当前位置：首页 > news >正文

CiA402 伺服驱动标准与控制模式详解

news 2025/8/20 14:06:41

CiA402 伺服驱动标准与控制模式详解

一、CiA402 是什么？

标准背景
- CiA402，全称 CANopen Device Profile for Drives and Motion Control，是由 CAN in Automation (CiA) 组织定义的驱动设备配置文件。
- 最初设计用于 CANopen 总线，但后来被 EtherCAT、POWERLINK、SERCOS III 等总线广泛采用。
- 它定义了一个 统一的对象字典 和 状态机 + 控制模式，使不同厂家的伺服驱动能在同一接口下互换。
主要目标
1. 统一控制方式（位置/速度/力矩等模式）。
2. 标准化状态机（开机、使能、停机、故障）。
3. 兼容多种总线（CANopen/EtherCAT/Profinet）。
4. 适配不同应用场景（定位、插补、同步、力控）。

二、CiA402 的核心组成

1. 对象字典（Object Dictionary）

驱动通过对象字典暴露配置参数（速度、加速度、极限值等）、实时变量（目标位置、实际速度）和控制指令。
对象字典分为 通信对象 (COB-ID) 和 过程数据对象 (PDO)。
上位机通过 SDO（服务数据对象）配置，PDO 进行实时交换。

2. 状态机（State Machine）

驱动必须遵守 CiA402 定义的 标准状态机，典型状态有：
- Switch On Disabled（上电禁止）
- Ready to Switch On（准备就绪）
- Switched On（上电，但未使能输出）
- Operation Enabled（运行使能）
- Fault（故障）
上位机通过 控制字 (Controlword) 控制状态机切换，驱动通过 状态字 (Statusword) 返回当前状态。

三、支持的控制模式

CiA402 标准定义了多种运动控制模式，每种模式适配不同场景。

1. Profile 系列（点到点模式）

Profile Position Mode (PP)
- 典型的点到点位置模式。
- 控制器下发目标位置，驱动根据设定的加减速参数执行。
- 常用于 Pick & Place、输送线定位。
Profile Velocity Mode (PV)
- 点到点速度模式。
- 控制器下发目标速度，驱动加速到达并维持。
- 常用于 恒速送料、卷绕张力控制。
Profile Torque Mode (PT)
- 点到点力矩模式。
- 控制器下发目标力矩（电流），驱动保持该输出。
- 常用于 压装、张力控制、柔性夹持。

2. Homing 模式

Homing Mode (HM)
- 驱动执行标准化的回零过程（利用限位开关、Z 相、软限位等）。
- 常用于 机械初始位置校准。

3. Cyclic Synchronous 系列（周期同步模式）

Cyclic Synchronous Position (CSP)
- 上位机每周期下发目标位置（带时间戳）。
- 驱动在周期内插值并跟踪。
- 优点：多轴同步精度高（EtherCAT DC 下可 <1 µs）。
- 应用：机器人、多轴插补、CNC。
Cyclic Synchronous Velocity (CSV)
- 上位机下发目标速度。
- 驱动在本地积分实现运动。
- 应用：卷绕、恒速输送、张力控制。
Cyclic Synchronous Torque (CST)
- 上位机下发目标力矩/电流。
- 驱动直接执行电流环。
- 应用：机器人力控、柔顺控制、压装。

4. Interpolated Position Modes（插补模式）

PVT (Position-Velocity-Time)
- 上位机下发一系列段点（目标位置、段末速度、执行时间）。
- 驱动内部用样条插补，保证段间速度连续。
- 应用：数控加工、激光切割、点胶轨迹。
PT (Position-Time)
- 上位机只下发目标位置+时间。
- 驱动自动生成速度曲线。
- 应用：简单点到点轨迹，但平滑度不如 PVT。

CiA402 控制模式功能对比表

模式	中文名称	输入数据	轨迹生成位置	优点	缺点	典型应用场景
PP (Profile Position)	点到点位置模式	目标位置 + 配置的速度/加速度	驱动内部生成 S 曲线或梯形曲线	简单易用；只需目标位置；适合定位	不能做多轴插补；灵活性差	Pick & Place、输送带对位、点到点搬运
PV (Profile Velocity)	点到点速度模式	目标速度 + 加速度参数	驱动内部生成速度曲线	适合恒速、张力控制；实现简单	位置不可控；轨迹精度差	卷绕、送料、输送线
PT (Profile Torque)	点到点力矩模式	目标力矩/电流	驱动直接控制电流环	可实现力控/张力；直接简单	无位置信息；需外环控制	压装、张力控制、柔性夹持
HM (Homing)	回零模式	回零方法选择	驱动内部执行	自动寻找机械零点；标准化	仅用于初始化	机械零点校准、开机复位
CSP (Cyclic Synchronous Position)	周期同步位置模式	每周期目标位置（带时间戳）	上位机做轨迹规划；驱动跟随	µs 级同步精度；适合机器人/CNC；灵活	上位机计算压力大；通信负担重	CNC 插补、机器人多轴协调、AGV 路径跟随
CSV (Cyclic Synchronous Velocity)	周期同步速度模式	每周期目标速度	上位机生成速度；驱动积分位置	通信量小于 CSP；适合卷绕/输送	轨迹精度较差；同步性低于 CSP	卷绕、恒速输送、电子齿轮从轴
CST (Cyclic Synchronous Torque)	周期同步力矩模式	每周期目标力矩	上位机决定力矩；驱动执行电流环	高速力控；适合机器人柔顺、压装	不控制位置；需外部环路	力控、打磨、装配、柔顺机器人
PVT (Position-Velocity-Time)	位置-速度-时间插补模式	一系列段点（位置+末速度+时间）	驱动内部样条/多项式插补	平滑度高；抗抖动；上位机负担小	段内难以修改轨迹；依赖驱动能力	数控加工、激光切割、点胶轨迹
PT (Position-Time)	位置-时间插补模式	一系列段点（位置+时间）	驱动内部线性或简单插补	数据量小，易实现；适合简单轨迹	速度连续性差；平滑度不如 PVT	点到点定位、低速轨迹

“实时性需求” 与 “上位机负担”

在这里插入图片描述

Interpolated Position (IP) 模式详解

1. 定义

IP 模式（Interpolated Position Mode）是 CiA-402 驱动配置文件里的一种运动模式。
它允许上位机（主控制器）周期性地发送一组轨迹点（插补数据），由驱动器在点与点之间进行插值运算，从而生成平滑的运动轨迹。
这是 CANopen/EtherCAT 等总线中，解决 带宽有限 与 轨迹平滑 需求的重要手段。

2. 数据结构

在 CiA-402 中，IP 模式通常对应对象字典 0x60C1h、0x60C2h 等。
轨迹点可以有两种常见格式：

PT（Position–Time）格式

每个点包含：
- 目标位置 (Position)
- 段时间 Δt (Time)
驱动器根据段时间与目标位置，自动生成速度曲线。

👉 优点：数据量小，实现简单。
👉 缺点：段间速度可能不连续，轨迹平滑性不如 PVT。

PVT（Position–Velocity–Time）格式

每个点包含：
- 目标位置 (Position)
- 段末速度 (Velocity)
- 段时间 Δt (Time)
驱动器根据 (位置+末速度+时间) 做多项式插补（通常三次样条），保证段间速度连续。

👉 优点：轨迹连续、平滑度高。
👉 缺点：数据量大，规划算法稍复杂。

3. 工作机制

上位机（如 STM32F405） 先做好轨迹规划 → 生成一系列 PVT 或 PT 点。
周期性通过 PDO（过程数据对象） 或 SDO（服务数据对象） 下发到驱动器的缓冲区（FIFO）。
驱动器内部以**更高频率（2–8 kHz）**进行插补，保证平滑的电机运动。
主控保持一定的前瞻缓冲（100–200 ms），避免驱动断流。
驱动器若 FIFO 低水位或出错，会通过状态字/错误码上报。

4. 特点

带宽友好：相比 CSP 每 1 ms 下发一个点，IP 模式可以 10–20 ms 下发一个段，大幅减少 CAN 总线负载。
鲁棒性高：即使短时通信丢帧，驱动器还能继续执行 FIFO 内剩余轨迹，不会立即停顿。
平滑性好：PVT 轨迹能保证速度连续，适合数控加工/点胶/激光切割。
延迟可控：前瞻越多，抗干扰越强，但实时性降低。

5. 典型应用场景

数控机床 (CNC)：刀具轨迹控制。
机器人轨迹：多关节曲线运动。
点胶/喷涂/激光切割：需要高轨迹平滑性。
包装/印刷：飞剪、跟随切割。

6. 与其他模式对比

模式	数据输入	插补位置	优点	缺点
CSP	每周期目标位置	控制器规划	实时同步精度高	总线带宽压力大，容错差
IP (PT/PVT)	一系列段点 (位置/时间/速度)	驱动内部	带宽友好，轨迹平滑，容错好	实时性低于 CSP，段内不可改
PP	单目标位置	驱动内部	简单，点到点定位	无法连续轨迹

✅ 总结一句话：
Interpolated Position (IP) 模式 = 上位机负责规划“路标”，驱动负责在路标间自动补全轨迹。
在 CANopen + STM32F405 这种资源有限的场景下，IP 模式（尤其是 PVT 格式）是最实用、最稳妥的插补方式。

CSP vs PT vs PVT 时间轴对比图

在这里插入图片描述

CSP（蓝色折线）
- 每 1 ms 下发一个目标点，驱动只是“跟随”。
- 优点：实时性高，精确同步。
- 缺点：总线压力大，抗通信抖动差。
PT（橙色折线）
- 每个段点只包含“位置+时间”，驱动在两点间做线性插补。
- 优点：实现简单，数据量小。
- 缺点：段间速度不连续，轨迹有“折角”。
PVT（绿色曲线）
- 段点包含“位置+末速度+时间”，驱动做多项式/样条插补。
- 优点：段间速度连续，轨迹平滑。
- 缺点：数据量比 PT 大，上位机规划稍复杂。

👉 直观上：

CSP = 高分辨率折线（通信压力大）。
PT = 分段直线（简单但不平滑）。
PVT = 平滑曲线（最接近真实轨迹）。

CSP vs PT vs PVT 速度曲线对比图

这张图展示了 **CSP / PT / PVT 三种方式的速度曲线**：

CSP (蓝色)
- 速度曲线呈“锯齿状”，因为每 1 ms 下发位置点，驱动只是跟随 → 数值差分导致速度抖动大。
PT (橙色)
- 段内速度恒定，段与段之间出现速度跳变 → 轨迹不连续，容易产生机械冲击。
PVT (绿色)
- 速度曲线平滑连续，段间无跳变 → 轨迹自然流畅，最适合高精度插补。

👉 结论：

CSP：高精度但对通信要求极高，速度曲线容易抖动。
PT：实现简单，但速度曲线不连续。
PVT：速度连续性最好，兼顾带宽和轨迹平滑。

CSP vs PT vs PVT 的加速度曲线对比图

在这里插入图片描述

CSP 为多级小台阶、PT 为少量大台阶、PVT 为平滑曲线

CSP：速度是很多小阶梯 → 加速度表现为密集且幅值较小的负脉冲（图中蓝色竖条），每次目标速度更新会出现一次尖峰。
PT：速度在段边界发生较大跳变 → 加速度是少量但幅值更大的脉冲（橙色虚线竖条），段与段之间不连续。
PVT：速度连续并按样条平滑变化 → 加速度连续且平滑（绿色点划线），机械冲击最小。

CSP vs CSV 的速度曲线对比图

在这里插入图片描述

CSP
- 主站下发的是 位置点，驱动器根据采样周期计算出速度。
- 速度表现为一阶一阶的小台阶，存在明显的离散化。
- 特点：精确的多轴同步，实时性强，但对带宽和时钟同步要求高。
CSV
- 主站直接下发的是 速度设定值，驱动内部积分得到位置。
- 速度曲线是连续的、可直接光滑控制。
- 特点：带宽压力较小，控制平滑，但多轴同步精度略低于 CSP。

CSP vs CSV 的加速度对比图

在这里插入图片描述

CSP (Cyclic Synchronous Position)
- 因为位置点是周期性小步进更新，速度呈阶梯 → 加速度表现为密集脉冲尖峰。
- 每个 1 ms（或设定周期）都会有突变，加速度曲线非常“抖”。
- 特点：轨迹精确，但对机械系统冲击大，需要高带宽+滤波补偿。
CSV (Cyclic Synchronous Velocity)
- 主控直接下发平滑速度 → 驱动内部积分为位置。
- 加速度曲线平滑连续，几乎没有尖峰。
- 特点：运动更柔和，适合连续速度控制，但多轴同步精度略逊于 CSP。

要不要我再画一张 CSP vs CSV 的位置曲线对比图，这样三个维度（位置-速度-加速度）就能完整对照？

四、厂商扩展的高级模式

在 CiA402 基础上，各厂商还扩展了：

电子齿轮 (Electronic Gear)：从轴按主轴比例运动。
电子凸轮 (Electronic Cam)：从轴根据主轴位置查表运行，适合飞剪、包装。
NC 模式/路径下载：直接下载 G-code / NC 轨迹，驱动内置轨迹生成器。
复合模式 (Hybrid)：叠加位置+力矩，实现柔顺控制。

五、应用场景选型

场景	推荐模式	推荐总线
点到点定位 (Pick & Place)	PP	CANopen / EtherCAT
恒速输送 / 卷绕	PV / CSV	CANopen (低速) / EtherCAT (高速)
压装 / 力控	PT / CST	EtherCAT
机器人 / CNC	CSP	EtherCAT
高速轨迹加工	PVT	EtherCAT / CANopen
包装 / 飞剪	Cam / Gear	EtherCAT / CANopen