CANopen und EtherCAT im technischen Vergleich: Funktionsprinzip, CiA-402-Betriebsarten, Encoder-Schnittstellen, Regelkreis-Aufbau und typische
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CANopen und EtherCAT im Vergleich: Funktionsprinzip und Echtzeitfähigkeit
Wer Servoantriebe auslegt, entscheidet mit der Protokollwahl über die erreichbare Regelgüte. CANopen basiert auf der CAN-Datenschicht nach ISO 11898-1; die meisten Adressierungsschemata nutzen das Basisframe-Format mit 11-Bit-Identifier, und der erweiterte Frame mit 29-Bit-Identifier wird ebenfalls unterstützt[1]. EtherCAT nutzt dagegen die Ethernet-Physik nach IEEE 802.3 mit Standard-Ethernet-Frames und verarbeitet die Nutzdaten, während der Frame jeden Slave mit voller Geschwindigkeit durchläuft, ohne dass Software am Slave die Übertragung verzögert[2]. Aus diesen Funktionsprinzipien ergeben sich die Kenngrößen, die für die Auslegung entscheiden:
| Kenngröße | CANopen | EtherCAT |
|---|---|---|
| Übertragungsbasis | CAN-Datenschicht nach ISO 11898-1 | Ethernet-Physik nach IEEE 802.3 |
| Bitrate und Leitungslänge | 125 kbit/s bis 500 m, 1 Mbit/s bis 25 m | Standard-Ethernet-Frames, Topologie frei wählbar |
| Typische Zykluszeit | Millisekundenbereich | unter 100 µs |
| Uhrensynchronisation | zyklisches SYNC-Objekt ohne Uhrenkorrektur | Distributed Clocks mit Abweichung unter 100 ns |
Das Durchlaufverfahren erklärt die Echtzeitfähigkeit von EtherCAT: Jeder Slave extrahiert seine Ausgangsdaten und schiebt seine Eingangsdaten in denselben Frame, während dieser ihn passiert. Die Synchronisation zwischen den Teilnehmern bleibt auch ohne verteilte Uhren mit einem Jitter von höchstens 1 µs präzise[5]. Unterstützt ein Slave die Distributed-Clocks-Funktion, wählt der Master den ersten geeigneten Slave als Referenzuhr und gleicht alle übrigen Uhren über vermessene Laufzeiten an, sodass eine Abweichung von weniger als 100 ns bleibt, unabhängig vom Abstand der Geräte[4]. Genau diese Nanosekunden-Synchronität ist die Voraussetzung dafür, dass mehrere Achsen im zyklisch synchronen Betriebsartensatz phasensynchron auf einer gemeinsamen Bahn laufen.
Für die Praxis bedeutet der Vergleich: CANopen bleibt die wirtschaftliche Wahl für überschaubare Achszahlen, moderate Dynamik und große Leitungslängen bei niedriger Baudrate. EtherCAT zahlt sich dort ein, wo kurze Zykluszeiten, geringer Jitter und Mehrachssynchronisation die Bahngüte bestimmen, etwa in Robotik und Handling. Die Grundlagen der beteiligten Servomotoren behandeln wir ausführlich in unserem Leitfaden zu Servomotoren.
CiA 402: Betriebsarten für Positionierung, Drehzahl und Drehmoment
Beide Protokolle sprechen den Antrieb über dasselbe Geräteprofil an: CiA 402 standardisiert das Verhalten von Reglern für Servoantriebe, Frequenzumrichter und Schrittmotoren. Das Profil beschreibt einen endlichen Zustandsautomaten, der festlegt, welche Kommandos der Antrieb in welchem Zustand annimmt und wann Leistung geschaltet wird. Der Host steuert den Antrieb über das 16-Bit-Steuerwort (Objekt 0x6040), während der Antrieb seinen Zustand über das Statuswort (0x6041) zurückmeldet[6]. Konstruktionsrelevant ist vor allem die Wahl der Betriebsart, denn sie entscheidet, wo die Bahnplanung liegt:
| Betriebsart | Kennung | Fahrgenerator | Typischer Einsatz |
|---|---|---|---|
| Profile Position | PP | Antrieb mit internem Fahrgenerator | Punkt-zu-Punkt-Positionierung, manuelle Bedienung |
| Profile Velocity | PV | Antrieb mit internem Fahrgenerator | Drehzahlvorgaben, Fördern und Dosieren |
| Zyklisch synchron Position | CSP (Mode 8) | Master mit Bahnplanung | Mehrachsige Bahnbewegung, Robotik |
| Zyklisch synchron Drehzahl | CSV (Mode 9) | Master | Koppelpunkte und geregelte Drehzahlvorgaben |
| Zyklisch synchron Drehmoment | CST (Mode 10) | Master | Wickelprozesse, Pressen, Kraftregelung |
In den Profilmodi PP und PV erzeugt der Antrieb den Bewegungssollwert selbst, der Master liefert nur Zielgrößen. In den zyklisch synchronen Modi CSP, CSV und CST übernimmt die Steuerung die Bahnplanung und schreibt jeden Zyklus neue Sollwerte; der Antrieb interpoliert zwischen den Stützstellen. Diese Modi setzen deshalb eine stabile, jitterarme Buskommunikation voraus, wie sie EtherCAT mit seinen Distributed Clocks bereitstellt.
Normativ ist das Profil gut abgesichert: CiA 402 ist als Antriebsprofil in der IEC-61800-7-Reihe genormt. Ein Praxishinweis für die Beschaffung: Das Profil lässt zahlreiche optionale Funktionen zu, und einige Hersteller implementieren nur einen Teil der Pflichtfunktionen, ohne die Konformitätseinschränkung zu deklarieren[7]. Prüfen Sie daher vor der Auslegung, welche Betriebsarten und Diagnoseobjekte Ihr Antriebsregler tatsächlich unterstützt.
Encoder-Rückführung: Inkremental- und Absolutwertgeber im Vergleich
Die Güte der Lageregelung steht und fällt mit der Geber-Rückführung. Ein Inkrementalgeber liefert nur relative Wegschritte und benötigt nach jedem Einschalten eine Referenzfahrt, bevor die Maschine anlaufen darf. Ein Absolutwertgeber kennt die Position sofort nach dem Hochlauf, in Singleturn- oder Multiturn-Ausführung, und eliminiert damit sowohl die Referenzfahrt als auch das Risiko von Positionsverlusten bei ungeplantem Abschalten. Wie sich integrierte Getriebe mit einer solchen Rückführung in den Antriebsstrang einfügen, zeigen wir im Beitrag zu Absolut-Encodern.
| Schnittstelle | Übertragungsrichtung | Maximale Taktrate | Besonderheit |
|---|---|---|---|
| SSI | unidirektional | bis 1,5 MHz, kabelabhängig | vier Kommunikations- und zwei Versorgungsadern, einfache Verdrahtung |
| BiSS-C | bidirektional | bis 10 MHz | offenes Protokoll mit CRC-Fehlerprüfung und Registerzugriff |
| Hiperface-DSL | bidirektional | 9,375 Mbit/s | rein digitale Schnittstelle, die über nur zwei Adern im Motorkabel geführt wird und den Geber zugleich versorgt |
| EnDat 2.2 | bidirektional | bis 2 MHz, mit Laufzeitkompensation bis 16 MHz | Diagnose-, Parameter- und Zusatzdatenkanäle |
Aufbau des Regelkreises: Von der Stromregelung bis zur Lageregelung
Der Regelkreis selbst ist kaskadiert aufgebaut: Der innere Stromregelkreis arbeitet mit der kürzesten Zykluszeit im Kilohertzbereich, darüber lagert sich der Drehzahlregelkreis, und der Lageregelkreis bildet die äußerste Schleife. Jede Stufe entkoppelt die Streckenparameter der inneren von der äußeren Regelung, sodass sich die Regler stufenweise optimieren lassen. Die Grenze setzt der Bus: Die Lageregelung kann nur so schnell und so glatt folgen, wie der Sollwert am Antrieb ankommt. Bei CANopen-Zykluszeiten im Millisekundenbereich muss der Antrieb die Sollwertstützstellen entsprechend interpolieren, während EtherCAT mit Zykluszeiten unter 100 µs und Jitter unter 1 µs die Lageregelung deutlich enger takten lässt[5]. Die Kombination aus hochauflösendem Geber und schnellem Bus nutzen integrierte Antriebe mit Closed-Loop-Steuerung voll aus; die passenden Encoder- und Steuerungssysteme liefern wir als abgestimmtes Gesamtsystem zusammen mit unseren Getrieben aus.
Verkabelung und Busabschluss: Baudrate, Kabellänge und Terminierung
Auf der physischen Ebene unterscheiden sich die beiden Systeme grundlegend. Ein CANopen-Netzwerk bildet eine Leitung mit definierter Impedanz, die an beiden Enden abgeschlossen werden muss; CANopen fordert einen Abschlusswiderstand von 120 Ω an jedem Leitungsende, dimensioniert für mindestens 0,25 W Verlustleistung[8]. Die gewählte Baudrate begrenzt dabei die zulässige Buslänge: 125 kbit/s erlauben 500 m, 1 Mbit/s nur noch 25 m. Jede Station benötigt zudem eine eindeutige Node-ID im Bereich 1 bis 127. EtherCAT dagegen benötigt keinen Busabschluss, da jeder Slave den Frame physikalisch durchschleift, und vergibt seine Adressen beim Anmelden automatisch.
Typische Fehlerquellen bei Inbetriebnahme und Diagnose
- Fehlender oder doppelt gesetzter 120-Ω-Abschlusswiderstand am CANopen-Bus, sichtbar als sporadische Framefehler erst unter Last
- Doppelt vergebene Node-IDs, die beim Anmelden der Stationen zu unvorhersehbaren Reaktionen führen
- Falsches PDO-Mapping, bei dem Soll- und Istwerte nicht im erwarteten Zyklus übertragen werden
- Kabellängen oberhalb der für die gewählte Baudrate zulässigen Grenze
- Bei EtherCAT: ein Working Counter, der nicht den erwarteten Wert meldet, weil ein Slave das Datagramm nicht verarbeitet hat, und so auf eine Unterbrechung oder einen defekten Teilnehmer hinweist[9]
Die Diagnose sollte systematisch erfolgen, bevor die Maschine freigegeben wird: Zuerst das Statuswort des Antriebs gegen den Zustandsautomaten nach CiA 402 prüfen, dann die Emergency-Objekte auswerten, die das CANopen-Kommunikationsprofil definiert, und schließlich die Busfehlerzähler der Teilnehmer heranziehen, um Leitungs- statt Applikationsfehler zu erkennen[6]. Wer Feldbusanbindung, Parametrierung und Diagnose von Beginn an als Systemaufgabe plant, reduziert den Inbetriebnahmeaufwand erheblich; das gilt besonders für vorkonfektionierte Servo-Getriebemotoren mit Feldbus, bei denen Motor, Getriebe, Encoder und Schnittstelle werkseitig aufeinander abgestimmt sind.
Wir von ATEK Drive Solutions begleiten Sie über die reine Komponentenlieferung hinaus: Wir stimmen Servomotoren, Servogetriebe und Controller als komplette Antriebsstranglösung auf Ihre Anwendung ab, übernehmen Auslegung, Integration und Parametrierung und sichern die Funktion bis zur Abnahme ab. Sprechen Sie uns an, wenn Sie Ihre nächste CANopen- oder EtherCAT-Achse projektfertig und aus einer Hand realisieren möchten.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Hauptunterschied zwischen CANopen und EtherCAT bei Servomotoren?
CANopen überträgt Daten auf einem CAN-Bus nach ISO 11898 mit Baudraten von 125 kbit/s bis 1 Mbit/s und erreicht Zykluszeiten im Millisekundenbereich. EtherCAT schleift Ethernet-Frames im Durchlaufverfahren durch jeden Slave und erreicht dadurch Zykluszeiten unter 100 µs. Beide nutzen für Antriebe dasselbe CiA-402-Geräteprofil.
Welche Betriebsarten definiert CiA 402 für Positionierung, Drehzahl und Drehmoment?
CiA 402 definiert unter anderem die Profilmodi Profile Position (PP) und Profile Velocity (PV), bei denen der Fahrgenerator im Antrieb liegt, sowie die zyklisch synchronen Modi CSP, CSV und CST (Mode 8 bis 10), bei denen der Master die Bahnplanung übernimmt und in jedem Kommunikationszyklus einen neuen Sollwert sendet. Das Profil ist in der IEC-61800-7-Reihe genormt.
Warum sind Distributed Clocks bei EtherCAT wichtig?
Die verteilten Uhren synchronisieren alle EtherCAT-Teilnehmer über eine Referenzuhr, typischerweise der erste DC-fähige Slave, auf unter 100 ns genau. Dadurch setzen alle Antriebe ihre Ausgänge im selben Moment um und tasten Sensoren synchron ab, was die koordinierte Mehrachsbewegung erst deterministisch macht.
Brauche ich bei einem Servomotor mit Inkrementalgeber eine Referenzfahrt?
Ja. Inkrementalgeber liefern nach dem Einschalten keine absolute Position, daher ist eine Referenzfahrt erforderlich. Absolutwertgeber als Singleturn- oder Multiturn-Ausführung mit SSI-, BiSS-C-, Hiperface-DSL- oder EnDat-2.2-Schnittstelle kennen die Position sofort und machen die Referenzfahrt überflüssig.
Wie ist der Regelkreis eines Servoantriebs aufgebaut?
Kaskadiert: Der innere Stromregelkreis arbeitet im kHz-Bereich, darüber liegt der Drehzahlregelkreis und außen der Lageregelkreis. Die Kommunikationszykluszeit des Busses begrenzt, wie schnell Soll- und Istwerte ausgetauscht werden, und damit die erreichbare Güte der Lageregelung.
Welche Busabschlusswiderstände braucht ein CANopen-Netzwerk?
An beiden physikalischen Endpunkten des CAN-Netzwerks ist je ein Abschlusswiderstand von 120 Ohm erforderlich. Fehlt einer davon oder ist er doppelt vorhanden, kommt es zu Reflexionen und Busfehlern, was zu den häufigsten Inbetriebnahmeproblemen zählt.
Welche Node-ID darf ein CANopen-Teilnehmer haben?
Jeder Teilnehmer benötigt eine eindeutige Node-ID im Bereich von 1 bis 127. Doppelt vergebene Node-IDs führen zu Kollisionen auf dem Bus und zählen neben falschem PDO-Mapping zu den typischen Fehlern bei der Inbetriebnahme.
