Согласно статистике, опубликованной EtherCAT Technology Group (ETG) в 2024 году, EtherCAT занял 39,2% мирового рынка протоколов связи для промышленных роботов, с годовым темпом роста 12,7%, значительно опережая другие конкурирующие протоколы. Его преимущества особенно заметны в ключевых сценариях применения: от многосуставного реального времени в гуманоидных роботах до слияния множества датчиков в автономном вождении и взаимодействия человека и машины в Industry 4.0. EtherCAT переопределяет то, как интеллектуальные системы взаимодействуют с физическим миром.

Почему EtherCAT привлекает все больше внимания?

EtherCAT является одним из основных методов связи для суставов роботов, широко используемым в промышленных роботах и управлении суставами гуманоидных роботов. Ведущие производители роботов, такие как KUKA и FANUC, активно используют EtherCAT в качестве управляющей шины для поддержки сложных задач, включая сварку, транспортировку материалов и распыление.

EtherCAT особенно хорошо подходит для приложений с жесткими требованиями к реальному времени. Управление суставами робота обычно включает три вложенных цикла — ток, скорость и положение, — которые требуют быстрого замкнутого процесса сбора сигналов → вычислений → вывода.

EtherCAT также поддерживает единую архитектуру связи для всего тела робота. В некоторых системах он комбинируется с CAN — например, EtherCAT для верхней части тела и CAN для нижней.

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) был впервые представлен в 2003 году компанией Beckhoff Automation (Германия). В то время промышленный сектор остро нуждался в высокоскоростном, эффективном и недорогом решении для связи. EtherCAT появился, чтобы преодолеть ограничения традиционного Ethernet в промышленной автоматизации, и быстро привлек широкое внимание. Одной из его наиболее заметных особенностей является чрезвычайно высокая скорость передачи данных, обеспечивающая точность синхронизации на уровне наносекунд.

EtherCAT использует только три уровня протокола — физический уровень, уровень канала передачи данных и прикладной уровень, — аналогично традиционным полевым шинам. Однако по сравнению с другими протоколами реального времени, такими как PROFINET и EtherNet/IP, стек протоколов EtherCAT гораздо более оптимизирован. Это позволяет осуществлять сверхбыстрый обмен данными в очень коротких циклах, полностью удовлетворяя требованиям реального управления роботами и обеспечивая быстрый отклик команд и высокоточное управление движением.

Его технология Distributed Clock (DC) обеспечивает точную синхронизацию всех устройств в сети, позволяя суставам робота двигаться в идеальной координации и избегая ошибок движения, вызванных отклонениями во времени.

«Обработка на лету»: Ключевое конкурентное преимущество EtherCAT

On-the-Fly / Processing on the Fly часто рассматривается как технологический барьер EtherCAT. Инженеры отмечают, что эта особенность в настоящее время уникальна для EtherCAT и не зависит от IP-связи. Это основная конструкция, обеспечивающая исключительную производительность EtherCAT, позволяя подчиненным устройствам читать или записывать данные непосредственно при прохождении кадров — без хранения всего кадра — достигая микросекундного уровня связи в реальном времени.

В отличие от традиционных протоколов Ethernet, использующих механизмы хранения и пересылки, подчиненные устройства EtherCAT обрабатывают данные непосредственно во время передачи кадра. Задержка обработки на узел составляет всего 1 мкс. Ключевые технические реализации включают:

Синхронизация распределенных часов: Использование алгоритмов компенсации смещения ведущих-ведомых часов, точность синхронизации в сети лучше 100 нс, соответствует расширенным стандартам IEEE 1588.

Оптимизированная структура кадра: Ультракомпактный 8-байтовый заголовок кадра, достигающий эффективности полезной нагрузки данных до 98% (по сравнению с ~60% у PROFINET), значительно улучшая использование полосы пропускания.

С точки зрения как производительности, так и безопасности, EtherCAT чрезвычайно мощный. Однако еще одна важная причина его доминирования заключается в его открытости.

С точки зрения инженера, EtherCAT может быть не так прост в использовании, как CAN, но для приложений с интенсивным управлением движением EtherCAT предлагает наилучшее соотношение цены и качества.

Сегодня производители MCU придают большое стратегическое значение EtherCAT.

Еще в декабре 2023 года HPMicro анонсировала первую в Китае серию высокопроизводительных MCU с официально лицензированным EtherCAT Slave Controller (ESC) от Beckhoff — серию HPM6E00, за которой последовала HPM6E8Y, ориентированная на роботов. На CES 2026 HPMicro представила HPM5E3Y, высокопроизводительный MCU, специально разработанный для суставов роботов. Он интегрирует контроллер ведомого устройства EtherCAT и два приемопередатчика Ethernet PHY, оснащен ядром RISC-V с частотой 480 МГц, включает 512 КБ оперативной памяти и 1 МБ Flash, и поставляется в ультракомпактном корпусе размером всего 9 × 9 мм, что делает его идеальным для ограниченных пространством конструкций суставов роботов. Вместе HPM5E3Y и HPM6E8Y формируют самую полную в мире линейку продуктов MCU для суставов роботов.

Почему многие клиенты по-прежнему выбирают CAN?

CAN (и его ориентированная на управление движением версия, CANopen) — это еще одно основное решение для связи роботов, особенно подходящее для приложений с менее жесткими требованиями к реальному времени, таких как нижняя часть тела робота и приводы колесных роботов.

По мере снижения стоимости EtherCAT некоторые сценарии применения CAN были сокращены. Однако CAN по-прежнему широко используется в роботах с меньшим количеством суставов и более низкими частотами управления, таких как четвероногие роботы и роботы-собаки. Более того, CAN остается незаменимым в гуманоидных роботах. Например, Zhiyuan Lingxi X1 использует 100 Мбит/с EtherCAT при частоте связи 1 кГц в реальном времени, с шлюзами EtherCAT, передающими данные на три канала CAN FD, работающие на скорости до 5 Мбит/с.

CAN поддерживает разделение сети на несколько сегментов. В гуманоидных роботах с более чем 40 суставами суставы могут быть сгруппированы по конечностям (руки, ноги) в несколько сегментов CAN FD, уменьшая задержки и потерю пакетов, вызванные арбитражем шины.

Изначально разработанный для автомобильной электроники, CAN подчеркивает надежность и устойчивость к помехам. Он использует механизм Carrier Sense Multiple Access with Non-Destructive Arbitration (CSMA/CA), позволяющий нескольким узлам передавать данные, когда шина свободна. В случае столкновения сообщения с более высоким приоритетом (меньшие значения ID) продолжают передачу, а сообщения с более низким приоритетом автоматически отступают — обеспечивая без потерь арбитраж.

Этот механизм обеспечивает распределенное принятие решений и высокую надежность, делая CAN идеальным для передачи сигналов переключения и данных датчиков. Следовательно, он широко используется в связи между электронными блоками управления (ECU) автомобилей. Однако при применении к многоосевому согласованному управлению движением с чрезвычайно высокими требованиями к реальному времени и периодичности, врожденные ограничения CAN становятся очевидными.

С точки зрения выбора системы, CAN часто используется для расширения существующих архитектур на основе CAN. Для систем с меньшим количеством осей (например, менее шести) и менее строгими требованиями к синхронизации и динамической производительности — таких как настольные роботы и AGV — CAN достаточен, экономичен и известен своей надежностью в жестких условиях. EtherCAT, с другой стороны, лучше подходит для высокопроизводительных или крупномасштабных распределенных робототехнических систем. Хотя стоимость на узел может быть выше, преимущества EtherCAT в упрощении проводки, устранении повторителей, легкости отладки и обслуживания, а также общем повышении производительности часто приводят к более низкой совокупной стоимости владения в долгосрочной перспективе.

Быстрое развитие протокола I3C

I3C — это новый протокол связи для датчиков, и многие компании активно продвигают его использование в ловких руках роботов. Он устраняет необходимость во внешних PHY, упрощая аппаратный дизайн. Например:

NXP i.MX RT1180 интегрирует два интерфейса I3C, позволяя подключать несколько сервоузлов и датчиков.

Infineon PSoC Edge поддерживает I3C.

Renesas RA8, высокопроизводительная серия MCU, поддерживает I3C.

Microchip PIC18-Q20 включает высокоскоростные модули I3C.

STMicroelectronics STM32N6, STM32H5, STM32H7 и STM32U3 поддерживают I3C.

I3C хорошо подходит для управления несколькими моторами в ловких руках и сбора данных с высокоплотных датчиков (таких как электронная кожа и датчики крутящего момента), особенно в ограниченных пространством условиях, таких как пальцы роботов.

В настоящее время CAN FD остается основным решением для ловких рук. Из-за незрелости экосистемы I3C пока не получил широкого распространения. Некоторые инженеры также считают, что I3C обладает более слабой устойчивостью к помехам, что затрудняет его масштабное развертывание в ловких руках.

Тем не менее, технологии продолжают развиваться. Некоторые отечественные производители чипов включают I3C в свои дорожные карты разработки и будут продвигать массовое производство в зависимости от рыночного спроса, одновременно внимательно следя за новыми протоколами, такими как CAN XL. В результате ландшафт коммуникационных протоколов, вероятно, претерпит дальнейшие изменения в будущем.