Pourquoi EtherCAT devient-il le bus de communication standard des modules d’articulations robotiques ?

Le développement rapide des robots humanoïdes, des robots collaboratifs et des équipements d’automatisation de haute précision oriente lesmodules intégrés de joints robotiques intelligentsvers la coordination multi-axes, le contrôle en temps réel à haute fréquence, l’interaction flexible des forces et le suivi de trajectoire de haute précision.

Les bus de communication traditionnels, tels que RS485 et CANopen, ne répondent plus pleinement aux exigences de contrôle des joints intelligents de nouvelle génération en matière de précision de synchronisation, de bande passante de communication, de performances en temps réel et d’évolutivité multi-axes.

Au vu de l’architecture de communication, des modes de contrôle, du mappage PDO, des Distributed Clocks et du cadre de dépannage décrits dans le manuel officiel de lasérie de modules de joint TCHL, EtherCAT est devenu une solution de communication courante pour les modules de joints robotiques haut de gamme. Son adoption généralisée ne résulte pas simplement du suivi d’une tendance industrielle. Elle reflète plutôt la forte compatibilité entre les exigences de contrôle avancées des robots modernes et l’architecture technique d’EtherCAT.

Cet article examine les principales raisons de l’utilisation généralisée d’EtherCAT dans les modules de joints robotiques intelligents, en s’appuyant sur les caractéristiques techniques présentées dans le manuel de la série TCHL.

1. Communication en temps réel à l’échelle de la microseconde pour le contrôle servo à haute fréquence

Les boucles de retour de position, de vitesse, de courant et de couple des joints robotiques imposent des exigences très élevées en matière de temps de cycle de communication et de performances en temps réel.

Le manuel dumodule de joint TCHLprend explicitement en charge plusieurs modes de contrôle en temps réel de haute précision, notamment :

• Mode position synchrone cyclique (CSP)

• Mode vitesse synchrone cyclique (CSV)

• Mode couple synchrone cyclique (CST)

Ces modes de contrôle reposent sur une latence de communication extrêmement faible et des cycles de synchronisation stables.

Les communications série traditionnelles et RS485 utilisent généralement un mécanisme d’interrogation, qui peut entraîner une latence plus élevée et davantage de gigue. Bien que CANopen prenne en charge la communication synchrone, son cycle de communication est généralement de l’ordre de la milliseconde et peut s’allonger considérablement à mesure que le nombre d’axes connectés augmente.

À l’inverse, EtherCAT utilise un mécanisme de traitement matériel. Ses dispositifs esclaves traitent directement les données au moyen d’unités matérielles de gestion de mémoire de bus de terrain (FMMU), sans que le processeur ait à interpréter chaque message par logiciel. Cette architecture permet d’atteindre des cycles de communication et une gigue de synchronisation de l’ordre de la microseconde.

D’après les paramètres indiqués dans le manuel du module TCHL, EtherCAT prend en charge des cycles de synchronisation stables de 1 ms, 2 ms et 3 ms. Ces cycles conviennent au contrôle en boucle fermée des servomoteurs à haute fréquence, à l’échantillonnage du couple et à la mise à jour dynamique des trajectoires, fournissant ainsi une base au contrôle de mouvement de haute précision.

2. Les Distributed Clocks permettent une synchronisation multi-axes de haute précision

Les bras robotiques à plusieurs degrés de liberté et les robots humanoïdes comportent plusieurs joints interconnectés. Les données de retour de position et de vitesse, ainsi que celles des capteurs de couple de différents joints, doivent partager une référence temporelle commune afin de garantir la précision des calculs dynamiques, de la compensation d’inertie, de la détection de collision et des algorithmes de contrôle des forces.

Le manuel dumodule de joint TCHLprésente spécifiquement la configuration des Distributed Clocks (DC) d’EtherCAT, l’un des principaux avantages qui distinguent EtherCAT des bus de communication traditionnels.

Comment les Distributed Clocks d’EtherCAT synchronisent plusieurs joints

Le mécanisme DC d’EtherCAT fournit une horloge matérielle commune à tous lesmodules de jointdu réseau. L’échantillonnage des codeurs et du couple, ainsi que la mise à jour des commandes de contrôle sur différents axes, peuvent ainsi être synchronisés avec une grande précision, ce qui réduit au minimum les écarts temporels entre les axes au niveau matériel.

En revanche, CANopen et RS485 s’appuient généralement sur des signaux de synchronisation diffusés par logiciel, plutôt que sur une synchronisation par horloge matérielle du même type. Cela peut entraîner une gigue de synchronisation et des écarts temporels plus importants.

Lors de mouvements coordonnés multi-axes, de telles erreurs temporelles peuvent contribuer à des désalignements de trajectoire, à des oscillations du contrôle des forces et à une augmentation des erreurs de suivi dynamique.

Pour les systèmes robotiques qui nécessitent des mouvements coordonnés de plusieurs joints, une synchronisation précise est essentielle au maintien de la précision des mouvements et de la stabilité du contrôle.

3. Le protocole normalisé CiA 402 améliore la compatibilité et l’interopérabilité

Le dictionnaire d’objets, la machine à états et les définitions des modes de contrôle figurant dans le manuel du module TCHL reflètent l’architecture de communication EtherCAT couramment utilisée dans les joints robotiques : CoE (CANopen over EtherCAT), compatible avec le profil CiA 402 des dispositifs d’entraînement et de contrôle du mouvement.

CiA 402 est une norme largement établie pour les servodispositifs industriels. Elle définit les transitions normalisées des états de fonctionnement des variateurs, les mots de commande, les mots d’état, les modes de fonctionnement et les objets de données.

Un dictionnaire d’objets normalisé simplifie l’intégration

Dans cette architecture, les principales données de contrôle et de retour — notamment la position cible, la vitesse cible, le couple cible, la position réelle, le couple réel et les codes d’erreur — sont définies au moyen d’index normalisés du dictionnaire d’objets.

Exemples :

• 0x6040 : Controlword

• 0x607A : position cible

• 0x6071 : couple cible

• 0x303A : retour du capteur de couple

Les protocoles de communication normalisés améliorent la compatibilité et l’interchangeabilité des modules de joint de différents fabricants. Lors de l’intégration de différents appareils, du changement de mode de contrôle, de la mise en service des équipements ou de la migration de programmes, les développeurs peuvent réduire la nécessité de s’adapter à des protocoles de communication propriétaires.

Pour les fabricants de modules de joint, développer des produits à partir d’une norme établie contribue également à réduire la complexité du développement et les coûts liés aux essais et erreurs. Cette normalisation constitue un autre facteur important de l’adoption des modules de joint basés sur EtherCAT.

4. La transmission PDO à large bande passante prend en charge les données de capteurs multidimensionnelles

Les modules intégrés de joints de nouvelle génération ne sont plus de simples unités d’exécution de mouvements. Ce sont des systèmes de détection intelligents pouvant intégrer des codeurs doubles, des capteurs de couple côté sortie, la surveillance de la température, la détection des défauts et l’acquisition des vibrations.

Par rapport aux servosystèmes traditionnels, les joints intelligents doivent transmettre nettement plus de données en temps réel, notamment la position, la vitesse, le couple, la température, les codes de défaut et les valeurs de compensation du décalage.

Mappage flexible RxPDO et TxPDO

Selon la section consacrée au mappage PDO du manuel TCHL, EtherCAT prend en charge plusieurs groupes de mappages RxPDO et TxPDO personnalisables. Le contrôleur peut ainsi transmettre des commandes au module de joint et recevoir des données d’état multidimensionnelles au cours d’un seul cycle de communication.

EtherCAT utilise une couche physique basée sur Ethernet, dont la bande passante est suffisante pour transporter de grands volumes de données au cours de cycles de synchronisation à haute fréquence. Cela aide à éviter la congestion des communications et la nécessité de réduire la fréquence d’échantillonnage lorsque plusieurs signaux de capteurs sont transmis simultanément.

Les bus de communication traditionnels offrent une bande passante plus limitée. Lorsqu’ils gèrent plusieurs tâches d’acquisition de données, ils peuvent nécessiter des fréquences d’échantillonnage plus basses, au risque de compromettre la précision du contrôle des forces et la rapidité de la réponse dynamique.

Ils sont donc moins adaptés aux applications avancées de joints intelligents équipés de capteurs de couple et d’autres fonctions de détection intégrées.

5. La topologie en chaîne simplifie le câblage et l’extension multi-axes

Les robots humanoïdes et les bras robotiques à six axes comportent généralement de 6 à 16 modules de joint. Leur espace intérieur étant réduit, le cheminement des câbles et l’intégration du système sont difficiles.

EtherCAT prend en charge une topologie en chaîne, qui permet de connecter séquentiellement plusieurs modules de joint par leurs interfaces réseau. Cela simplifie le câblage du réseau et réduit la nécessité de disposer d’une ligne de communication distincte entre chaque joint et le contrôleur.

Connexions IN/OUT flexibles pour l’intégration robotique

La configuration des interfaces IN/OUT d’EtherCAT et la méthode de connexion en chaîne facilitent l’installation de modules à plusieurs niveaux et le cheminement des câbles à travers des structures creuses.

Cette solution convient particulièrement aux configurations mécaniques compactes des joints robotiques, où l’espace disponible pour le câblage est limité.

Comparé aux limitations du nombre de nœuds et aux contraintes d’extension des réseaux CANopen, ainsi qu’à l’efficacité moindre de l’interrogation des réseaux RS485, EtherCAT offre une grande évolutivité multi-axes. L’ajout d’axes n’entraîne pas nécessairement une augmentation importante du temps de cycle de communication, ce qui rend EtherCAT particulièrement adapté au contrôle coordonné de plusieurs joints robotiques.

6. Un diagnostic complet des défauts améliore la fiabilité du système et facilite la maintenance

Les instructions de dépannage et le système d’alarme EtherCAT décrits dans le manuel du module TCHL illustrent les capacités complètes du bus en matière de gestion des états et de diagnostic des défauts.

EtherCAT définit quatre principaux états de communication :

Init : initialisation

Pre-Operational : pré-opérationnel

Safe-Operational : opérationnel sécurisé

Operational : opérationnel

Ces états aident les développeurs à identifier les problèmes de communication liés à l’initialisation des appareils, au mappage PDO, à la synchronisation, à la déconnexion du réseau ou à la perte de trames.

Le système peut également signaler en temps réel des informations sur les défauts, telles que les erreurs de poursuite, les écarts de synchronisation et les anomalies de réception PDO.

Les développeurs peuvent ainsi identifier et résoudre les problèmes de communication plus efficacement, réduisant le temps de mise en service et la complexité de la maintenance après-vente. Ses capacités de diagnostic complètes rendent EtherCAT particulièrement adapté aux systèmes d’automatisation industrielle et aux équipements robotiques nécessitant un fonctionnement stable à long terme.

7. Un écosystème EtherCAT mature réduit les coûts de développement et d’intégration

EtherCAT a développé un écosystème mature couvrant un large éventail d’applications industrielles. Plusieurs solutions de contrôleurs maîtres couramment utilisées sont disponibles, notamment Beckhoff TwinCAT, SOEM, IgH et les plateformes basées sur Linux temps réel.

Ces solutions prennent en charge différentes plateformes matérielles, notamment les PLC, les PC industriels et les contrôleurs embarqués.

Des outils professionnels sont également disponibles pour la mise en service, la capture de paquets et la configuration des paramètres. Les développeurs peuvent surveiller les cycles de synchronisation, les décalages DC, les données PDO et les états du bus, ce qui simplifie le développement et le dépannage du système.

Pour les fabricants d’équipements, EtherCAT offre un haut degré de normalisation, une forte portabilité et un vivier de talents bien établi. Comparé aux bus de communication propriétaires, il peut contribuer à réduire les coûts de développement, de mise en service, de formation et de remplacement, ce qui le rend mieux adapté à la production à grande échelle et au déploiement commercial.

Conclusion : pourquoi EtherCAT devient le choix courant pour la communication des joints robotiques

L’adoption généralisée d’EtherCAT s’explique fondamentalement par le fait que les bus de communication traditionnels à faible débit ne peuvent répondre pleinement aux exigences de contrôle avancées desjoints robotiques intelligents.

Grâce à sa communication matérielle en temps réel à l’échelle de la microseconde, à la synchronisation de haute précision par Distributed Clock, aux protocoles servo normalisés CiA 402, à la transmission PDO à large bande passante, à la mise en réseau multi-axes simplifiée et au diagnostic complet des défauts, EtherCAT convient aux modules intégrés de joints de nouvelle génération dotés de la détection du couple, de la coordination multi-axes, du contrôle flexible des forces et du suivi de trajectoire de haute précision.

Avec le développement continu des robots humanoïdes, des robots collaboratifs et des équipements d’automatisation haut de gamme, EtherCAT est devenu une solution de communication courante de premier plan pour les modules de joints robotiques.