EtherCAT für Servoantriebe: Ein praktischer Leitfaden
Was ist EtherCAT?
EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ist ein echtzeitfähiges Ethernet-Feldbusprotokoll, das von Beckhoff entwickelt und seit 2005 als IEC-Standard (IEC 61158) etabliert ist. Seine Kernidee: Ethernet-Frames werden nicht wie üblich an jedem Knoten gepuffert und weitergeleitet, sondern „on the fly“ verarbeitet — jeder Slave liest und schreibt seine Daten, während der Frame mit Leitungsgeschwindigkeit durchläuft.
Warum ist das wichtig?
Für Servoantriebe ist deterministische Kommunikation keine Option, sondern eine Voraussetzung. Der Regelkreis muss Sollwerte und Istwerte in exakt definierten Zeitintervallen austauschen — Jitter im Mikrosekundenbereich kann die Regelgüte zerstören.
EtherCAT liefert genau das:
- Zykluszeiten ab 62,5 µs — schnell genug für hochdynamische Regelkreise mit 4 kHz und mehr
- Jitter im Nanosekundenbereich — gemessene Werte von 30–70 ns in realen Maschinenapplikationen
- Multi-Achs-Synchronisation — Distributed Clocks synchronisieren alle Achsen auf unter 100 ns Genauigkeit
- Hohe Bandbreite — 100 Mbit/s, keine 8-Byte-Begrenzung wie bei nativem CANopen; Position, Geschwindigkeit, Drehmoment und Zusatzdaten in jedem Zyklus
- Flexible Topologie — Linie, Ring, Stern oder Mischformen; bis zu 100 m zwischen den Knoten mit Standard-Cat5e-Kabeln
Wie funktioniert es?
Processing on the Fly: Ein einzelner Ethernet-Frame durchläuft alle Slaves im Netzwerk. Jeder EtherCAT Slave Controller (ESC) liest seine Eingangsdaten und schreibt seine Ausgangsdaten in den Frame — in Hardware, ohne den Frame zu puffern. Die Verzögerung pro Knoten beträgt ca. 1 µs. Nach dem letzten Slave kehrt der Frame zum Master zurück. Ein einziger Frame-Umlauf aktualisiert alle I/O-Daten im gesamten Netzwerk.
Distributed Clocks (DC): Ein Slave wird als Referenzuhr definiert (typischerweise der erste DC-fähige Slave). Alle weiteren Slaves synchronisieren ihre lokalen Uhren auf diese Referenz, wobei Laufzeitverzögerungen automatisch kompensiert werden. Das Ergebnis: SYNC0-Signale werden in allen Slaves gleichzeitig ausgelöst — alle Antriebe tasten Sensoren ab und setzen Ausgänge im selben Moment um.
PDO und SDO — Zyklische und azyklische Daten:
- PDO (Process Data Objects) — zyklische Echtzeit-Daten in jedem Kommunikationszyklus: Sollposition, Istposition, Sollgeschwindigkeit, Statuswort etc. Die PDO-Zuordnung wird über Mapping-Objekte (0x1600–0x17FF für RxPDO, 0x1A00–0x1BFF für TxPDO) konfiguriert.
- SDO (Service Data Objects) — azyklische Parameterzugriffe über den Mailbox-Mechanismus: Konfiguration, Diagnose, Firmware-Updates. Das SDO-Protokoll ist identisch mit CANopen.
CANopen over EtherCAT (CoE): CoE bildet die gesamte CANopen-Profilfamilie auf EtherCAT ab — einschließlich CiA 301 (Kommunikationsprofil) und CiA 402 (Antriebsprofil mit State Machine und Betriebsarten). Bestehende CANopen-Objekte und -Profile bleiben vollständig erhalten, die 8-Byte-Payload-Begrenzung von nativem CANopen entfällt.
Wie setzt SOMANET das um?
Alle SOMANET Servoantriebe (Node und Circulo) nutzen EtherCAT mit CoE als primäre Kommunikationsschnittstelle. Die interne Abtastzeit beträgt 250 µs (4 kHz), in High-Speed-Konfiguration 62,5 µs. Distributed Clocks mit SYNC0 synchronisieren Multi-Slave-Systeme auf unter 100 ns.
Bis zu 20 Objekte pro PDO-Map und 4 PDO-Maps pro Richtung erlauben flexible Datenzuordnungen — insgesamt bis zu 80 zyklisch übertragene Objekte je Richtung. ESI-Dateien (EtherCAT Slave Information) für die Integration in EtherCAT-Master wie Beckhoff TwinCAT sind unter bundles.synapticon.com verfügbar.
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