EtherCAT vs. CAN für Harmonic-Drive-Motoren: Ein technischer Vergleich

Beim Betrieb von robotischen Harmonic-Drive-Motoren dient das Kommunikationsprotokoll als kritische Verbindung, die eine stabile Zusammenarbeit zwischen den zentralen Hardwarekomponenten gewährleistet. EtherCAT und CAN sind die zwei gängigen Hauptoptionen, mit erheblichen Leistungsunterschieden, die sich direkt auf die Steuerungspräzision und Reaktionseffizienz von Harmonic-Drive-Motoren auswirken.

Harmonic-Drive-Motor mit CAN-Protokoll

Hinsichtlich der Kommunikationsgeschwindigkeit beträgt die maximale Rate des CAN-Protokolls 1 Mbps. Diese Geschwindigkeit erfüllt die grundlegenden Anforderungen in kleinen bis mittelgroßen Anwendungen, zeigt jedoch Leistungsengpässe bei der koordinierten Steuerung mehrerer Motoren. Beispielsweise arbeitet in einer Anwendung mit 10 Motoren der CAN-Kommunikationszyklus typischerweise bei etwa 500 Hz. Aufgrund von Faktoren wie der Komplexität der Kommunikationsinhalte und der Gleichmäßigkeit der Paketübertragung kann dieser Zyklus jedoch nicht stabil garantiert werden und kann schwanken, wodurch die Bewegungssynchronisation von Harmonic-Drive-Motoren beeinträchtigt wird.

Darüber hinaus verwendet das CAN-Protokoll einen "Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection" (CSMA/CD)-Mechanismus. Mit zunehmender Anzahl von Geräten auf dem Bus steigt die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen bei der Datenübertragung. Dies verlängert nicht nur den Kommunikationszyklus, sondern kann auch zu Datenverlust führen, was bestimmte Betriebsrisiken für Harmonic-Drive-Motoren mit sich bringt, die eine präzise Steuerung erfordern. In Bezug auf Verkabelung und Kosten unterstützt CAN zwar eine Bustopologie, die die Verkabelung vereinfacht, seine Übertragungsdistanz ist bei hohen Geschwindigkeiten jedoch begrenzt (typischerweise nicht mehr als 40 Meter). Wenn für die Abdeckung eines großen Robotersystems zusätzliche Repeater-Geräte erforderlich sind, können die Gesamtkosten im Gegenteil steigen.

Harmonic-Drive-Motor mit EtherCAT-Protokoll

Im Gegensatz dazu zeigt das EtherCAT-Protokoll stärkere Leistungsvorteile. Seine feste Kommunikationsrate von 100 Mbps ist 100 mal schneller als CAN und bietet eine solide Grundlage für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung. In Bezug auf Kommunikationszyklen unterstützt EtherCAT bis zu 4 kHz in den Modi CSP/CSV/CST und übertrifft damit die 500 Hz von CAN bei weitem, wodurch eine schnellere Befehlsreaktion für Harmonic-Drive-Motoren ermöglicht wird. Noch bemerkenswerter ist, dass EtherCAT die Synchronisationstechnologie "Distributed Clock" nutzt, die sicherstellt, dass Zeitabweichungen zwischen allen Slave-Geräten (Motortreibermodulen) durch präzise Taktkalibrierung auf Mikrosekundenebene kontrolliert werden. Selbst in Tests mit über 40 angeschlossenen Motoren hält es stabil einen 4 kHz-Kommunikationszyklus aufrecht und löst damit perfekt Synchronisationsprobleme bei der Koordination mehrerer Motoren.

In Bezug auf die Echtzeitleistung ist EtherCAT nicht auf die traditionelle "Store-and-Forward"-Datenpaketübertragung angewiesen, sondern verwendet die "Processing-on-the-Fly"-Technologie, um den Datenaustausch direkt während der Datenrahmenübertragung abzuschließen, wodurch die Latenz erheblich reduziert wird. Selbst bei einer Zunahme der Anzahl der Geräte auf dem Bus wird die Übertragungseffizienz nicht merklich beeinträchtigt. Bei der Verkabelung unterstützt EtherCAT verschiedene Topologien wie Stern und Bus, mit Übertragungsdistanzen von bis zu 100 Metern ohne Repeater. Diese Anpassungsfähigkeit an große Robotersysteme reduziert den Bedarf an zusätzlicher Ausrüstung und bietet bessere langfristige Kostenvorteile. Darüber hinaus verfügt EtherCAT über stärkere Entstörungsfähigkeiten. Durch differenzielle Signalübertragung widersteht es elektromagnetischen Störungen in industriellen Umgebungen effektiv und gewährleistet den stabilen Betrieb von Harmonic-Drive-Motoren unter komplexen Arbeitsbedingungen. Dies ist entscheidend für hochpräzise Roboter wie kollaborative Roboter und Montageroboter.

Im Bereich der High-End-Robotik sind Harmonic-Drive-Motoren mit EtherCAT aufgrund ihrer ausgezeichneten Echtzeitleistung und hohen Bandbreite zur absolut vorherrschenden Wahl geworden. Sie lösen effektiv die Herausforderungen der Hochgeschwindigkeits-Echtzeitkommunikation, der präzisen Kraftübertragung und der genauen Drehmomentausgabe. Der CAN-Bus wird häufiger in Anwendungen mit geringeren Leistungsanforderungen oder als unterstützendes Kommunikationsnetzwerk eingesetzt.