Roboter-Kommunikationsprotokolle: Warum EtherCAT und CAN die Zukunft sind

Laut den im Jahr 2024 von der EtherCAT Technology Group (ETG) veröffentlichten Statistiken hat EtherCAT 39.2% des globalen Marktes für Kommunikationsprotokolle von Industrierobotern erobert, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 12.7%, und damit andere konkurrierende Protokolle deutlich übertroffen. Seine Vorteile zeigen sich besonders deutlich in zentralen Anwendungsszenarien: von der koordinierten Echtzeitsteuerung mehrerer Gelenke in humanoiden Robotern, über die Multisensorfusion im autonomen Fahren bis hin zur Mensch–Maschine-Zusammenarbeit in Industrie 4.0. EtherCAT definiert neu, wie intelligente Systeme mit der physischen Welt interagieren.

Warum EtherCAT immer mehr Aufmerksamkeit erhält?

EtherCAT ist eine der gängigen Kommunikationsmethoden für Robotergelenke und wird in Industrierobotern sowie bei derSteuerung humanoider Robotergelenke weit verbreitet eingesetzt. Führende Roboterhersteller wie KUKA und FANUC setzen EtherCAT umfassend als Steuerbus ein, um komplexe Aufgaben wie Schweißen, Materialhandling und Sprühen zu unterstützen.

EtherCAT eignet sich besonders gut für Anwendungen mit strengen Echtzeitanforderungen. Die Steuerung von Robotergelenken umfasst typischerweise drei verschachtelte Regelkreise—Strom, Geschwindigkeit und Position—die einen schnellen geschlossenen Regelprozess aus Signalerfassung → Berechnung → Ausgabe erfordern.

EtherCAT unterstützt außerdem eine einheitliche Ganzkörper-Kommunikationsarchitektur für Roboter. In einigen Systemen wird es mit CAN kombiniert—zum Beispiel EtherCAT für den Oberkörper und CAN für den Unterkörper.

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) wurde erstmals 2003 von Beckhoff Automation (Deutschland) eingeführt. Zu dieser Zeit benötigte der Industriesektor dringend eine schnelle, effiziente und kostengünstige Kommunikationslösung. EtherCAT entstand, um die Einschränkungen des traditionellen Ethernet in der industriellen Automatisierung zu überwinden, und erlangte schnell große Aufmerksamkeit. Eines seiner bemerkenswertesten Merkmale ist seine extrem hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit, die eine Synchronisationsgenauigkeit im Nanosekundenbereich ermöglicht.

EtherCAT verwendet nur drei Protokollschichten—physikalische Schicht, Datenverbindungsschicht und Anwendungsschicht—ähnlich wie traditionelle Feldbusse. Im Vergleich zu anderen Echtzeit-Ethernet-Protokollen wie PROFINET und EtherNet/IP ist der Protokoll-Stack von EtherCAT jedoch deutlich schlanker. Dies ermöglicht einen ultraschnellen Datenaustausch in sehr kurzen Zyklen, erfüllt die Echtzeitsteuerungsanforderungen von Robotern vollständig und erlaubt eine schnelle Befehlsreaktion sowie eine hochpräzise Bewegungssteuerung.

Seine Distributed Clock (DC)-Technologie gewährleistet die präzise Synchronisation aller Geräte im Netzwerk, sodass sich Robotergelenke in perfekter Abstimmung bewegen und Bewegungsfehler durch Zeitabweichungen vermieden werden.

„Processing on the Fly“: Der zentrale Wettbewerbsvorteil von EtherCAT

On-the-Fly / Processing on the Fly wird oft als technologischer Burggraben von EtherCAT angesehen. Ingenieure weisen darauf hin, dass diese Funktion derzeit einzigartig für EtherCAT ist und nicht auf IP-basierter Kommunikation beruht. Sie ist das Kerndesign, das die außergewöhnliche Leistung von EtherCAT ermöglicht, indem Slave-Geräte Daten direkt lesen oder schreiben können, während Frames hindurchlaufen—ohne den gesamten Frame zu speichern—und so eine Echtzeitkommunikation im Mikrosekundenbereich erreichen.

Im Gegensatz zu traditionellen Ethernet-Protokollen, die auf Store-and-Forward-Mechanismen basieren, verarbeiten EtherCAT-Slaves Daten direkt während der Frame-Übertragung. Die Verarbeitungsverzögerung pro Knoten beträgt nur 1 μs. Zu den wichtigsten technischen Implementierungen gehören:

Distributed-Clock-Synchronisation: Verwendung von Master–Slave-Taktoffset-Kompensationsalgorithmen, netzwerkweite Synchronisationsgenauigkeit von besser als 100 ns, konform mit erweiterten IEEE 1588-Standards.

Optimierte Frame-Struktur: Ein ultrakompakter 8-byte-Frame-Header, der eine Datennutzlast-Effizienz von bis zu 98% erreicht (im Vergleich zu ~60% bei PROFINET) und die Bandbreitennutzung deutlich verbessert.

Sowohl aus Leistungs- als auch aus Sicherheitsperspektive ist EtherCAT äußerst leistungsfähig. Ein weiterer wesentlicher Grund für seine Dominanz liegt jedoch in seiner Offenheit.

Aus Sicht eines Ingenieurs ist EtherCAT möglicherweise nicht so einfach zu verwenden wie CAN, aber für Anwendungen mit hoher Bewegungssteuerungsintensität bietet EtherCAT das beste Preis-Leistungs-Verhältnis.

Heute messen MCU-Hersteller EtherCAT große strategische Bedeutung bei.

Bereits im Dezember 2023 kündigte HPMicro Chinas erste Hochleistungs-MCU-Serie mit einem offiziell von Beckhoff lizenzierten EtherCAT Slave Controller (ESC) an—die HPM6E00-Serie—gefolgt von der auf Roboter ausgerichteten HPM6E8Y. Auf der CES 2026 stellte HPMicro die HPM5E3Y vor, eine Hochleistungs-MCU, die speziell für Robotergelenke entwickelt wurde. Sie integriert einen EtherCAT-Slave-Controller und zwei Ethernet-PHY-Transceiver, verfügt über einen mit 480 MHz laufenden RISC-V-Kern, enthält 512 KB RAM und 1 MB Flash und ist in einem ultrakompakten Gehäuse ab nur 9 × 9 mm erhältlich, was sie ideal für platzbeschränkte Robotergelenk-Designs macht. Zusammen bilden HPM5E3Y und HPM6E8Y das weltweit vollständigste MCU-Produktportfolio für Robotergelenke.

Warum sich viele Kunden weiterhin für CAN entscheiden？

CAN (und seine auf Bewegungssteuerung ausgerichtete Variante CANopen) ist eine weitere gängige Kommunikationslösung für Roboter, die sich besonders für Anwendungen mit geringeren Echtzeitanforderungen eignet, wie etwa Roboter-Unterkörper und Antriebe von Radrobotern.

Mit sinkenden EtherCAT-Kosten wurden einige Anwendungsszenarien von CAN verdrängt. Dennoch wird CAN weiterhin häufig in Robotern mit weniger Gelenken und geringeren Steuerfrequenzen eingesetzt, wie etwa bei vierbeinigen Robotern und Roboterhunden. Darüber hinaus ist CAN auch in humanoiden Robotern weiterhin unverzichtbar. So nutzt beispielsweise Zhiyuan Lingxi X1 100 Mbps EtherCAT bei 1 kHz-Echtzeitkommunikation, wobei EtherCAT-Gateways Daten an drei CAN FD-Kanäle mit bis zu 5 Mbps weiterleiten.

CAN unterstützt die Partitionierung von Netzwerken in mehrere Segmente. Bei humanoiden Robotern mit mehr als 40 Gelenken können Gelenke nach Gliedmaßen (Arme, Beine) in mehrere CAN FD-Segmente gruppiert werden, wodurch Verzögerungen und Paketverluste durch Busarbitrierung reduziert werden.

Ursprünglich für die Automobilelektronik entwickelt, legt CAN den Schwerpunkt auf Zuverlässigkeit und Störfestigkeit. Es verwendet einen Carrier Sense Multiple Access with Non-Destructive Arbitration (CSMA/CA)-Mechanismus, der es mehreren Knoten ermöglicht zu senden, wenn der Bus frei ist. Im Falle einer Kollision senden Nachrichten mit höherer Priorität (niedrigere ID-Werte) weiter, während Nachrichten mit niedrigerer Priorität automatisch zurücktreten—wodurch eine verlustfreie Arbitrierung sichergestellt wird.

Dieser Mechanismus ermöglicht dezentrale Entscheidungsfindung und hohe Zuverlässigkeit, wodurch CAN ideal für die Übertragung von Schaltsignalen und Sensordaten ist. Daher wird es häufig für die Kommunikation zwischen elektronischen Steuergeräten (ECUs) im Automobil eingesetzt. Bei der Anwendung auf mehrachsige koordinierte Bewegungssteuerung mit extrem hohen Echtzeit- und Periodizitätsanforderungen werden die inhärenten Einschränkungen von CAN jedoch deutlich.

Aus Sicht der Systemauswahl wird CAN häufig zur Erweiterung bestehender CAN-basierter Architekturen eingesetzt. Für Systeme mit weniger Achsen (z. B. weniger als sechs) und weniger strengen Anforderungen an Synchronisation und dynamische Leistung—wie Desktop-Roboter und AGVs—ist CAN ausreichend, wirtschaftlich und für seine Robustheit in rauen Umgebungen bekannt. EtherCAT hingegen eignet sich besser für leistungsstarke oder groß angelegte verteilte Robotersysteme. Obwohl die Kosten pro Knoten höher sein können, führen die Vorteile von EtherCAT bei vereinfachter Verdrahtung, dem Wegfall von Repeatern, der einfachen Fehlersuche und Wartung sowie der allgemeinen Leistungssteigerung langfristig oft zu niedrigeren Gesamtbetriebskosten.

Die rasante Entwicklung des I3C-Protokolls

I3C ist ein aufkommendes Sensor-Kommunikationsprotokoll, dessen Einsatz von vielen Unternehmen aktiv in robotischen geschickten Händen vorangetrieben wird. Es macht externe PHYs überflüssig und vereinfacht dadurch das Hardwaredesign. Zum Beispiel:

NXP i.MX RT1180 integriert zwei I3C-Schnittstellen, die Verbindungen zu mehreren Servo-Knoten und Sensoren ermöglichen.

Infineon PSoC Edge unterstützt I3C.

Die Hochleistungs-MCU-Serie RA8 von Renesas unterstützt I3C

Die PIC18-Q20-Serie von Microchip umfasst Hochgeschwindigkeits-I3C-Module.

STMicroelectronics STM32N6, STM32H5, STM32H7 und STM32U3 unterstützen alle I3C.

I3C eignet sich sehr gut für die Steuerung mehrerer Motoren in geschickten Händen und für die Erfassung hochdichter Sensordaten (wie elektronische Haut und Drehmomentsensoren), insbesondere in platzbeschränkten Umgebungen wie Roboterfingern.

Derzeit bleibt CAN FD die gängige Lösung für geschickte Hände. Aufgrund der noch unreifen Ökosysteme wurde I3C bislang nicht breit eingesetzt. Einige Ingenieure sind außerdem der Ansicht, dass I3C eine geringere Störfestigkeit bietet, was eine großflächige Einführung in geschickten Händen erschwert.

Dennoch entwickelt sich die Technologie kontinuierlich weiter. Einige inländische Chiphersteller nehmen I3C in ihre F&E-Roadmaps auf und werden die Massenproduktion auf Basis der Marktnachfrage vorantreiben, während sie zugleich aufkommende Protokolle wie CAN XL genau beobachten. Daher wird die Landschaft der Kommunikationsprotokolle in Zukunft wahrscheinlich weitere Veränderungen durchlaufen.