CANopen 後編 ―― 仮想サーボを回す（3/5）

前編では CANopen の配管、NMT・SDO・PDO・SYNC を一通り通しました。今回はその配管に中身を流します。

サーボモータを回します。といっても実物は使いません。PCの中に、規格どおりに振る舞うサーボを1台作ります。

この記事で作るもの

仮想サーボを規格の手順どおりに起動し、位置指令を与えて追従させ、そのカーブをグラフにします。

  起動直後                               Statusword = 0x0250  ->  Switch on disabled
  Controlword = 0x06 (Shutdown)      Statusword = 0x0231  ->  Ready to switch on
  Controlword = 0x07 (Switch on)     Statusword = 0x0233  ->  Switched on
  Controlword = 0x0F (Enable operation) Statusword = 0x0237  ->  Operation enabled
  SDO write 0x6060 = 8  ->  0x6061 (実際のモード) = 8  (csp)
  t=0.101s  target= 10000  actual=  6229  status=0x0237
  t=0.302s  target= 10000  actual=  9854  status=0x0237
  t=0.591s  target= 10000  actual=  9999  status=0x0237

0x0F を書いた行で通電し、そこから位置が目標に寄っていきます。

使うもの（すべてオープンソース・費用ゼロ・ハード不要）

./.venv/bin/pip install "python-can[multicast]==4.6.1" matplotlib==3.10.7

コードは3本に分かれています。実行するのは3つ目です。

./.venv/bin/python 02_canopen/run_servo_demo.py

グラフの見た目はリポジトリ直下の figstyle.py に切り出してあります。

① CiA 402 とは — サーボの共通語

前編で「0x6000 番台は規格で決まっている」と書きました。それを決めているのが CiA 402 で、サーボに必要な操作に番号を振って標準化したものです。

CiA 402 が動かすのは、この実物です。サーボモータとドライブ（CANopen ノード）、回転する負荷が軸でつながっています。Controlword で命じ、Statusword で状態を受け取り、Target position で位置を指令します。

利点は、メーカーが違っても同じ番号に同じものが入っていることです。各社が公開しているサーボの取扱説明書を見ると、通電までの手順は共通しています。

安川のサーボでも、Beckhoff のサーボでも、0x6040 に 0x06、0x07、0x0F と順に書く形です。だからモータを別メーカーに載せ替えても、マスタ側のコードはほぼそのまま動きます。

② 状態機械と動作モード

いきなり回らない

CiA 402 のサーボは、電源を入れてもすぐには動きません。決められた順番で状態を進めないと通電しません。安全のためです。

本編では、動かすために最低限必要な3ステップだけ扱います。

stateDiagram-v2
    [*] --> SOD
    SOD : Switch on disabled
    RTSO : Ready to switch on
    SW : Switched on
    OE : Operation enabled

    SOD --> RTSO : Controlword = 0x06
    RTSO --> SW : Controlword = 0x07
    SW --> OE : Controlword = 0x0F
    note right of OE : ここで初めて通電

Operation enabled に入って初めて、モータに電流が流れます。

stateDiagram-v2
    [*] --> NRSO
    NRSO : Not ready to switch on
    SOD : Switch on disabled
    RTSO : Ready to switch on
    SW : Switched on
    OE : Operation enabled
    QSA : Quick stop active
    FRA : Fault reaction active
    F : Fault

    NRSO --> SOD : 自動
    SOD --> RTSO : 0x06 Shutdown
    RTSO --> SW : 0x07 Switch on
    SW --> OE : 0x0F Enable operation
    OE --> SW : 0x07 Disable operation
    OE --> RTSO : 0x06 Shutdown
    RTSO --> SOD : 0x00 Disable voltage
    SW --> SOD : 0x00 Disable voltage
    OE --> SOD : 0x00 Disable voltage
    OE --> QSA : Quick stop (bit2 = 0)
    QSA --> SOD : 自動（停止完了）
    QSA --> OE : 0x0F（許可時のみ）
    OE --> FRA : Fault
    FRA --> F : 自動
    F --> SOD : 0x80 Fault reset
    note right of F : Fault はどの状態からでも入りうる

Controlword のビット

bit 0 : Switch on
bit 1 : Enable voltage
bit 2 : Quick stop      ← アクティブ Low（0 で急停止が発動）
bit 3 : Enable operation
bit 7 : Fault reset     ← 立ち上がりエッジで作用

先ほどの3つの値を分解すると:

bit2（Quick stop）はアクティブ Low で、私は最初ここを読み違えました。1 が「急停止していない」を表すので、0x06 にも 0x07 にも bit2 が立っています。

同じ 0x07 が、2つの意味を持つ

CiA 402 を読んでいて面白かったのがここです。0x07 は "Switch on" であり、同時に "Disable operation" でもあります。

• Ready to switch on で 0x07 を書くと Switched on に進む（投入）
• Operation enabled で 0x07 を書くと Switched on に戻る（停止）

同じ16ビットのパターンが、受け取った側の状態によって正反対の意味になります。第1回の Modbus では「番地に何が入っているかが線の上に書かれていない」という話でしたが、CiA 402 では意味そのものが文脈の中にあり、プロトコルを読むときはその文脈も一緒に追うことになります。

Statusword の読み方

サーボは 0x6041 で状態を返します。

bit 0 : Ready to switch on
bit 1 : Switched on
bit 2 : Operation enabled
bit 3 : Fault
bit 4 : Voltage enabled
bit 5 : Quick stop        ← アクティブ Low
bit 6 : Switch on disabled
bit 10: Target reached

状態の判定表:

この表が見ているのは下位7ビットだけです。実例の 0x0250 や 0x0237 にある上位バイト 0x02 は bit9（Remote。この実装では常に 1）で、bit4（Voltage enabled）も常に 1 なので、実際に返る Statusword は表の値に 0x200 と 0x10 が乗ります。

動作モード — 軌道を誰が作るか

0x6060 に書く番号でモードを選びます。

「csp は位置制御、csv は速度制御」という説明を見かけますが、それだけだと pp / pv との違いが残ります。私が分けやすいと感じたのは「軌道を誰が作るか」という軸のほうでした。

csp は、マスタが「1ms 後はここ、その次はここ」と点を打ち続け、サーボはひたすら追従します。周期が確実に来ることが前提です。

③ 手を動かす

構成は前編と同じ、1プロセスの中にマスタ役（メイン）とサーボ役（スレッド）を同居させる形です。マスタは NMT で Operational にし、SDO で 0x06、0x07、0x0F を順に書いて、モードを csp にします。以降は RPDO で目標位置を送り、TPDO で現在位置を受け取ります。

状態機械の実装

規格の状態遷移は、ほぼそのまま辞書1つで書けます。

TRANSITIONS = {
    (State.SWITCH_ON_DISABLED, Command.SHUTDOWN):         State.READY_TO_SWITCH_ON,
    (State.READY_TO_SWITCH_ON, Command.SWITCH_ON):        State.SWITCHED_ON,
    (State.SWITCHED_ON,        Command.ENABLE_OPERATION): State.OPERATION_ENABLED,
    (State.OPERATION_ENABLED,  Command.SWITCH_ON):        State.SWITCHED_ON,   # ← 同じコマンド
    # …（Quick stop / Fault 系は付録）
}

(READY_TO_SWITCH_ON, SWITCH_ON) の行と (OPERATION_ENABLED, SWITCH_ON) の行を見比べると、同じ Command.SWITCH_ON（= 0x07）が、キーの左側の状態によって行き先を変えているのが分かります。これが先ほどの「同じビット列が正反対の意味を持つ」の実装です。

上に載せたのは抜粋で、実装には Ready to switch on から直接 Operation enabled へ飛ぶ近道や Quick stop / Fault 系を含めて13エントリあります。

Statusword の判定は、②の表を (マスク, 一致値, 状態) の並びに移すだけです（cia402.py の STATE_PATTERNS）。マスクが 0x6F と 0x4F の2種類あるところも、そのままコードに出ます。

実行結果（出力から抜粋）

まず状態機械を進めます。

  起動直後                               Statusword = 0x0250  ->  Switch on disabled
  Controlword = 0x06 (Shutdown)          Statusword = 0x0231  ->  Ready to switch on
  Controlword = 0x07 (Switch on)         Statusword = 0x0233  ->  Switched on
  Controlword = 0x0F (Enable operation)  Statusword = 0x0237  ->  Operation enabled
  SDO write 0x6060 = 8  ->  0x6061 (実際のモード) = 8  (csp)

Statusword が 0x0250 から 0x0231、0x0233、0x0237 と変わっていくのが、規格の状態機械そのものです。続いて 10ms 周期で目標位置を送ります。

  t=0.001s  target=     0  actual=     0  status=0x0237
  t=0.101s  target= 10000  actual=  6229  status=0x0237
  t=0.302s  target= 10000  actual=  9854  status=0x0237
  t=0.591s  target= 10000  actual=  9999  status=0x0237
  取りこぼした SYNC 応答: 0 / 60

最後に、同じ 0x07 を Operation enabled の状態で書いてみます。

    0x0006 : Switch on disabled     -> Ready to switch on
    0x0007 : Ready to switch on     -> Switched on          ← 投入
    0x000F : Switched on            -> Operation enabled
    0x0007 : Operation enabled      -> Switched on          ← 停止（同じ 0x0007）

追従カーブ

階段状に見えるのは描画の粗さではなく、値が SYNC の瞬間にしか更新されないからです。10ms ごとに1段ずつ上がる形に、「マスタが毎周期1点を送る」という csp の性格がそのまま出ています。

④ 発展: EtherCAT との関係

ここまでのコードは、0x6040 に 0x06 / 0x07 / 0x0F を順に書き、0x6041 のビットで状態を判定し、0x607A に目標位置を流し込むだけです。これは EtherCAT のサーボでもそのまま通用します。EtherCAT には CoE（CANopen over EtherCAT）という仕組みがあり、CiA 402 の意味論をそのまま採用しているからです。

ただし同じなのは意味論だけで、配管は別物です。COB-ID は使わず SyncManager に直接置かれ、NMT は ESM になり、SYNC は Distributed Clocks（100ns 未満）に置き換わり、PDO の8バイト制限も無くなります。

EtherCAT をこのシリーズで動かさないのは、「PCの中では動かせないから」ではありません。KickCAT（CeCILL-C）というオープンソース実装には ESC のソフトウェアエミュレータが入っていて、ハードウェアなしでマスタとスレーブを会話させられます。扱わない理由は、仕様書（ETG.1000）が ETG 会員限定で引用できないことと、C++ と CMake のビルドが要ることです。このシリーズは pip install だけで完結することを条件にしているので、外しました。

なお本物のスレーブに ESC が必要なのは事実です。「フレームが通過している最中に処理する」という核心は専用ハードでしか成立せず、エミュレータで学べるのは手順と構造であってタイミングではありません。前編で仮想CANバスについて書いたのと、まったく同じ話です。

コード

この連載で動かすコードは、5回ぶんまとめて GitHub に置いてあります。今回の 02_canopen/ のほか、Modbus と OPC UA も同じリポジトリです。

https://github.com/logicia32/industrial-networks-labhttps://github.com/logicia32/industrial-networks-lab

次回

CANopen のサーボは動きました。しかしこのサーボは、制御盤の中に閉じています。外から使おうとすると、無いものが3つ出てきます。認可（誰が読んでよく、誰が書いてよいのか）、型と意味（0x6064 は何の値で単位は何か）、発見（このネットワークに何が何台いるのか）です。

EDS ファイルは2番目の答えを一部持っていますが、それはファイルであって、ネットワークの上にはありません。

次回は OPC UA です。この3つを正面から扱った規格です。

今回使ったもののライセンス

python-can 4.6.1（LGPL-3.0-only）/ matplotlib 3.10.7（PSF-based）。いずれもオープンソースです。

仕様書は、CiA 301（通信プロファイル）は無料（要・無料登録）ですが、CiA 402-2 / 402-3 と CiA 306（EDS）は CiA 会員限定です。これに由来する国際規格 IEC 61800-7-201 / -301 は有料（CHF 475 / 430）で、しかも IEC 版は2015年で止まっているため内容は同一ではありません（CiA 402-2 は 2024年に v5.0.0）。そのため、この記事では「由来する」と書いています。