CiA 402伺服行规：状态机与工作模式

1. CiA 402 是什么

CiA 402 是 CANopen 的驱动与运动控制行规（Device Profile Drives and Motion Control）。它规定了伺服/变频/步进驱动器"长什么样"：

状态机：统一的使能/运行/停机/故障流程，保证任何厂商的驱动器都"安全地动起来"
控制字 6040h / 状态字 6041h：主站下发命令、从站上报状态的标准位定义
工作模式：位置/速度/转矩/回零/同步插补等，操作模式由 6060h/6061h 选择
数据对象：目标位置 607Ah、目标速度 60FFh、轮廓加减速 6083h/6084h 等标准化参数

简单说：只要会操作一个 CiA 402 驱动器，换任何牌子都能上手——这正是行规的价值。

2. 状态机：驱动器的一生

CiA 402 定义了 8 个状态，任何时刻驱动器只处于其中一个。状态迁移由控制字 6040h 的低 4 位 + bit7 触发：

状态	含义	状态字特征位
Not ready to switch on	初始化/自检中	—
Switch on disabled	上电完成，主回路未使能，可配置	bit6=1
Ready to switch on	等待合闸	bit0=1
Switched on	主回路已合闸	bit0+bit1=1
Operation enabled	正常运行，可执行运动指令	bit0+bit1+bit2=1
Quick stop active	快速停机中	bit5=1
Fault reaction active	故障响应中	bit3=1
Fault	故障锁定	bit3+bit6=1

2.1 控制字 6040h：主站发命令

控制字关键位

bit0 Switch on · bit1 Enable voltage · bit2 Quick stop(0=请求停机) · bit3 Enable operation · bit7 Fault reset(0→1 上升沿)

命令	值	从状态 → 目标状态
Disable voltage	0x0002	任意 → Switch on disabled
Shutdown	0x0006	Switch on disabled → Ready to switch on
Switch on	0x0007	Ready → Switched on
Enable operation	0x000F	Switched on → Operation enabled
Disable operation	0x000F	Operation enabled → Switched on
Quick stop	0x0003	Operation enabled → Quick stop active
Fault reset	0x0080	Fault → Switch on disabled

💡 同一个 0x000F 是"使能"也是"停机"？

对！0x000F 在 Switched on 状态是"Enable operation"，在 Operation enabled 状态是"Disable operation"。命令的含义取决于当前状态——这是状态机设计里最容易迷惑新手的一点。所以从站的命令处理必须先查当前状态，再看命令位。

2.2 状态字 6041h：从站报状态

位	含义	位	含义
bit0	Ready to switch on	bit5	Quick stop
bit1	Switched on	bit6	Switch on disabled
bit2	Operation enabled	bit7	Warning
bit3	Fault	bit10	Target reached
bit4	Voltage enabled	bit11	Internal limit active

常见组合值：Switch on disabled=0x0250 · Ready=0x0221 · Switched on=0x0223 · Operation enabled=0x0233 · Quick stop=0x0227 · Fault=0x0238。

3. 工作模式：怎么运动

操作模式对象 6060h（选择）/6061h（反馈）。常用模式：

模式号	名称	指令对象	适用
1	轮廓位置 PPM	目标位置 607Ah、轮廓速度 6081h	点到点定位，驱动内插补
3	轮廓速度 PVM	目标速度 60FFh	速度控制
4	转矩 PT	目标转矩 6071h	力矩/张力控制
6	回零 HM	回零方式 6098h、回零速度 6099h	上电找原点
7	插补位置 IP	插补数据缓冲	复杂轨迹
8	周期同步位置 CSP	目标位置 607Ah（每周期写）	EtherCAT/高性能同步
9	周期同步速度 CSV	目标速度 60FFh（每周期写）	同步速度
10	周期同步转矩 CST	目标转矩 6071h（每周期写）	同步转矩

3.1 轮廓模式 vs 周期同步模式

轮廓模式（1/3/4）：主站只给目标值 + 速度/加速度，插补由驱动内部完成。适合点位运动、单个轴。
周期同步模式（8/9/10）：主站每个 SYNC 周期通过 PDO 下发新目标，轨迹插补在上位机/主站完成，驱动只做电流环跟随。适合多轴联动、电子凸轮、机器人。

这正好接上上一课的 PDO：周期同步模式里，每个 SYNC 周期一个 TPDO/RPDO 交换——RPDO 带目标值下来，TPDO 把实际值传上去。

4. 同步机制：SYNC 与同步 PDO

主站周期发 SYNC（0x080），所有从站收到后同步执行/采样。同步 PDO（传输类型 1~240）挂在 SYNC 上：

SYNC 到达 → 从站把 TPDO 数据打包发出 / 应用新 RPDO 目标
传输类型 1：每 1 个 SYNC 发一次；类型 n：每 n 个 SYNC 发一次
周期同步模式要求SYNC 周期 ≈ 电流环周期整数倍（如 1ms），且 PDO 的 COB-ID、映射在预操作阶段配好

⚠️ 同步丢帧的后果

CSP 模式如果连续几个周期没收到新目标位置，驱动器会进入同步丢失状态并可能触发故障。所以主站要监控 TPDO 的"心跳/实际位置是否在更新"，一旦失联立即安全停机，而不是让位置悬空。

5. 交互式演示：状态机迁移

点击下方命令按钮，观察状态机怎么迁移、控制字/状态字怎么变。重点试：0x000F 在"Switched on"是使能、在"Operation enabled"是停机；以及从"Fault"只能靠 0x0080 复位。

CiA 402 状态机交互演示

命令

操作模式

当前状态：Switch on disabled · 状态字 6041h=0x0250 · 控制字 6040h=0x0000 · 操作模式 6060h=8 CSP

观察要点：Fault reaction active 会短暂停留后进入 Fault；复位只在 Fault 状态有效；快速停机后可重新走上电→合闸→使能回到运行。

6. 代码实现（C语言）

6.1 状态机核心

/* CiA 402 状态机：状态枚举 + 命令处理（仅低 4 位 + bit7） */
typedef enum {
    ST_SWITCH_ON_DISABLED, ST_READY, ST_SWITCHED_ON,
    ST_OPERATION_ENABLED,  ST_QUICK_STOP,
    ST_FAULT_REACTION,     ST_FAULT
} cia402_state_t;

cia402_state_t g_state = ST_SWITCH_ON_DISABLED;

/* 根据控制字低4位和bit7迁移状态（Fault 需 0→1 上升沿复位） */
void cia402_cmd(uint16_t cw)
{
    static uint16_t last_cw = 0;
    uint8_t fault_reset = (cw & 0x80) && !(last_cw & 0x80);
    last_cw = cw;

    if (g_state == ST_FAULT) {
        if (fault_reset) g_state = ST_SWITCH_ON_DISABLED;
        return;
    }

    switch (g_state) {
        case ST_SWITCH_ON_DISABLED:
            if (cw == 0x0006) g_state = ST_READY;            /* Shutdown */
            break;
        case ST_READY:
            if (cw == 0x0007) g_state = ST_SWITCHED_ON;       /* Switch on */
            else if (cw == 0x0002) g_state = ST_SWITCH_ON_DISABLED; /* Disable voltage */
            break;
        case ST_SWITCHED_ON:
            if (cw == 0x000F) g_state = ST_OPERATION_ENABLED;  /* Enable op */
            else if (cw == 0x0006) g_state = ST_READY;
            break;
        case ST_OPERATION_ENABLED:
            if (cw == 0x0003) g_state = ST_QUICK_STOP;       /* Quick stop */
            else if (cw == 0x000F) g_state = ST_SWITCHED_ON;     /* Disable op */
            else if (cw == 0x0002) g_state = ST_SWITCH_ON_DISABLED;
            break;
        case ST_QUICK_STOP:
            if (cw == 0x0002) g_state = ST_SWITCH_ON_DISABLED;
            break;
        default: break;
    }
}

/* 由状态生成状态字（含 bit0/1/2/3/4/5/6） */
uint16_t cia402_statusword(void)
{
    static const uint16_t sw[7] = { 0x0250, 0x0221, 0x0223, 0x0233, 0x0227, 0x022F, 0x0238 };
    return sw[g_state];
}

6.2 周期同步 CSP 模式的一拍

/* 每个 SYNC 周期：读 RPDO 目标、跑位置环、写 TPDO 实际值 */
void csp_cycle(const uint32_t target_pos, uint32_t *actual_pos)
{
    if (g_state != ST_OPERATION_ENABLED) return; /* 未使能不执行 */

    int32_t err = (int32_t)(target_pos - *actual_pos);
    int32_t vel = pos_controller(err);   /* 位置环 → 速度 */
    vel_controller(vel);                /* 速度环 → iq */

    /* TPDO 上报实际位置与状态字 */
    *actual_pos = encoder_read();
    tpdo_build(g_tpdo_map, g_tpdo_n, g_tpdo_buf);
    can_send(0x180 + g_node_id, g_tpdo_buf, 8);
}

7. 工程要点与常见误区

要点 1：使能顺序不能跳

必须按 上电(0x06) → 合闸(0x07) → 使能(0x0F) 的顺序走，跳步命令会被忽略。很多"为什么发 0x0F 没反应"其实是当前状态不对。

要点 2：故障复位是上升沿

0x0080 要在故障状态下由 0→1 触发一次。持续发 0x80 不产生重复复位；复位前先清掉故障源，否则复位后又立刻进故障。

要点 3：同步周期 vs 控制周期

CSP 的 SYNC 周期（如 1ms）要 ≤ 位置环周期，且最好是其整数倍；TPDO 把实际位置发回主站做闭环/监控。周期不匹配会出现"位置来回追"的振荡。

要点 4：回零是上电第一件事

增量编码器必须回零后才能用绝对位置；回零方式（限位/原点/力矩堵转）由 6098h 选择，回零未完成前不应下发定位指令。

误区 1：以为 0x000F 永远是"使能"

0x000F 在 Operation enabled 状态下是"Disable operation"（停）——命令含义由当前状态决定。

误区 2：故障后直接发使能

必须先 0x0080 复位回 Switch on disabled，再重新上电→合闸→使能。跳过复位会一直卡在 Fault。

误区 3：轮廓模式和周期同步模式混用

轮廓模式由驱动内插补、主站只下目标；周期同步模式由主站逐周期下位置。混用会出现"位置被驱动自己改了，又被主站改回来"的打架。

8. 小结

CiA 402 用状态机统一了驱动器的使能/运行/停机/故障流程，命令含义取决于当前状态
控制字 6040h 发命令（0x02/06/07/0F/03/80），状态字 6041h 报状态（bit0-6 组合）
工作模式分轮廓模式（驱动内插补）和周期同步模式（主站逐周期下目标）两大类
周期同步模式依赖 SYNC + 同步 PDO，是运动控制与 FOC 电流环对接的桥梁
回零、故障复位、同步丢失处理是现场最常踩的坑

下一篇我们把视角切回从站本身——CANopen 从站怎么在 STM32 上落地：CANopenNode 移植、PDO/SDO 配置、心跳与节点 ID，以及总线负载率的工程预算。