1. 通过 SDO 写 0x6060 为目标模式。
  2. 读取 0x6061 确认驱动已接受。
  3. 根据模式映射/开启相应 PDO 条目（如 CSP 需要 0x607A）。

4. CiA402状态机与控制字详解

  • CiA402 定义了一个严格的状态机，驱动器必须按照特定顺序才能从“上电”切换到“电机使能”。

4.1 状态机示意

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stateDiagram-v2
	[*] --> NotReady
	NotReady --> SwitchOnDisabled: 初始化完成
	SwitchOnDisabled --> Ready: Shutdown (0x06)
	Ready --> SwitchedOn: Switch On (0x07)
	SwitchedOn --> OperationEnabled: Enable Op (0x0F)
	OperationEnabled --> SwitchedOn: Disable Op (0x07)
	OperationEnabled --> Fault: 任何故障
	Fault --> SwitchOnDisabled: Fault Reset (0x80 -> 0x00)

4.2 0x6041状态字位定义

状态 判断表达式 典型含义
Not Ready (status & 0x004F) == 0x0000 驱动自检中，需等待
Switch On Disabled (status & 0x004F) == 0x0040 硬件准备完成，可发 Shutdown
Ready to Switch On (status & 0x006F) == 0x0021 允许合上主电路
Switched On (status & 0x006F) == 0x0023 主电路上电未励磁
Operation Enabled (status & 0x006F) == 0x0027 可执行运动
Fault (status & 0x0008) == 0x0008 报警，需要 Reset

判断当前状态主要看低 7 位：

Bit 6 Bit 5 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 状态名称 掩码 (Mask) 值 (Value)
0 x 0 0 0 0 Not Ready to Switch On 0x004F 0x0000
1 x 0 0 0 0 Switch On Disabled 0x004F 0x0040
0 1 0 0 0 1 Ready to Switch On 0x006F 0x0021
0 1 0 0 1 1 Switched On 0x006F 0x0023
0 1 0 1 1 1 Operation Enabled 0x006F 0x0027
0 x 1 x x x Fault 0x0008 0x0008

4.3 0x6040控制字序列

当前状态 应发送的控制字 说明
Fault 0x0080 → 0x0000 Fault Reset 需要上升沿：先写 0x80，再写 0x00 或 0x06
Switch On Disabled 0x0006 Shutdown，激活 Ready to Switch On
Ready to Switch On 0x0007 Switch On，闭合接触器
Switched On 0x000F Enable Operation，励磁
Operation Enabled 0x000F 保持使能；根据需要叠加其它位（如 Quick Stop bit 2）

提示：若驱动要求 Quick Stop 位保持 1，可改写为 0x000B 等；具体以厂商说明为准。

4.4 典型时序

  1. 读取 StatusWord，根据 4.2 判断当前状态。
  2. 写入对应控制字，一般需保持数个周期，直至状态改变。
  3. Operation Enabled 后立即同步 Target Position = Actual Position，避免跳变。
  4. 若状态回落 (如 Ready)，应重新执行上一序列并排查硬件原因。

5. 编程模板：CANopen & EtherCAT

5.1 CANopen 轮询示例

CANopen 速率较低，通常使用“发送 -> 等待 -> 确认”的模式。

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// 假设使用某种 CANopen 协议栈 API
// handle: 设备句柄, node_id: 节点号

void enable_servo_canopen(int node_id) {
    uint16_t status;
  
    // 1. 复位故障 (SDO 写入)
    // Index 0x6040, Sub 0, Value 0x0080
    canopen_write_sdo(node_id, 0x6040, 0x00, 0x0080);
  
    // 2. 切换到 Ready to Switch On
    // 等待状态字变为 xxxx xxxx x01x xxxx
    do {
        canopen_write_pdo(node_id, 0x6040, 0x0006); // Shutdown
        status = canopen_read_pdo(node_id, 0x6041);
        delay_ms(10);
    } while ((status & 0x006F) != 0x0021);

    // 3. 切换到 Switched On
    do {
        canopen_write_pdo(node_id, 0x6040, 0x0007); // Switch On
        status = canopen_read_pdo(node_id, 0x6041);
        delay_ms(10);
    } while ((status & 0x006F) != 0x0023);

    // 4. 切换到 Operation Enabled
    do {
        canopen_write_pdo(node_id, 0x6040, 0x000F); // Enable
        status = canopen_read_pdo(node_id, 0x6041);
        delay_ms(10);
    } while ((status & 0x006F) != 0x0027);
  
    printf("Motor Enabled via CANopen!\n");
}

5.2 EtherCAT 周期示例 (IgH)

EtherCAT 是周期性通信，我们不能在周期任务中死循环等待。必须根据当前状态，决定下一帧发送什么命令。

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// 假设 domain_pd 是域内存指针
// off_ctrl, off_status 是注册时获取的偏移量

void update_servo_state_machine(uint8_t *domain_pd) {
    // 1. 读取当前状态
    uint16_t status = EC_READ_U16(domain_pd + off_status);
    uint16_t control = 0;

    // 2. 状态机判断逻辑
    // 优先级: Fault > Switch On Disabled > Ready > Switched On > Enabled
  
    if ((status & 0x0008)) { 
        // [Fault] 发生故障 -> 发送 Reset (上升沿有效)
        // 注意: 实际复位通常需要先置0再置1，这里简化处理
        control = 0x0080; 
    }
    else if ((status & 0x004F) == 0x0040) {
        // [Switch On Disabled] -> 发送 Shutdown (0x06)
        // 目标: Ready to Switch On
        control = 0x0006;
    }
    else if ((status & 0x006F) == 0x0021) {
        // [Ready to Switch On] -> 发送 Switch On (0x07)
        // 目标: Switched On
        control = 0x0007;
    }
    else if ((status & 0x006F) == 0x0023) {
        // [Switched On] -> 发送 Enable Operation (0x0F)
        // 目标: Operation Enabled
        control = 0x000F;
    }
    else if ((status & 0x006F) == 0x0027) {
        // [Operation Enabled] -> 保持 Enable (0x0F)
        // 此时电机已励磁，可以开始更新 Target Position
        control = 0x000F;
    }
    else {
        // 未知或过渡状态，保持上一次命令或发送 0
        control = 0x0000; 
    }

    // 3. 写入控制字到域内存
    EC_WRITE_U16(domain_pd + off_ctrl, control);
}

调用顺序：在周期任务中先 ecrt_master_receive → ecrt_domain_process，再调用 cia402_tick，最后写入 Target Position/Velocity，ecrt_domain_queue → ecrt_master_send。

6. 调试与排障

症状 可能原因 诊断建议 处理办法
状态字一直是 0x0000 未收到 PDO、驱动未上电 ethercat slaves / candump 查看是否有帧 检查布线、确认驱动激活 PDO、重设节点地址
卡在 0x0040 Switch On Disabled STO 打开、制动未释放、主电未上 查看驱动面板、测量 24V 安全链 排查急停回路、确认抱闸释放条件
频繁 Fault，StatusWord 高位闪动 模式与参数不匹配 (如功率不足) 读取 0x603F 错误代码 根据错误码检查 0x6060、力矩/电流限制
CSP 使能后位置跳变 未同步 Target=Actual、字节序错误 打印 Target/Actual 首帧 使能前写入当前实际位置；确认 PDO 顺序与字宽
EtherCAT clock diff 报警 DC 设置与任务周期不符 ethercat diag --dc 观察误差 调整 assign_activate、cycle_ns，必要时先禁用 DC
SDO 超时 在实时周期频繁发 SDO ethercat sdos -p N 或栈日志 将 SDO 操作移到初始化线程或降低频率
CANopen 目标已使能但不动 PDO 未包含 0x607A/0x60FF candump 检查 PDO 内容 重新映射 PDO 或使用 SDO 配置 RPDO
EtherCAT 报 Sync 错误 DC 同步失败 检查 0x6060 是否设为 8 (CSP)；检查 DC 配置。

6.1 记录与日志

  • 状态字序列：在应用层打印 (status & 0x6F)，可快速看出停在哪一步。
  • 对象读写：善用 ethercat upload/download、厂商驱动监控软件，验证参数是否真的被写入。
  • 示波器/编码器：确认实际速度/位置是否与指令一致，判断是软件问题还是机械问题。

附录 A. 常用对象与缩放备注

Index 描述 默认缩放 备注
0x6081:00 Profile Velocity pulses/s PP/PV 模式下的最大速度
0x6083:00 Profile Acceleration pulses/s² 影响 PP/PV 的加速段
0x6091:01 Gear Ratio (Numerator) 整数 结合 0x6091:02；可在软件层统一单位
0x60C2:01 Interpolation Time Index 指定周期 某些驱动需要与主站周期一致
0x60FD:00 Digital Inputs bit map 用于读取驱动急停/限位信号
0x60FE:01 Digital Outputs bit map 可控制制动器、指示灯等

不同厂商对单位有差异，使用前应以 EDS/ESI 或手册为准。建议在代码中统一换算为物理量 (rad、mm、Nm)。

通过以上结构，初学者可先完成自检，再查表了解对象/模式，并根据示例快速写出控制代码；遇到问题时参考第 6 章定位原因。若需扩展特定驱动的特殊对象或宏，可在附录中继续补充。

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