로봇 통신 프로토콜: EtherCAT과 CAN이 미래인 이유

EtherCAT Technology Group (ETG)가 2024년에 발표한 통계에 따르면, EtherCAT은 전 세계 산업용 로봇 통신 프로토콜 시장의 39.2%를 차지했으며, 연간 성장률은 12.7%로 다른 경쟁 프로토콜을 크게 앞질렀습니다. 그 장점은 핵심 적용 시나리오에서 특히 두드러집니다: 휴머노이드 로봇의 다관절 실시간 협조 제어부터 자율주행의 다중 센서 융합, 그리고 Industry 4.0에서의 인간–기계 협업에 이르기까지. EtherCAT은 지능형 시스템이 물리적 세계와 상호작용하는 방식을 재정의하고 있습니다.

왜 EtherCAT이 점점 더 많은 주목을 받고 있을까요?

EtherCAT은 로봇 관절용 주류 통신 방식 중 하나로, 산업용 로봇과휴머노이드 로봇 관절 제어에 널리 사용됩니다. KUKA와 FANUC 같은 선도적인 로봇 제조업체들은 용접, 자재 핸들링, 분사 등의 복잡한 작업을 지원하기 위해 EtherCAT을 제어 버스로 광범위하게 채택하고 있습니다.

EtherCAT은 엄격한 실시간 요구사항이 있는 애플리케이션에 특히 적합합니다. 로봇 관절 제어는 일반적으로 전류, 속도, 위치의 세 가지 중첩 루프를 포함하며, 이는 신호 수집 → 연산 → 출력의 빠른 폐루프 프로세스를 필요로 합니다.

EtherCAT은 또한 로봇을 위한 통합된 전신 통신 아키텍처를 지원합니다. 일부 시스템에서는 상체에는 EtherCAT, 하체에는 CAN과 같이 CAN과 결합되어 사용되기도 합니다.

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)은 2003년에 독일의 Beckhoff Automation이 처음 소개했습니다. 당시 산업계는 고속, 고효율, 저비용의 통신 솔루션을 절실히 필요로 했습니다. EtherCAT은 산업 자동화에서 기존 Ethernet의 한계를 극복하기 위해 등장했으며, 빠르게 광범위한 주목을 받았습니다. 가장 두드러진 특징 중 하나는 매우 높은 데이터 전송 속도로, 나노초 수준의 동기화 정밀도를 가능하게 한다는 점입니다.

EtherCAT은 기존 필드버스와 유사하게 물리 계층, 데이터 링크 계층, 애플리케이션 계층의 세 가지 프로토콜 계층만 사용합니다. 그러나 PROFINET 및 EtherNet/IP와 같은 다른 실시간 Ethernet 프로토콜과 비교하면 EtherCAT의 프로토콜 스택은 훨씬 더 간결합니다. 이를 통해 매우 짧은 주기 내에서 초고속 데이터 교환이 가능하며, 로봇의 실시간 제어 요구를 완전히 충족하고 빠른 명령 응답과 고정밀 모션 제어를 실현할 수 있습니다.

분산 클록 (DC) 기술은 네트워크상의 모든 장치의 정밀한 동기화를 보장하여 로봇 관절이 완벽하게 협조하여 움직일 수 있게 하고, 타이밍 편차로 인한 동작 오류를 방지합니다.

“플라이 중 처리”: EtherCAT의 핵심 경쟁 우위

On-the-Fly / Processing on the Fly는 종종 EtherCAT의 기술적 해자로 여겨집니다. 엔지니어들은 이 기능이 현재 EtherCAT에만 고유하며 IP 기반 통신에 의존하지 않는다고 지적합니다. 이는 EtherCAT의 뛰어난 성능을 가능하게 하는 핵심 설계로, 슬레이브 장치가 전체 프레임을 저장하지 않고도 프레임이 통과하는 동안 직접 데이터를 읽거나 쓸 수 있게 하여 마이크로초 수준의 실시간 통신을 실현합니다.

저장 후 전달 메커니즘에 의존하는 기존 Ethernet 프로토콜과 달리, EtherCAT 슬레이브는 프레임 전송 중에 직접 데이터를 처리합니다. 노드당 처리 지연은 1 μs까지 낮습니다. 주요 기술 구현은 다음과 같습니다:

분산 클록 동기화: 마스터–슬레이브 클록 오프셋 보상 알고리즘을 사용하여, 네트워크 전체 동기화 정확도는 100 ns보다 우수하며, 향상된 IEEE 1588 표준을 준수합니다.

최적화된 프레임 구조: 초소형 8-byte 프레임 헤더로 최대 98%의 데이터 페이로드 효율을 달성하며 (PROFINET의 ~60%와 비교), 대역폭 활용률을 크게 향상시킵니다.

성능과 안전성의 관점 모두에서 EtherCAT은 매우 강력합니다. 그러나 또 다른 주요한 지배 요인은 그 개방성에 있습니다.

엔지니어의 관점에서 EtherCAT은 CAN만큼 사용하기 쉽지 않을 수 있지만, 모션 제어 집약적인 애플리케이션에서는 EtherCAT이 최고의 비용 대비 성능을 제공합니다.

오늘날 MCU 제조업체들은 EtherCAT에 매우 중요한 전략적 가치를 두고 있습니다.

이미 2023년 12월에 HPMicro는 Beckhoff의 공식 라이선스를 받은 EtherCAT Slave Controller (ESC)를 탑재한 중국 최초의 고성능 MCU 시리즈인 HPM6E00 시리즈를 발표했으며, 이어서 로봇에 특화된 HPM6E8Y를 출시했습니다. CES 2026에서 HPMicro는 로봇 관절용으로 특별히 설계된 고성능 MCU인 HPM5E3Y를 선보였습니다. 이 제품은 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러와 두 개의 Ethernet PHY 트랜시버를 통합하고, 480 MHz로 동작하는 RISC-V 코어를 탑재했으며, 512 KB RAM과 1 MB Flash를 포함하고, 9 × 9 mm만큼 작은 초소형 패키지로 제공되어 공간 제약이 있는 로봇 관절 설계에 이상적입니다. HPM5E3Y와 HPM6E8Y는 함께 세계에서 가장 완전한 로봇 관절 MCU 제품 라인업을 구성합니다.

왜 많은 고객들이 여전히 CAN을 선택할까요？

CAN (및 모션 제어 지향형 변형인 CANopen)은 로봇을 위한 또 다른 주류 통신 솔루션으로, 특히 로봇 하체 및 바퀴형 로봇 구동과 같이 실시간 요구사항이 더 낮은 애플리케이션에 적합합니다.

EtherCAT 비용이 하락함에 따라 일부 CAN 적용 시나리오는 축소되었습니다. 그러나 CAN은 사족 로봇과 로봇 개처럼 관절 수가 적고 제어 주파수가 낮은 로봇에서 여전히 널리 사용됩니다. 더욱이 CAN은 휴머노이드 로봇에서도 여전히 필수적입니다. 예를 들어, Zhiyuan Lingxi X1은 1 kHz 실시간 통신에서 100 Mbps EtherCAT을 사용하며, EtherCAT 게이트웨이가 데이터를 최대 5 Mbps로 동작하는 세 개의 CAN FD 채널로 전달합니다.

CAN은 다중 세그먼트 네트워크 분할을 지원합니다. 40개 이상의 관절을 가진 휴머노이드 로봇에서는 관절을 사지 (팔, 다리) 기준으로 여러 CAN FD 세그먼트로 그룹화하여 버스 중재로 인한 지연 및 패킷 손실을 줄일 수 있습니다.

원래 자동차 전자장치용으로 설계된 CAN은 신뢰성과 노이즈 내성을 중시합니다. CAN은 버스가 유휴 상태일 때 여러 노드가 전송할 수 있도록 하는 Carrier Sense Multiple Access with Non-Destructive Arbitration (CSMA/CA) 메커니즘을 채택합니다. 충돌이 발생할 경우 우선순위가 더 높은 메시지 (더 낮은 ID 값)는 계속 전송되고, 우선순위가 낮은 메시지는 자동으로 후퇴하여 무손실 중재를 보장합니다.

이 메커니즘은 분산 의사결정과 높은 신뢰성을 가능하게 하여, CAN을 스위치 신호 및 센서 데이터 전송에 이상적으로 만듭니다. 따라서 자동차 전자 제어 장치 (ECU) 간 통신에 널리 사용됩니다. 그러나 매우 높은 실시간성과 주기성 요구를 가진 다축 협조 모션 제어에 적용될 경우, CAN의 고유한 한계가 분명해집니다.

시스템 선택 관점에서 CAN은 기존 CAN 기반 아키텍처를 확장하는 데 자주 사용됩니다. 축 수가 적고 (예: 6개 미만) 동기화 및 동적 성능 요구가 덜 엄격한 시스템(예: 데스크톱 로봇 및 AGV)에서는 CAN이면 충분하고 경제적이며, 혹독한 환경에서의 견고성으로 잘 알려져 있습니다. 반면 EtherCAT은 고성능 또는 대규모 분산형 로봇 시스템에 더 적합합니다. 노드당 비용은 더 높을 수 있지만, 배선 단순화, 리피터 제거, 디버깅 및 유지보수의 용이성, 그리고 전반적인 성능 향상 측면에서 EtherCAT의 장점은 장기적으로 더 낮은 총소유비용으로 이어지는 경우가 많습니다.

I3C 프로토콜의 빠른 발전

I3C는 신흥 센서 통신 프로토콜로, 많은 기업들이 로봇 정교한 손에서의 사용을 적극적으로 추진하고 있습니다. 외부 PHY가 필요하지 않아 하드웨어 설계를 단순화합니다. 예를 들어:

NXP i.MX RT1180은 두 개의 I3C 인터페이스를 통합하여 여러 서보 노드와 센서 연결을 가능하게 합니다.

Infineon PSoC Edge는 I3C를 지원합니다.

Renesas RA8 고성능 MCU 시리즈는 I3C를 지원합니다

Microchip PIC18-Q20 시리즈에는 고속 I3C 모듈이 포함되어 있습니다.

STMicroelectronics STM32N6, STM32H5, STM32H7, 그리고 STM32U3는 모두 I3C를 지원합니다.

I3C는 정교한 손의 다중 모터 제어와 고밀도 센서 데이터 수집 (예: 전자 피부 및 토크 센서)에 매우 적합하며, 특히 로봇 손가락과 같은 공간 제약 환경에서 그렇습니다.

현재 정교한 손에서는 CAN FD가 여전히 주류 솔루션입니다. 생태계의 미성숙으로 인해 I3C는 아직 널리 채택되지 않았습니다. 일부 엔지니어들은 또한 I3C가 노이즈 내성이 더 약해 정교한 손에서 대규모 배치가 어렵다고 보고 있습니다.

그럼에도 불구하고 기술은 계속 발전하고 있습니다. 일부 중국 칩 제조업체들은 I3C를 연구개발 로드맵에 포함시키고 있으며, 시장 수요에 따라 양산을 추진하는 동시에 CAN XL과 같은 신흥 프로토콜도 면밀히 주시하고 있습니다. 그 결과, 통신 프로토콜 지형은 앞으로 더욱 큰 변화를 겪을 가능성이 높습니다.