Robotkommunikationsprotokoll: Varför EtherCAT och CAN är framtiden

Enligt statistik som släpptes av EtherCAT Technology Group (ETG) 2024 har EtherCAT tagit 39.2% av den globala marknaden för kommunikationsprotokoll för industrirobotar, med en årlig tillväxttakt på 12.7%, vilket tydligt överträffar andra konkurrerande protokoll. Dess fördelar är särskilt tydliga i viktiga tillämpningsscenarier: från flerledad samordnad styrning i realtid i humanoida robotar, till multisensorfusion i autonom körning, och samarbete mellan människa och maskin i Industri 4.0. EtherCAT omdefinierar hur intelligenta system interagerar med den fysiska världen.

Varför EtherCAT Får Allt Större Uppmärksamhet?

EtherCAT är en av de vanligaste kommunikationsmetoderna för robotleder och används i stor utsträckning i industrirobotar ochstyrning av leder i humanoida robotar. Ledande robottillverkare som KUKA och FANUC använder i stor omfattning EtherCAT som styrbuss för att stödja komplexa uppgifter inklusive svetsning, materialhantering och sprutning.

EtherCAT är särskilt väl lämpat för tillämpningar med strikta realtidskrav. Styrning av robotleder omfattar vanligtvis tre inbäddade slingor—ström, hastighet och position—som kräver en snabb sluten process för signalinsamling → beräkning → utgång.

EtherCAT stöder också en enhetlig kommunikationsarkitektur för hela robotkroppen. I vissa system kombineras det med CAN—till exempel EtherCAT för överkroppen och CAN för underkroppen.

EtherCAT (Ethernet för styr- och automatiseringsteknik) introducerades först 2003 av Beckhoff Automation (Tyskland). Vid den tiden behövde industrisektorn akut en snabb, effektiv och lågkostnadskommunikationslösning. EtherCAT uppstod för att övervinna begränsningarna hos traditionellt Ethernet inom industriell automation och fick snabbt stor uppmärksamhet. En av dess mest anmärkningsvärda egenskaper är dess extremt höga dataöverföringshastighet, vilket möjliggör synkroniseringsnoggrannhet på nanosekundnivå.

EtherCAT använder endast tre protokollager—fysiskt lager, datalänklager och applikationslager—liknande traditionella fältbussar. Men jämfört med andra realtids-Ethernetprotokoll som PROFINET och EtherNet/IP är EtherCATs protokollstack betydligt mer strömlinjeformad. Detta möjliggör ultrasnabbt datautbyte inom mycket korta cykler, uppfyller fullt ut robotars krav på realtidsstyrning och möjliggör snabb kommandorespons och rörelsestyrning med hög precision.

Dess Distributed Clock (DC)-teknik säkerställer exakt synkronisering av alla enheter i nätverket, vilket gör att robotleder kan röra sig i perfekt samordning och undviker rörelsefel orsakade av tidsavvikelser.

“Bearbetning i Förbifarten”: EtherCATs Viktigaste Konkurrensfördel

On-the-Fly / Processing on the Fly betraktas ofta som EtherCATs teknologiska vallgrav. Ingenjörer noterar att denna funktion för närvarande är unik för EtherCAT och inte är beroende av IP-baserad kommunikation. Det är den centrala konstruktionen som möjliggör EtherCATs exceptionella prestanda och låter slavenheter läsa eller skriva data direkt när ramar passerar—utan att lagra hela ramen—och uppnår realtidskommunikation på mikrosekundnivå.

Till skillnad från traditionella Ethernetprotokoll som förlitar sig på store-and-forward-mekanismer bearbetar EtherCAT-slavar data direkt under ramöverföringen. Bearbetningsfördröjningen per nod är så låg som 1 μs. Viktiga tekniska implementationer inkluderar:

Synkronisering med distribuerad klocka: Med hjälp av master–slave-algoritmer för kompensation av klockoffset, nätverksomfattande synkroniseringsnoggrannhet bättre än 100 ns, i enlighet med förbättrade IEEE 1588-standarder.

Optimerad ramstruktur: En ultrakompakt 8-byte ramrubrik, som uppnår upp till 98% effektivitet för datanyttolast (jämfört med ~60% för PROFINET), vilket avsevärt förbättrar bandbreddsutnyttjandet.

Ur både prestanda- och säkerhetsperspektiv är EtherCAT extremt kraftfullt. En annan viktig anledning till dess dominans ligger dock i dess öppenhet.

Ur en ingenjörs synvinkel kanske EtherCAT inte är lika lätt att använda som CAN, men för tillämpningar med intensiv rörelsestyrning erbjuder EtherCAT det bästa förhållandet mellan kostnad och prestanda.

Idag lägger MCU-tillverkare stor strategisk vikt vid EtherCAT.

Redan i december 2023 tillkännagav HPMicro Kinas första högpresterande MCU-serie med en officiellt licensierad EtherCAT Slave Controller (ESC) från Beckhoff—HPM6E00-serien—följd av den robotfokuserade HPM6E8Y. Vid CES 2026 introducerade HPMicro HPM5E3Y, en högpresterande MCU särskilt utformad för robotleder. Den integrerar en EtherCAT-slavstyrenhet och två Ethernet PHY-transceivrar, har en RISC-V-kärna som körs på 480 MHz, inkluderar 512 KB RAM och 1 MB Flash, och levereras i ett ultrakompakt kapslingsformat så litet som 9 × 9 mm, vilket gör den idealisk för platsbegränsade konstruktioner av robotleder. Tillsammans bildar HPM5E3Y och HPM6E8Y världens mest kompletta MCU-produktlinje för robotleder.

Varför Väljer Många Kunder Fortfarande CAN？

CAN (och dess rörelsestyrningsinriktade variant, CANopen) är en annan vanlig kommunikationslösning för robotar, särskilt lämplig för tillämpningar med lägre realtidskrav, såsom robotars underkroppar och drivsystem för hjulförsedda robotar.

När kostnaderna för EtherCAT sjunker har vissa tillämpningsscenarier för CAN trängts tillbaka. CAN används dock fortfarande i stor utsträckning i robotar med färre leder och lägre styrfrekvenser, såsom fyrbenta robotar och robothundar. Dessutom är CAN fortfarande oumbärligt i humanoida robotar. Till exempel använder Zhiyuan Lingxi X1 100 Mbps EtherCAT vid 1 kHz realtidskommunikation, där EtherCAT-gatewayer vidarebefordrar data till tre CAN FD-kanaler som arbetar med upp till 5 Mbps.

CAN stöder nätverkspartitionering i flera segment. I humanoida robotar med över 40 leder kan leder grupperas efter lemmar (armar, ben) i flera CAN FD-segment, vilket minskar fördröjningar och paketförluster som orsakas av bussarbitrering.

CAN utformades ursprungligen för fordonselektronik och betonar tillförlitlighet och störningsimmunitet. Det använder en Carrier Sense Multiple Access with Non-Destructive Arbitration (CSMA/CA)-mekanism, som gör att flera noder kan sända när bussen är ledig. Vid en kollision fortsätter meddelanden med högre prioritet (lägre ID-värden) sändningen, medan meddelanden med lägre prioritet automatiskt backar—vilket säkerställer förlustfri arbitrering.

Denna mekanism möjliggör distribuerat beslutsfattande och hög tillförlitlighet, vilket gör CAN idealiskt för överföring av brytarsignaler och sensordata. Därför används det i stor utsträckning i kommunikationen mellan elektroniska styrenheter (ECU:er) i fordon. Men när det tillämpas på fleraxlig samordnad rörelsestyrning med extremt höga krav på realtid och periodicitet blir CANs inneboende begränsningar tydliga.

Ur ett systemvalsperspektiv används CAN ofta för att utöka befintliga CAN-baserade arkitekturer. För system med färre axlar (t.ex. färre än sex) och mindre stränga krav på synkronisering och dynamisk prestanda—såsom bordsrobotar och AGV:er—är CAN tillräckligt, ekonomiskt och välkänt för sin robusthet i tuffa miljöer. EtherCAT är däremot bättre lämpat för högpresterande eller storskaliga distribuerade robotsystem. Även om kostnaden per nod kan vara högre, leder EtherCATs fördelar när det gäller förenklad kabeldragning, eliminering av repeaters, enkel felsökning och underhåll samt övergripande prestandaförbättring ofta till en lägre total ägandekostnad på lång sikt.

Den Snabba Utvecklingen av I3C-Protokollet

I3C är ett framväxande kommunikationsprotokoll för sensorer, och många företag främjar aktivt dess användning i robotiska fingerfärdiga händer. Det eliminerar behovet av externa PHY:er, vilket förenklar hårdvarudesignen. Till exempel:

NXP i.MX RT1180 integrerar två I3C-gränssnitt, vilket möjliggör anslutningar till flera servonoder och sensorer.

Infineon PSoC Edge stöder I3C.

Renesas RA8 högpresterande MCU-serie stöder I3C

Microchip PIC18-Q20-serien inkluderar höghastighets-I3C-moduler.

STMicroelectronics STM32N6, STM32H5, STM32H7 och STM32U3 stöder alla I3C.

I3C är väl lämpat för flermotorstyrning i fingerfärdiga händer och insamling av sensordata med hög densitet (såsom elektronisk hud och vridmomentsensorer), särskilt i utrymmesbegränsade miljöer som robotfingrar.

För närvarande är CAN FD fortfarande den vanligaste lösningen för fingerfärdiga händer. På grund av ett omoget ekosystem har I3C ännu inte antagits i stor utsträckning. Vissa ingenjörer anser också att I3C erbjuder svagare störningsimmunitet, vilket gör storskalig implementering i fingerfärdiga händer utmanande.

Tekniken fortsätter dock att utvecklas. Vissa inhemska chiptillverkare inkluderar I3C i sina FoU-färdplaner och kommer att driva massproduktion baserat på marknadens efterfrågan, samtidigt som de noggrant följer framväxande protokoll som CAN XL. Som ett resultat kommer landskapet för kommunikationsprotokoll sannolikt att genomgå ytterligare förändringar i framtiden.