Varför blir EtherCAT den vanligaste kommunikationsbussen för robotledsmoduler?

Den snabba utvecklingen av humanoida robotar, kollaborativa robotar och höprecisionsutrustning för automation driver integrerade intelligenta robotledsmoduler mot samordning av flera axlar, högfrekvent realtidsstyrning, flexibel kraftinteraktion och högprecis banföljning.

Traditionella kommunikationsbussar som RS485 och CANopen kan inte längre fullt ut uppfylla styrkraven för nästa generations intelligenta leder när det gäller synkroniseringsnoggrannhet, kommunikationsbandbredd, realtidsprestanda och skalbarhet för flera axlar.

Utifrån kommunikationsarkitekturen, styrningslägena, PDO-mappningen, Distributed Clocks och felsökningsramverket som beskrivs i den officiella handboken förledsmodulerna i TCHL-serien har EtherCAT blivit en vanlig kommunikationslösning för avancerade robotledsmoduler. Den utbredda användningen beror inte enbart på att man följer en branschtrend. Den speglar i stället den starka kompatibiliteten mellan moderna robotars avancerade styrkrav och EtherCAT:s tekniska arkitektur.

Den här artikeln undersöker de viktigaste skälen till att EtherCAT används så utbrett i intelligenta robotledsmoduler, med utgångspunkt i de tekniska egenskaper som dokumenteras i handboken för TCHL-serien.

1. Realtidskommunikation på mikrosekundnivå för högfrekvent servostyrning

Position-, hastighets-, ström- och vridmomentsåterkopplingsslingor i robotleder ställer mycket höga krav på kommunikationscykeltider och realtidsprestanda.

Handboken förTCHL-ledsmodulerna stöder uttryckligen flera högprecisa styrningslägen i realtid, bland annat:

• Cyclic Synchronous Position Mode (CSP)

• Cyclic Synchronous Velocity Mode (CSV)

• Cyclic Synchronous Torque Mode (CST)

Dessa styrningslägen är beroende av mycket låg kommunikationslatens och stabila synkroniseringscykler.

Traditionell seriell kommunikation och RS485 använder i allmänhet en avfrågningsmekanism, vilket kan leda till högre latens och större jitter. Även om CANopen stöder synkroniserad kommunikation ligger kommunikationscykeln vanligtvis på millisekundnivå och kan bli betydligt längre när fler axlar ansluts.

EtherCAT använder däremot en hårdvarubaserad bearbetningsmekanism. Slav-enheterna bearbetar data direkt via hårdvarubaserade Fieldbus Memory Management Units (FMMU), utan att processorn behöver tolka varje meddelande i programvara. Denna arkitektur möjliggör kommunikationscykler och synkroniseringsjitter på mikrosekundnivå.

Enligt parametrarna i handboken för TCHL-modulerna stöder EtherCAT stabila synkroniseringscykler på 1 ms, 2 ms och 3 ms. Dessa cykler lämpar sig för högfrekvent sluten servostyrning, vridmomentsampling och dynamiska banuppdateringar och utgör en grund för högprecis rörelsestyrning.

2. Distributed Clocks möjliggör högprecis synkronisering av flera axlar

Robotarmar med flera frihetsgrader och humanoida robotar består av flera sammankopplade leder. Positionsåterkoppling, hastighetsåterkoppling och data från vridmomentsensorer från olika leder måste använda en gemensam tidsreferens för att säkerställa korrekta dynamiska beräkningar, tröghetskompensering, kollisionsdetektering och kraftstyrningsalgoritmer.

Handboken förTCHL-ledsmodulerna beskriver specifikt konfigurationen av EtherCAT Distributed Clocks (DC), en av de viktigaste fördelarna som skiljer EtherCAT från traditionella kommunikationsbussar.

Så synkroniserar EtherCAT Distributed Clocks flera leder

EtherCAT:s DC-mekanism tillhandahåller en gemensam hårdvaruklocka för allaledsmoduler i nätverket. Encoderavläsning, vridmomentsampling och uppdatering av styrkommandon på olika axlar kan därmed synkroniseras med hög precision, vilket minimerar tidsskillnader mellan axlarna på hårdvarunivå.

CANopen och RS485 förlitar sig däremot i allmänhet på programvarubaserade broadcast-synkroniseringssignaler i stället för samma typ av synkronisering med hårdvaruklocka. Detta kan leda till större synkroniseringsjitter och tidsskillnader.

Vid samordnade rörelser över flera axlar kan sådana tidsfel bidra till avvikelser i banor, svängningar i kraftstyrningen och större dynamiska följningsfel.

För robotsystem som kräver samordnade rörelser över flera leder är exakt synkronisering avgörande för att upprätthålla rörelsenoggrannhet och styrstabilitet.

3. Det standardiserade CiA 402-protokollet förbättrar kompatibilitet och samverkansförmåga

Objektordlistan, tillståndsmaskinen och definitionerna av styrningslägen i handboken för TCHL-modulerna återspeglar den gemensamma EtherCAT-kommunikationsarkitektur som används i robotleder: CoE (CANopen over EtherCAT), som är kompatibel med enhetsprofilen CiA 402 för drivsystem och rörelsestyrning.

CiA 402 är en väletablerad standard för industriella serv enheter. Den definierar standardiserade tillståndsövergångar för drivsystem, styrord, statusord, driftlägen och dataobjekt.

En standardiserad objektordlista förenklar integreringen

I denna arkitektur definieras centrala styr- och återkopplingsdata – inklusive målposition, målhastighet, målvridmoment, faktisk position, faktiskt vridmoment och felkoder – med hjälp av standardiserade index i objektordlistan.

Exempel:

• 0x6040: Controlword

• 0x607A: Target Position

• 0x6071: Target Torque

• 0x303A: Torque Sensor Feedback

Standardiserade kommunikationsprotokoll förbättrar kompatibiliteten och utbytbarheten mellan ledsmoduler från olika tillverkare. Utvecklare kan minska behovet av att anpassa sig till proprietära kommunikationsprotokoll vid integrering av olika enheter, byte av styrningsläge, driftsättning av utrustning eller migrering av program.

För tillverkare av ledsmoduler bidrar produktutveckling utifrån en etablerad standard också till att minska utvecklingskomplexiteten och kostnaderna för försök och misstag. Denna standardisering är ytterligare en viktig faktor bakom införandet av EtherCAT-baserade ledsmoduler.

4. PDO-överföring med hög bandbredd stöder flerdimensionella sensordata

Nästa generations integrerade ledmoduler är inte längre enkla enheter för rörelseutförande. De är intelligenta avkänningssystem som kan integrera dubbla encoders, vridmomentsensorer på utgångssidan, temperaturövervakning, feldetektering och vibrationsregistrering.

Jämfört med traditionella servosystem behöver intelligenta leder överföra betydligt mer realtidsdata, däribland position, hastighet, vridmoment, temperatur, felkoder och värden för offsetkompensering.

Flexibel RxPDO- och TxPDO-mappning

Enligt avsnittet om PDO-mappning i TCHL-handboken stöder EtherCAT flera grupper av anpassningsbara RxPDO- och TxPDO-mappningar. Detta gör det möjligt för styrsystemet att skicka kommandon till ledsmodulen och ta emot flerdimensionell statusåterkoppling inom en enda kommunikationscykel.

EtherCAT använder ett Ethernetbaserat fysiskt lager med tillräcklig bandbredd för att överföra stora datamängder under synkroniseringscykler med hög frekvens. Det bidrar till att förhindra kommunikationsbelastning och behovet av att sänka samplingsfrekvensen när flera sensorsignaler överförs samtidigt.

Traditionella kommunikationsbussar har mer begränsad bandbredd. Vid hantering av flera datainsamlingsuppgifter kan lägre samplingsfrekvenser krävas, vilket potentiellt försämrar kraftstyrningens noggrannhet och den dynamiska svarshastigheten.

Det gör dem mindre lämpliga för avancerade tillämpningar med intelligenta leder som är utrustade med vridmomentsensorer och andra integrerade avkänningsfunktioner.

5. Daisy-chain-topologi förenklar kabeldragning och utbyggnad för flera axlar

Humanoida robotar och sexaxliga robotarmar innehåller vanligtvis 6 till 16 ledsmoduler. Utrymmet inuti dem är begränsat, vilket gör kabeldragning och systemintegrering till en utmaning.

EtherCAT stöder en daisy-chain-topologi, där flera ledsmoduler kan anslutas i sekvens via sina nätverksgränssnitt. Detta förenklar nätverkskablage och minskar behovet av separata kommunikationsledningar från varje led till styrsystemet.

Flexibla IN/OUT-anslutningar för robotintegrering

EtherCAT:s IN/OUT-gränssnitt och daisy-chain-anslutning möjliggör installation av moduler i flera steg och kabeldragning genom ihåliga strukturer.

Detta passar särskilt bra för robotleders kompakta mekaniska konstruktioner, där utrymmet för kabeldragning är begränsat.

Jämfört med begränsningarna för antal noder och utbyggnad i CANopen-nätverk, samt den lägre avfrågningseffektiviteten i RS485-nätverk, erbjuder EtherCAT god skalbarhet för flera axlar. Fler axlar behöver inte nödvändigtvis leda till en betydande ökning av kommunikationscykeltiden, vilket gör EtherCAT väl lämpat för samordnad styrning av flera robotleder.

6. Omfattande feldiagnostik förbättrar systemets tillförlitlighet och underhåll

Felsökningsanvisningarna och larmsystemet för EtherCAT som beskrivs i handboken för TCHL-modulerna visar bussens omfattande tillståndshantering och feldiagnostik.

EtherCAT definierar fyra huvudsakliga kommunikationstillstånd:

Init: Initiering

Pre-Operational: Fördrift

Safe-Operational: Säker drift

Operational: Full drift

Dessa tillstånd hjälper utvecklare att identifiera kommunikationsproblem relaterade till enhetsinitiering, PDO-mappning, synkronisering samt nätverksavbrott eller förlorade ramar.

Systemet kan också rapportera felinformation i realtid, till exempel följningsfel, synkroniseringsavvikelser och avvikelser i PDO-mottagningen.

Detta gör att utvecklare kan identifiera och felsöka kommunikationsproblem mer effektivt, vilket minskar driftsättningstiden och komplexiteten i eftermarknadsunderhållet. Den omfattande diagnostiken gör EtherCAT väl lämpat för industriella automationssystem och robotutrustning som kräver stabil drift under lång tid.

7. Ett moget EtherCAT-ekosystem minskar utvecklings- och integrationskostnaderna

EtherCAT har utvecklat ett moget ekosystem som omfattar ett brett spektrum av industriella tillämpningar. Det finns flera vanliga lösningar för masterstyrsystem, bland annat Beckhoff TwinCAT, SOEM, IgH och plattformar baserade på realtids-Linux.

Dessa lösningar stöder olika hårdvaruplattformar, däribland PLC:er, industridatorer och inbyggda styrsystem.

Dessutom finns professionella verktyg för driftsättning, paketinsamling och parameterkonfiguration. Utvecklare kan övervaka synkroniseringscykler, DC-offset, PDO-data och busstillstånd, vilket gör systemutveckling och felsökning mer okomplicerad.

För utrustningstillverkare erbjuder EtherCAT en hög grad av standardisering, god portabilitet och en väletablerad kompetensbas. Jämfört med proprietära kommunikationsbussar kan EtherCAT bidra till att minska kostnaderna för utveckling, driftsättning, utbildning och utbyte, vilket gör tekniken mer lämpad för storskalig produktion och kommersiell implementering.

Slutsats: Varför EtherCAT blir det vanligaste valet för kommunikation med robotleder

Den utbredda användningen av EtherCAT beror i grunden på att traditionella kommunikationsbussar med låg hastighet inte fullt ut kan uppfylla de avancerade styrkraven förintelligenta robotleder.

Med hårdvarubaserad realtidskommunikation på mikrosekundnivå, högprecis synkronisering med Distributed Clocks, standardiserade servoprotokoll enligt CiA 402, PDO-dataöverföring med hög bandbredd, förenklad nätverksanslutning av flera axlar och omfattande feldiagnostik lämpar sig EtherCAT väl för nästa generations integrerade ledmoduler med vridmomentsensorer, samordning av flera axlar, flexibel kraftstyrning och högprecis banföljning.

I takt med att humanoida robotar, kollaborativa robotar och avancerad automationsutrustning fortsätter att utvecklas har EtherCAT blivit en ledande och allmänt använd kommunikationslösning för robotledsmoduler.