Robot İletişim Protokolleri: EtherCAT ve CAN Neden Gelecektir

EtherCAT Technology Group (ETG) tarafından 2024 yılında yayımlanan istatistiklere göre, EtherCAT küresel endüstriyel robot iletişim protokolü pazarının %39.2'sini ele geçirmiş olup, yıllık %12.7 büyüme oranıyla diğer rakip protokolleri belirgin şekilde geride bırakmıştır. Avantajları özellikle kilit uygulama senaryolarında açıkça görülmektedir: insansı robotlarda çok eklemli gerçek zamanlı koordineli kontrolden, otonom sürüşte çok sensörlü füzyona ve Endüstri 4.0'da insan–makine iş birliğine kadar. EtherCAT, akıllı sistemlerin fiziksel dünya ile nasıl etkileşim kurduğunu yeniden tanımlıyor.

EtherCAT Neden Giderek Daha Fazla İlgi Görüyor?

EtherCAT, robot eklemleri için ana akım iletişim yöntemlerinden biridir ve endüstriyel robotlarda veinsansı robot eklem kontrolünde yaygın olarak kullanılmaktadır. KUKA ve FANUC gibi önde gelen robot üreticileri, kaynak, malzeme taşıma ve püskürtme dahil olmak üzere karmaşık görevleri desteklemek için EtherCAT'i kontrol veri yolu olarak kapsamlı şekilde benimsemektedir.

EtherCAT, özellikle sıkı gerçek zamanlı gereksinimlere sahip uygulamalar için son derece uygundur. Robot eklem kontrolü tipik olarak akım, hız ve konum olmak üzere iç içe üç döngü içerir ve bunlar sinyal toplama → hesaplama → çıkış şeklinde hızlı bir kapalı çevrim süreci gerektirir.

EtherCAT ayrıca robotlar için birleşik bir tüm vücut iletişim mimarisini de destekler. Bazı sistemlerde CAN ile birleştirilir—örneğin, üst gövde için EtherCAT ve alt gövde için CAN.

EtherCAT (Kontrol Otomasyon Teknolojisi için Ethernet), ilk kez 2003 yılında Beckhoff Automation (Almanya) tarafından tanıtıldı. O dönemde endüstriyel sektör acilen yüksek hızlı, verimli ve düşük maliyetli bir iletişim çözümüne ihtiyaç duyuyordu. EtherCAT, geleneksel Ethernet'in endüstriyel otomasyondaki sınırlamalarını aşmak için ortaya çıktı ve hızla geniş çapta ilgi gördü. En dikkat çekici özelliklerinden biri, nanosaniye seviyesinde senkronizasyon doğruluğu sağlayan son derece yüksek veri iletim hızıdır.

EtherCAT, geleneksel fieldbus'lara benzer şekilde yalnızca üç protokol katmanı kullanır—fiziksel katman, veri bağlantı katmanı ve uygulama katmanı. Ancak PROFINET ve EtherNet/IP gibi diğer gerçek zamanlı Ethernet protokolleriyle karşılaştırıldığında, EtherCAT'in protokol yığını çok daha sadeleştirilmiştir. Bu, çok kısa çevrimler içinde ultra yüksek hızlı veri alışverişini mümkün kılar, robotların gerçek zamanlı kontrol gereksinimlerini tamamen karşılar ve hızlı komut yanıtı ile yüksek hassasiyetli hareket kontrolüne olanak tanır.

Dağıtılmış Saat (DC) teknolojisi, ağ üzerindeki tüm cihazların hassas senkronizasyonunu garanti eder, robot eklemlerinin kusursuz koordinasyon içinde hareket etmesini sağlar ve zamanlama sapmalarından kaynaklanan hareket hatalarını önler.

“Anında İşleme”: EtherCAT'in Temel Rekabet Avantajı

On-the-Fly / Processing on the Fly genellikle EtherCAT'in teknolojik hendeği olarak kabul edilir. Mühendisler, bu özelliğin şu anda EtherCAT'e özgü olduğunu ve IP tabanlı iletişime dayanmadığını belirtmektedir. Bu, EtherCAT'in olağanüstü performansını mümkün kılan temel tasarımdır ve slave cihazların çerçeveler geçerken tüm çerçeveyi depolamadan verileri doğrudan okumasına veya yazmasına olanak tanıyarak mikrosaniye seviyesinde gerçek zamanlı iletişim sağlar.

Depola-ve-ilet mekanizmalarına dayanan geleneksel Ethernet protokollerinin aksine, EtherCAT slave'leri verileri çerçeve iletimi sırasında doğrudan işler. Düğüm başına işleme gecikmesi 1 μs kadar düşüktür. Başlıca teknik uygulamalar şunları içerir:

Dağıtılmış saat senkronizasyonu: Master–slave saat ofseti telafi algoritmaları kullanılarak, geliştirilmiş IEEE 1588 standartlarıyla uyumlu, ağ genelinde 100 ns'den daha iyi senkronizasyon doğruluğu.

Optimize edilmiş çerçeve yapısı: Ultra kompakt 8-byte çerçeve başlığı, %98'e kadar veri yükü verimliliği sağlar (PROFINET için ~%60 ile karşılaştırıldığında), bant genişliği kullanımını önemli ölçüde iyileştirir.

Hem performans hem de güvenlik açısından EtherCAT son derece güçlüdür. Ancak hakimiyetinin bir diğer önemli nedeni açıklığıdır.

Bir mühendisin bakış açısından EtherCAT, CAN kadar kolay kullanılabilir olmayabilir, ancak yoğun hareket kontrolü gerektiren uygulamalar için EtherCAT en iyi maliyet-performans oranını sunar.

Günümüzde MCU üreticileri EtherCAT'e büyük stratejik önem vermektedir.

Daha Aralık 2023'te HPMicro, Beckhoff'tan resmi lisanslı bir EtherCAT Slave Controller (ESC) içeren Çin'in ilk yüksek performanslı MCU serisi olan HPM6E00 serisini duyurdu—bunu robot odaklı HPM6E8Y izledi. CES 2026'da HPMicro, özellikle robot eklemleri için tasarlanmış yüksek performanslı bir MCU olan HPM5E3Y'yi tanıttı. Bir EtherCAT slave controller ve iki Ethernet PHY transceiver entegre eder, 480 MHz'de çalışan bir RISC-V çekirdeğine sahiptir, 512 KB RAM ve 1 MB Flash içerir ve 9 × 9 mm kadar küçük ultra kompakt bir paketle sunulur; bu da onu alan kısıtlamalı robot eklem tasarımları için ideal hale getirir. HPM5E3Y ve HPM6E8Y birlikte, dünyanın en kapsamlı robot eklem MCU ürün serisini oluşturur.

Neden Birçok Müşteri Hâlâ CAN'i Seçiyor？

CAN (ve harekete yönelik varyantı olan CANopen), robotlar için bir diğer ana akım iletişim çözümüdür ve özellikle robot alt gövdeleri ile tekerlekli robot sürüşleri gibi daha düşük gerçek zamanlı gereksinimlere sahip uygulamalar için uygundur.

EtherCAT maliyetleri düştükçe, bazı CAN uygulama senaryoları daralmıştır. Ancak CAN, dört ayaklı robotlar ve robot köpekler gibi daha az eklemli ve daha düşük kontrol frekanslı robotlarda hâlâ yaygın şekilde kullanılmaktadır. Dahası, insansı robotlarda CAN hâlâ vazgeçilmezdir. Örneğin, Zhiyuan Lingxi X1, 1 kHz gerçek zamanlı iletişimde 100 Mbps EtherCAT kullanır ve EtherCAT gateway'leri verileri 5 Mbps'ye kadar çalışan üç CAN FD kanalına iletir.

CAN, çok segmentli ağ bölümlemeyi destekler. 40'tan fazla ekleme sahip insansı robotlarda, eklemler uzuvlara göre (kollar, bacaklar) birden fazla CAN FD segmentine gruplanabilir; böylece veri yolu arbitrajının neden olduğu gecikmeler ve paket kaybı azaltılır.

Başlangıçta otomotiv elektroniği için tasarlanan CAN, güvenilirlik ve gürültü bağışıklığını vurgular. Carrier Sense Multiple Access with Non-Destructive Arbitration (CSMA/CA) mekanizması kullanır ve bu sayede veri yolu boşta olduğunda birden fazla düğüm iletim yapabilir. Çakışma durumunda, daha yüksek öncelikli mesajlar (daha düşük ID değerleri) iletime devam ederken, daha düşük öncelikli mesajlar otomatik olarak geri çekilir—böylece kayıpsız arbitraj sağlanır.

Bu mekanizma, dağıtılmış karar alma ve yüksek güvenilirlik sağlar; bu da CAN'i anahtar sinyalleri ve sensör verilerinin iletimi için ideal kılar. Sonuç olarak, otomotiv elektronik kontrol üniteleri (ECU'lar) arasındaki iletişimde yaygın olarak kullanılır. Ancak, son derece yüksek gerçek zamanlılık ve periyodiklik gerektiren çok eksenli koordineli hareket kontrolüne uygulandığında, CAN'in doğal sınırlamaları belirgin hale gelir.

Sistem seçimi perspektifinden bakıldığında, CAN genellikle mevcut CAN tabanlı mimarileri genişletmek için kullanılır. Daha az eksenli (örneğin, altıdan az) ve senkronizasyon ile dinamik performans gereksinimleri daha az sıkı olan sistemler için—masaüstü robotlar ve AGV'ler gibi—CAN yeterlidir, ekonomiktir ve zorlu ortamlardaki sağlamlığıyla iyi bilinir. EtherCAT ise yüksek performanslı veya büyük ölçekli dağıtılmış robotik sistemler için daha uygundur. Düğüm başına maliyet daha yüksek olsa da, EtherCAT'in kablolamanın basitleştirilmesi, repeater'ların ortadan kaldırılması, hata ayıklama ve bakım kolaylığı ile genel performans iyileştirmesindeki avantajları, uzun vadede çoğu zaman daha düşük toplam sahip olma maliyetiyle sonuçlanır.

I3C Protokolünün Hızlı Gelişimi

I3C, gelişmekte olan bir sensör iletişim protokolüdür ve birçok şirket robotik becerikli ellerde kullanımını aktif olarak teşvik etmektedir. Harici PHY ihtiyacını ortadan kaldırarak donanım tasarımını sadeleştirir. Örneğin:

NXP i.MX RT1180, birden fazla servo düğümü ve sensöre bağlantı sağlayan iki I3C arayüzünü entegre eder.

Infineon PSoC Edge, I3C'yi destekler.

Renesas RA8 yüksek performanslı MCU serisi I3C'yi destekler

Microchip PIC18-Q20 serisi, yüksek hızlı I3C modülleri içerir.

STMicroelectronics STM32N6, STM32H5, STM32H7 ve STM32U3'ün tümü I3C'yi destekler.

I3C, becerikli ellerde çok motorlu kontrol ve yüksek yoğunluklu sensör verisi toplama (elektronik deri ve tork sensörleri gibi) için, özellikle robot parmakları gibi alanın kısıtlı olduğu ortamlarda son derece uygundur.

Şu anda, CAN FD becerikli eller için ana akım çözüm olmaya devam etmektedir. Ekosistem olgunlaşmamış olduğu için I3C henüz yaygın olarak benimsenmemiştir. Bazı mühendisler ayrıca I3C'nin daha zayıf gürültü bağışıklığı sunduğuna inanmakta, bu da becerikli ellerde büyük ölçekli dağıtımı zorlaştırmaktadır.

Bununla birlikte teknoloji gelişmeye devam ediyor. Bazı yerli çip üreticileri I3C'yi Ar-Ge yol haritalarına dahil ediyor ve pazar talebine göre seri üretimi ilerletecek, aynı zamanda CAN XL gibi yeni ortaya çıkan protokolleri de yakından takip edecek. Sonuç olarak, iletişim protokolü ortamının gelecekte daha fazla dönüşüm geçirmesi muhtemeldir.