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CiA 402 — 伺服驱动器辅助

CiA 402 (IEC 61800-7-204) 是基于 CoE 的伺服驱动器设备协议。封装了驱动器状态机管理、操作模式切换和运动参数访问。

CiA 402 运行在 CoE (SDO) 之上，仅当从站支持 CoE 时可用。

通过 slave.GetCiA402() 获取 CiA402& 引用。​

状态查询​

StateDrive()​

StateCiA402 StateDrive() const;

获取驱动器状态（解析 StatusWord）。

相关结构:

enum class StateCiA402 : uint8_t {
    NotReadyToSwitchOn  = 0,   // 未就绪
    SwitchOnDisabled    = 1,   // 开启已禁用
    ReadyToSwitchOn     = 2,   // 准备就绪
    SwitchedOn          = 3,   // 已开启
    OperationEnabled    = 4,   // 运行使能
    QuickStopActive     = 5,   // 快速停止中
    FaultReactionActive = 6,   // 故障处理中
    Fault               = 7    // 故障
};

Statusword​

uint16_t Statusword() const;

读取状态字 (CiA 402 标准状态字, 包含状态机标志)。便捷布尔: TargetReached() / HasFault() / HasWarning() / IsRemote() / HomingAttained() / HomingError()。

示例:

auto& cia = master.GetSlave(1).GetCiA402();
printf("StatusWord: 0x%04X\n", cia.Statusword());
printf("目标到达: %s\n", cia.TargetReached() ? "是" : "否");
printf("有故障: %s\n",   cia.HasFault()      ? "是" : "否");

Controlword​

uint16_t Controlword() const;
void Controlword(uint16_t v) const;

读取/写入 CiA 402 标准控制字。手动操作状态机时使用; 推荐使用 Enable() / QuickStop() / FaultReset() 高层包装。

使能与停止​

Enable(int max_retries = 10)​

bool Enable(int max_retries = 10) const;

使能驱动器: 状态机推进逻辑下沉到 native DLL (CiA402_Enable), 内部按 CiA 402-2 完成 SwitchOnDisabled → ReadyToSwitchOn → SwitchedOn → OperationEnabled 全套时序、Fault 复位、QuickStop 恢复 (含 0x605A 选项码判断), 不在 C++ 层暴露状态机 IP。

参数:

  • max_retries -- 最大重试次数 (默认 10)

返回值:

  • bool -- true = 已使能到 OperationEnabled, false = 失败/超时. 详细枚举状态调用 StateDrive()。

Disable()​

void Disable() const;

禁用伺服 (Disable Voltage)。等同 ControlWord = 0x00, 进入 SwitchOnDisabled 状态。

DisableOperation()​

void DisableOperation() const;

禁用运行 (回退到 SwitchedOn 状态), 主轴保持上电但不输出力矩。

QuickStop()​

void QuickStop() const;

快速停止。

FaultReset()​

void FaultReset() const;

故障复位。

示例:

auto& cia = master.GetSlave(1).GetCiA402();

// 一次性使能 (内部完成完整状态机)
if (cia.Enable()) {
    printf("使能成功\n");
} else {
    printf("使能失败, 当前状态: %d\n", static_cast<int>(cia.StateDrive()));
}

// 故障处理
if (cia.HasFault()) {
    cia.FaultReset();
}

操作模式​

OperationMode()​

ModeCiA402 OperationMode() const;            // 读取操作模式 (0x6061)
void OperationMode(ModeCiA402 m) const;      // 设置操作模式 (0x6060)

相关结构:

enum class ModeCiA402 : int8_t {
    PP    = 1,    // 轮廓位置模式
    VL    = 2,    // 速度模式
    PV    = 3,    // 轮廓速度模式
    PT    = 4,    // 轮廓转矩模式
    HM    = 6,    // 回零模式
    IP    = 7,    // 插补位置模式
    CSP   = 8,    // 周期同步位置模式
    CSV   = 9,    // 周期同步速度模式
    CST   = 10,   // 周期同步转矩模式
    CSTCA = 11    // 周期同步转矩带换向角模式
};

IsModeSupported()​

bool IsModeSupported(ModeCiA402 mode) const;

检查驱动器是否支持指定操作模式（通过 0x6502 查询）。

示例:

auto& cia = master.GetSlave(1).GetCiA402();

// 设置为 CSP 模式
cia.OperationMode(ModeCiA402::CSP);

// 验证
printf("当前模式: %d\n", static_cast<int>(cia.OperationMode()));

// 检查支持的模式
if (cia.IsModeSupported(ModeCiA402::CSP)) {
    printf("支持 CSP 模式\n");
}

运动参数​

位置/速度/转矩 (读取)​

int32_t PositionActual() const;    // 实际位置 (0x6064)
int32_t VelocityActual() const;    // 实际速度 (0x606C)
int16_t TorqueActual() const;      // 实际转矩 (0x6077)

目标值 (读写)​

int32_t TargetPosition() const;
void TargetPosition(int32_t v) const;    // 目标位置 (0x607A)

int32_t TargetVelocity() const;
void TargetVelocity(int32_t v) const;    // 目标速度 (0x60FF)

int16_t TargetTorque() const;
void TargetTorque(int16_t v) const;      // 目标转矩 (0x6071)

轮廓参数 (读写)​

uint32_t ProfileVelocity() const;
void ProfileVelocity(uint32_t v) const;           // 轮廓速度 (0x6081)

uint32_t ProfileAcceleration() const;
void ProfileAcceleration(uint32_t v) const;        // 轮廓加速度 (0x6083)

uint32_t ProfileDeceleration() const;
void ProfileDeceleration(uint32_t v) const;        // 轮廓减速度 (0x6084)

uint32_t QuickStopDeceleration() const;
void QuickStopDeceleration(uint32_t v) const;      // 快停减速度 (0x6085)

PP 模式辅助​

NewSetpoint()​

void NewSetpoint(int32_t position, bool relative = false) const;

PP 模式发送新定位命令。自动设置 ControlWord Bit 4（NewSetpoint）。

ClearNewSetpoint()​

void ClearNewSetpoint() const;

清除 NewSetpoint 位。

StartHoming()​

void StartHoming() const;

HM 模式启动回零。

扩展轮廓参数​

uint8_t Polarity() const;
void Polarity(uint8_t v) const;               // 极性设置 (0x607E)

int16_t MotionProfileType() const;
void MotionProfileType(int16_t v) const;      // 运动轮廓类型 (0x6086)

int32_t SoftwarePositionLimitMin() const;
void SoftwarePositionLimitMin(int32_t v) const;  // 软件位置最小限制 (0x607D:01)

int32_t SoftwarePositionLimitMax() const;
void SoftwarePositionLimitMax(int32_t v) const;  // 软件位置最大限制 (0x607D:02)

回零参数​

int8_t HomingMethod() const;
void HomingMethod(int8_t v) const;       // 回零方式 (0x6098)

int32_t HomeOffset() const;
void HomeOffset(int32_t v) const;        // 原点偏移 (0x607C)

uint32_t HomingSpeedSearch() const;
void HomingSpeedSearch(uint32_t v) const;   // 回零搜索速度 (0x6099:01)

uint32_t HomingSpeedZero() const;
void HomingSpeedZero(uint32_t v) const;     // 回零零脉冲速度 (0x6099:02)

uint32_t HomingAcceleration() const;
void HomingAcceleration(uint32_t v) const;  // 回零加速度 (0x609A)

TouchProbe​

uint16_t TouchProbeStatus() const;           // 状态 (0x60B9)
int32_t TouchProbePositiveEdge() const;      // 正沿位置 (0x60BA)
int32_t TouchProbeNegativeEdge() const;      // 负沿位置 (0x60BB)
void ConfigureTouchProbe(uint16_t function) const;  // 配置 (0x60B8)

数字 IO​

uint32_t DigitalInputs() const;              // 数字输入 (0x60FD)
uint32_t DigitalOutputs() const;             // 数字输出 (0x60FE:1)
void DigitalOutputs(uint32_t v) const;       // 设置数字输出

扩展运动参数​

方法类型访问说明
MaxTorque()uint16_t读写最大转矩 (0x6072)，千分之额定转矩
MotorRatedTorque()uint32_t读写电机额定转矩 (0x6076)，单位 mNm
PositionOffset()int32_t读写位置偏移 (0x60B0)，CSP 模式下叠加到目标位置
VelocityOffset()int32_t读写速度偏移 (0x60B1)，CSV 模式下叠加到目标速度
TorqueOffset()int16_t读写转矩偏移 (0x60B2)，CST 模式下叠加到目标转矩
InterpolationTimePeriodValue()uint8_t读写插补时间周期值 (0x60C2:01)
InterpolationTimePeriodIndex()int8_t读写插补时间周期指数 (0x60C2:02)，实际周期 = Value x 10^Index 秒
QuickStopOptionCode()int16_t读写快速停止选项码 (0x605A)。0=禁用驱动, 1/2=减速停止, 5/6=减速后保持在 QuickStopActive

示例:

auto& cia = master.GetSlave(1).GetCiA402();

// 转矩配置
cia.MaxTorque(1000);          // 最大转矩 = 100% 额定
uint32_t rated = cia.MotorRatedTorque();

// CSP 模式偏移叠加
cia.PositionOffset(100);      // 位置附加偏移
cia.VelocityOffset(50);       // 速度附加偏移

// 插补时间周期 (1ms = 1 × 10^(-3) 秒)
cia.InterpolationTimePeriodValue(1);
cia.InterpolationTimePeriodIndex(-3);

// 快速停止选项 (5=减速后保持, 允许直接恢复)
cia.QuickStopOptionCode(5);

力矩限制​

方法类型访问说明
PositiveTorqueLimit()uint16_t读写正方向力矩限制 (0x60E0)，千分之额定转矩
NegativeTorqueLimit()uint16_t读写负方向力矩限制 (0x60E1)，千分之额定转矩

示例:

auto& cia = master.GetSlave(1).GetCiA402();

// 限制正负方向转矩为额定的 50%
cia.PositiveTorqueLimit(500);
cia.NegativeTorqueLimit(500);

软件位置限位​

方法类型访问说明
SoftwarePositionLimitMin()int32_t读写软件位置限位下限 (0x607D:01)
SoftwarePositionLimitMax()int32_t读写软件位置限位上限 (0x607D:02)

示例:

auto& cia = master.GetSlave(1).GetCiA402();

// 设置运动范围限制
cia.SoftwarePositionLimitMin(-1000000);
cia.SoftwarePositionLimitMax(1000000);

TxPDO 数据有效性​

TxPdoDataInvalid()​

bool TxPdoDataInvalid() const;

TxPDO 数据是否无效 (0x603E)。非零表示驱动器 TxPDO 数据不可信，例如编码器未就绪时位置值无意义。

示例:

auto& cia = master.GetSlave(1).GetCiA402();
if (!cia.TxPdoDataInvalid()) {
    int32_t pos = cia.PositionActual();  // 数据有效，可安全使用
}

同步功能​

方法类型访问说明
SynchronizationSettings()uint16_t读写同步设置 (0x60D9:01)，同步使能位掩码
DriveSyncStatus()uint16_t只读驱动同步状态 (0x60DA)，指示驱动器是否已同步到主站时钟

示例:

auto& cia = master.GetSlave(1).GetCiA402();

// 读取驱动器同步状态
uint16_t syncStatus = cia.DriveSyncStatus();
printf("同步状态: 0x%04X\n", syncStatus);

// 配置同步设置
cia.SynchronizationSettings(0x0001);

回零方法枚举​

enum class HomingMethodCiA402 : int8_t {
    None                        = 0,    // 无回零
    NegativeLimitSwitch         = 1,    // 负限位开关
    PositiveLimitSwitch         = 2,    // 正限位开关
    PositiveHomeSwitch          = 3,    // 正原点开关 (正向)
    PositiveHomeSwitchNeg       = 4,    // 正原点开关 (负向)
    NegativeHomeSwitch          = 5,    // 负原点开关 (负向)
    NegativeHomeSwitchPos       = 6,    // 负原点开关 (正向)
    HomeSwitchPositiveIndex     = 7,    // 原点开关+正向索引脉冲
    HomeSwitchNegativeIndex     = 11,   // 原点开关+负向索引脉冲
    NegativeLimitIndex          = 17,   // 负限位+索引脉冲
    PositiveLimitIndex          = 18,   // 正限位+索引脉冲
    PositiveIndex               = 33,   // 正向索引脉冲
    NegativeIndex               = 34,   // 负向索引脉冲
    CurrentPosition             = 35,   // 当前位置为零点
    TouchProbe                  = 37,   // Touch Probe
};

快速运动控制​

void MoveAbsolute(int32_t position) const;    // 绝对定位运动
void MoveRelative(int32_t distance) const;    // 相对定位运动
void StartMotion() const;                     // 启动运动 (使能)
void StopMotion() const;                      // 停止运动 (禁用操作)
void EmergencyStop() const;                   // 紧急停止 (快速停止)

bool IsMoving() const;                        // 是否在运动中
bool IsInPosition() const;                    // 是否到位
bool IsFaulted() const;                       // 是否有故障
uint16_t GetFaultCode() const;                // 获取故障码 (0x603F)
void ClearFault() const;                      // 清除故障

驱动器支持查询​

uint32_t SupportedDriveModes() const;        // 支持的操作模式位图 (0x6502)
bool IsModeSupported(ModeCiA402 mode) const; // 检查是否支持指定模式

同步设置​

uint16_t SynchronizationSettings() const;
void SynchronizationSettings(uint16_t v) const;  // 同步使能位掩码 (0x60D9:01)

uint16_t DriveSyncStatus() const;                 // 驱动同步状态 (0x60DA, 只读)

PDO 偏移管理​

用于 CSP/CSV/CST 等 PDO 模式下的零拷贝快速访问：

auto& cia = master.GetSlave(1).GetCiA402();

// 初始化 PDO 偏移缓存 (SafeOp/OP 状态下调用一次)
cia.InitializePdoOffsets();

// 检查是否已初始化
if (cia.PdoInitialized()) {
    printf("PDO 偏移已初始化\n");
}

// 重置偏移缓存
cia.ResetPdoOffsets();

标准对象索引常量 (CiA402Obj)​

可搭配 coe.SDORead / SDOWrite 使用：

常量值说明
CONTROLWORD0x6040控制字
STATUSWORD0x6041状态字
MODES_OF_OPERATION0x6060操作模式设置
MODES_OF_OPERATION_DISPLAY0x6061操作模式显示
TARGET_POSITION0x607A目标位置
POSITION_ACTUAL0x6064实际位置
TARGET_VELOCITY0x60FF目标速度
VELOCITY_ACTUAL0x606C实际速度
TARGET_TORQUE0x6071目标转矩
TORQUE_ACTUAL0x6077实际转矩
MAX_TORQUE0x6072最大转矩
MOTOR_RATED_TORQUE0x6076电机额定转矩
HOME_OFFSET0x607C回零偏移
SOFTWARE_POSITION_LIMIT0x607D软件位置限制
POLARITY0x607E极性
MAX_PROFILE_VELOCITY0x6080最大轮廓速度
PROFILE_VELOCITY0x6081轮廓速度
PROFILE_ACCELERATION0x6083轮廓加速度
PROFILE_DECELERATION0x6084轮廓减速度
QUICK_STOP_DECELERATION0x6085快速停止减速度
MOTION_PROFILE_TYPE0x6086运动轮廓类型
HOMING_METHOD0x6098回零方法
HOMING_SPEEDS0x6099回零速度
HOMING_ACCELERATION0x609A回零加速度
POSITION_OFFSET0x60B0位置偏移 (CSP)
VELOCITY_OFFSET0x60B1速度偏移 (CSV)
TORQUE_OFFSET0x60B2转矩偏移
TOUCH_PROBE_FUNCTION0x60B8Touch Probe 功能控制
TOUCH_PROBE_STATUS0x60B9Touch Probe 状态
TOUCH_PROBE_POS_EDGE0x60BATouch Probe 正边沿位置
TOUCH_PROBE_NEG_EDGE0x60BBTouch Probe 负边沿位置
INTERPOLATION_TIME_PERIOD0x60C2插补时间周期
QUICK_STOP_OPTION_CODE0x605A快速停止选项码
DIGITAL_INPUTS0x60FD数字输入
DIGITAL_OUTPUTS0x60FE数字输出
ERROR_CODE0x603F错误代码
SUPPORTED_DRIVE_MODES0x6502支持的模式位图

控制字命令常量​

常量值说明
CW_SHUTDOWN0x06关机命令
CW_SWITCH_ON0x07开启命令
CW_ENABLE_OPERATION0x0F使能运行
CW_DISABLE_VOLTAGE0x00禁用电压
CW_QUICK_STOP0x02快速停止
CW_FAULT_RESET0x80故障复位
CW_HALT0x0100暂停位 (Bit 8)

状态字位掩码常量​

常量值说明
SW_READY_TO_SWITCH_ON0x0001 (Bit 0)准备就绪
SW_SWITCHED_ON0x0002 (Bit 1)已开启
SW_OPERATION_ENABLED0x0004 (Bit 2)运行使能
SW_FAULT0x0008 (Bit 3)故障
SW_VOLTAGE_ENABLED0x0010 (Bit 4)电压已使能
SW_QUICK_STOP0x0020 (Bit 5)快速停止
SW_SWITCH_ON_DISABLED0x0040 (Bit 6)开启已禁用
SW_WARNING0x0080 (Bit 7)警告
SW_REMOTE0x0200 (Bit 9)远程模式
SW_TARGET_REACHED0x0400 (Bit 10)目标已到达
SW_INTERNAL_LIMIT0x0800 (Bit 11)内部限位激活
SW_HOMING_ATTAINED0x1000 (Bit 12)回零完成
SW_HOMING_ERROR0x2000 (Bit 13)回零错误

驱动器信息​

SupportedDriveModes()​

uint32_t SupportedDriveModes() const;

支持的驱动模式位掩码 (0x6502, 只读)。Bit 0=PP, Bit 1=VL, Bit 2=PV, Bit 3=PT, Bit 5=HM, Bit 6=IP, Bit 7=CSP, Bit 8=CSV, Bit 9=CST。

GetSupportedModes()​

std::vector<ModeCiA402> GetSupportedModes() const;

获取驱动器支持的全部操作模式列表。

SupportedHomingMethods()​

std::vector<int8_t> SupportedHomingMethods() const;

读取驱动器支持的回零方法列表 (0x60E3)。返回所有支持的回零方法编号。

示例:

auto& cia = master.GetSlave(1).GetCiA402();
auto methods = cia.SupportedHomingMethods();
printf("支持 %d 种回零方法\n", (int)methods.size());

完整示例​

CSP 模式 — 周期同步位置控制​

#include "ethercat.hpp"
using namespace darra::ethercat;

int main() {
    EtherCATMaster master(dll);
    master.SetNetwork("\\Device\\NPF_{...}")
          .SetEni("config.deni")
          .Build();

    auto& cia = master.GetSlave(1).GetCiA402();

    // 设置操作模式 + 初始化 PDO 偏移
    cia.OperationMode(ModeCiA402::CSP);
    cia.InitializePdoOffsets();

    master.SetState(EcState::OP);
    master.Start();

    // 一次性使能 (内部完成完整状态机)
    if (!cia.Enable()) {
        printf("使能失败, 当前状态: %d\n", static_cast<int>(cia.StateDrive()));
        return -1;
    }

    // PDO 周期回调下发目标位置
    master.Events().ProcessDataCyclicSync = [&](uint16_t /*mi*/) {
        if (cia.HasFault()) {
            uint16_t code = cia.GetFaultCode();
            printf("驱动器故障, code=0x%04X\n", code);
            cia.FaultReset();
            cia.Enable();
            return;
        }
        // 周期更新 TargetPosition (CSP 模式由 PDO 直接传递)
    };

    getchar();
    cia.Disable();
    master.Close();
    return 0;
}