Настройка ПИД-регулятора гармонического шарнирного привода HPJM: как уменьшить дрожание при позиционировании

Дрожание позиционирования может возникать, когда шарнир робота многократно колеблется вокруг заданного положения или не может плавно стабилизироваться после достижения цели. Для высокоточного гармонического привода шарнира такое поведение часто связано с взаимодействием параметров ПИД-регулятора, условий нагрузки, характеристик передачи и механической конструкции.

Гармонический шарнирный привод HPJM обеспечивает настраиваемый ПИД-интерфейс, позволяющий пользователям регулировать параметры управления скоростью и положением в зависимости от нагрузки и условий эксплуатации. Текущий контур калибруется перед поставкой, а контуры скорости и положения могут быть настроены пользователем при необходимости.

В данной статье описывается структура ПИД-регулирования привода гармонического шарнира HPJM, роль основных параметров ПИД-регулятора, а также практическая процедура уменьшения дрожания позиционирования с помощью CAN, CANopen, EtherCAT или программного обеспечения Magic.

Почему в приводе шарнира робота возникает дрожание позиционирования?

Шарнир робота не работает только как двигатель. Полная система движения включает в себя двигатель, гармонический редуктор, энкодер, подшипники, механический корпус, нагрузку и систему сервоуправления.

Когда достигается заданное положение, контроллер непрерывно сравнивает целевое положение с фактическим положением. Если управляющий отклик слишком агрессивен для механических характеристик шарнира, исполнительный механизм может неоднократно корректировать положение в противоположных направлениях.

Это может выглядеть следующим образом:

• Небольшие колебания вокруг целевого положения

• Повторные прямые и обратные коррекции

• Слышимая или видимая вибрация

• Более длительное время стабилизации

• Неустойчивое движение под определенными нагрузками

Следовательно, дрожание позиционирования не следует автоматически приписывать гармоническому редуктору или энкодеру. Во многих случаях параметры ПИД-регулятора необходимо согласовывать с фактической нагрузкой и механическими условиями шарнира робота.

Как работает ПИД-регулирование в приводе гармонического шарнира HPJM?

ПИД-регулирование определяет выходной сигнал управления в соответствии с ошибкой между заданным значением и фактической реакцией системы.

Три основных компонента:

P — Пропорциональный

Пропорциональный член реагирует на величину текущей ошибки. Увеличение пропорционального коэффициента усиления, как правило, приводит к тому, что система управления сильнее реагирует на отклонения положения или скорости.

I — Интегральный

Интегральный член накапливает ошибку во времени и используется в основном для уменьшения ошибки в установившемся режиме или остаточного отклонения.

D — Производная

Производная часть реагирует на скорость изменения ошибки и может обеспечивать упреждающее демпфирование во время динамических изменений.

В архитектуре управления HPJM контуры управления расположены в каскадной структуре:

Текущая петля → Петля скорости → Петля положения

Токовый контур является самым внутренним контуром и напрямую управляет током двигателя и электромагнитным моментом. Контур скорости управляет скоростью двигателя, а контур положения — конечной реакцией на изменение положения.

Параметры контура тока калибруются перед поставкой и, как правило, не должны изменяться пользователем.

Для настройки под конкретные задачи основными параметрами являются:

Скоростной контур P → Скоростной контур I → Позиционный контур P → Позиционный контур D

Почему параметры ПИД-регулятора следует корректировать в зависимости от нагрузки?

Гармонический шарнирный привод может быть установлен в различных роботизированных системах со значительно различающимися механическими нагрузками.

Например, один и тот же исполнительный механизм HPJM может демонстрировать различные динамические характеристики при установке в следующих условиях:

• Шарнир роботизированной руки

• Шарнир человекоподобного робота

• Легкий коллаборативный робот

• Вращающийся головной механизм

• Компактный роботизированный манипулятор

Нагрузка влияет на инерцию, трение, ускорение и характеристики механического резонанса всего соединения.

В результате параметры ПИД-регулятора, хорошо работающие при одних условиях нагрузки, могут не обеспечивать такую же точность позиционирования при других.

Именно поэтому настройку ПИД-регулятора следует проводить при фактической или репрезентативной рабочей нагрузке, а не использовать единый набор параметров для каждого приложения.

Как отрегулировать контур позиционирования привода гармонического шарнира HPJM?

Контур позиционирования оказывает непосредственное влияние на то, как шарнир робота реагирует на ошибки позиционирования.

Позиционная петля P Коэффициент усиления

Коэффициент пропорционального усиления по положению определяет, насколько сильно исполнительный механизм реагирует на ошибку позиционирования.

Если коэффициент усиления положения P слишком низок, исполнительный механизм может реагировать медленно или демонстрировать недостаточную жесткость позиционирования.

Если коэффициент усиления положения P слишком высок, исполнительный механизм может непрерывно корректировать небольшие ошибки позиционирования, что приведет к колебаниям или дрожанию позиционирования вокруг цели.

Следовательно, при возникновении дрожания позиционирования одним из параметров, подлежащих исследованию, может быть уменьшение коэффициента усиления позиционирования P.

Оптимальное значение зависит от фактической нагрузки, механической жесткости, характеристик редуктора и требуемой реакции.

Усиление контура позиционирования D

Коэффициент усиления производной положения реагирует на изменения ошибки позиционирования и может влиять на характеристики демпфирования контура позиционирования.

Чрезмерно высокое значение коэффициента усиления D может вызвать колебания или сделать реакцию сустава нестабильной, особенно при наличии шума измерений или механической вибрации.

Поэтому положения P и D следует рассматривать совместно, а не корректировать по отдельности, не наблюдая за результирующим движением.

Как отрегулировать контур регулировки скорости привода гармонического шарнира HPJM?

Контур регулирования скорости образует промежуточный слой между контуром регулирования тока и контуром регулирования положения.

Коэффициент усиления петли скорости P

Коэффициент усиления, пропорциональный скорости, определяет силу реакции на ошибку скорости.

Если коэффициент усиления слишком низок, исполнительный механизм может демонстрировать более медленную реакцию на изменение скорости.

Если коэффициент усиления слишком высок, контур регулирования скорости может стать нестабильным при определенных условиях эксплуатации.

Ускоренная петля I. Усиление

Параметр интеграла скорости накапливает ошибку скорости с течением времени и помогает устранить устойчивые отклонения скорости.

Однако чрезмерное интегральное воздействие может повлиять на поведение исполнительного механизма при стабилизации и увеличить время, необходимое для стабилизации системы.

Поэтому настройку контура регулирования скорости следует производить с учетом фактической механической нагрузки и условий эксплуатации.

Рекомендуемая последовательность настройки ПИД-регулятора для привода гармонического шарнира HPJM

В процессе практической настройки не следует одновременно случайным образом изменять несколько параметров.

Основная процедура такова:

Остановить исполнительный механизм → Изменить параметры ПИД-регулятора → Сохранить параметры → Включить исполнительный механизм → Проверить движение → Повторить при необходимости

Перед изменением параметров исполнительный механизм следует перевести в остановленное или отключенное состояние.

В системе HPJM пользователи могут получить доступ к параметрам ПИД-регулятора через поддерживаемые интерфейсы связи или программное обеспечение Magic.

Типичная последовательность настройки выглядит следующим образом:

1. Подтвердите механическую установку и нагрузку.

Убедитесь, что привод шарнира скольжения установлен правильно и работает при заданных условиях нагрузки.

2. Подтвердите параметры контура управления током.

Текущая петля была откалибрована перед поставкой и, как правило, должна оставаться неизменной.

3. Отрегулируйте контур регулировки скорости.

Настройте параметры P и I контура регулирования скорости в соответствии с реакцией исполнительного механизма под фактической нагрузкой.

4. Отрегулируйте положение петли

Настройте положения P и D, чтобы получить желаемый отклик позиционирования без чрезмерных колебаний.

5. Проверьте работу исполнительного механизма.

Выполните многократные позиционные перемещения и понаблюдайте за перерегулированием, поведением при стабилизации, вибрацией и дрожанием позиционирования.

6. Сохраните параметры.

После достижения стабильной работы сохраните параметры, чтобы сохранить новые настройки.

Такой последовательный подход облегчает определение того, какой параметр отвечает за изменение поведения.

Регулировка параметров ПИД-регулятора через CAN, CANopen и EtherCAT

Исполнительный механизм HPJM с гармоническим шарниром обеспечивает доступ к параметрам ПИД-регулятора через различные интерфейсы связи.

Интерфейс CAN

Через интерфейс CAN пользователи могут считывать и записывать соответствующие параметры ПИД-регулятора скорости и положения.

Этот интерфейс можно использовать для:

• Считывание параметров контура регулирования скорости

• Считывание параметров контура позиционирования

• Запишите параметры контура регулирования скорости.

• Запишите параметры петли позиционирования.

• Сохраните измененные параметры.

Это позволяет главному контроллеру или программному обеспечению для ввода в эксплуатацию настраивать исполнительный механизм в соответствии с требованиями приложения.

Интерфейс CANopen

В системах на основе CANopen доступ к параметрам ПИД-регулятора осуществляется через соответствующие индексы словаря объектов.

Интерфейс HPJM включает объекты для параметров контура регулирования скорости и контура регулирования положения, позволяя главному контроллеру считывать или изменять соответствующие значения.

Интерфейс EtherCAT

В приложениях EtherCAT соответствующие объекты также можно использовать для доступа к параметрам ПИД-регулятора.

Благодаря этому HPJM подходит для систем управления роботами, где исполнительный механизм необходимо интегрировать в централизованную архитектуру управления движением на основе EtherCAT.

Для получения подробной информации об индексах, подиндексах, командах и форматах данных инженерам следует обратиться к документации по протоколу связи HPJM.

Как сохранить параметры ПИД-регулятора после настройки?

Изменение параметра ПИД-регулятора не обязательно означает, что новое значение было сохранено навсегда.

После завершения процесса настройки параметры необходимо сохранить с помощью соответствующей команды сохранения.

В случае HPJM сохранение параметров может быть выполнено через поддерживаемый коммуникационный интерфейс.

Основной алгоритм работы выглядит следующим образом:

Настроить → Проверить → Подтвердить → Сохранить

Это особенно важно на этапе ввода в эксплуатацию, поскольку в противном случае параметр, который, по-видимому, работает во время тестирования, может не сохраниться после перезапуска исполнительного механизма.

Использование программного обеспечения Magic Software для настройки привода гармонического шарнира HPJM.

Для пользователей, предпочитающих графический ввод в эксплуатацию, а не прямую отправку команд CAN или CANopen, HPJM можно настроить с помощью программного обеспечения Magic.

Общая процедура такова:

Шаг 1 — Запустите Magic Software от имени администратора.

Щелкните правой кнопкой мыши по программе Magic и выберите «Запустить от имени администратора».

Шаг 2 — Найдите двигатель

Для обнаружения подключенного исполнительного механизма HPJM выберите пункт «Поиск устройств» в верхнем меню.

Шаг 3 — Выберите протокол связи

Выберите соответствующий протокол связи, например CAN или CANopen, в зависимости от фактической конфигурации системы.

Шаг 4 — Выберите канал связи

Выберите канал 1 или канал 2 в соответствии с аппаратным интерфейсом анализатора.

Шаг 5 — Выберите скорость передачи данных.

Установите скорость передачи данных, соответствующую фактической конфигурации системы.

Шаг 6 — Выберите диапазон идентификаторов

Настройте соответствующий диапазон идентификаторов устройств для подключенного исполнительного механизма.

Шаг 7 — Убедитесь, что привод остановлен.

При необходимости кратковременно включите двигатель для подтверждения связи, затем выключите его и убедитесь, что исполнительный механизм находится в остановленном состоянии, прежде чем изменять параметры ПИД-регулятора.

Шаг 8 — Изменение и тестирование параметров ПИД-регулятора

Отрегулируйте необходимые параметры ПИД-регулятора и включите исполнительный механизм для тестирования.

Проанализируйте реакцию системы позиционирования и при необходимости повторите процесс настройки.

Шаг 9 — Сохраните параметры

После достижения желаемого результата сохраните параметры в программе.

Что следует проверить инженерам перед увеличением коэффициента усиления ПИД-регулятора?

Настройка ПИД-регулятора не должна быть первым решением для каждой проблемы позиционирования.

Перед увеличением коэффициента усиления инженеры должны убедиться в правильности сборки механической системы.

К важным факторам относятся:

Механический монтаж:

Проверьте жесткость крепления, соосность вала, надежность крепления и распределение нагрузки.

Условия загрузки:

Убедитесь, что фактическая нагрузка и инерция находятся в пределах заданного рабочего диапазона привода.

Состояние трансмиссии:

Проверьте наличие аномального трения, механических помех или проблем с трансмиссией.

Обратная связь от кодировщика:

Убедитесь, что обратная связь по положению стабильна и не содержит посторонних шумов.

Коммуникация:

Проверьте правильность работы механизмов передачи команд и обратной связи.

Режим работы:

Убедитесь, что исполнительный механизм тестируется в заданном режиме управления.

Если сама механическая система испытывает чрезмерную вибрацию или нестабильность, простое увеличение коэффициента усиления ПИД-регулятора может усугубить проблему.

Почему конструкция интегрированного гармонического шарнирного привода важна для настройки ПИД-регулятора?

Эффективность управления шарниром робота зависит не только от самого сервомотора.

Интегрированный привод с гармоническим шарниром объединяет множество компонентов, непосредственно влияющих на управляющую реакцию, включая двигатель, гармонический редуктор, энкодер, приводную электронику, подшипники и механический корпус.

Такая интегрированная архитектура позволяет подбирать эти компоненты на этапе разработки, а не выбирать их по отдельности и комбинировать на заключительном этапе системной интеграции.

Для производителей роботов это может упростить ввод в эксплуатацию, поскольку исполнительный механизм уже разработан на основе определенной архитектуры «двигатель-трансмиссия-обратная связь».

Оставшаяся часть регулировки ПИД-регулятора может быть сосредоточена в первую очередь на согласовании исполнительного механизма с конкретной конструкцией робота и нагрузкой.

Это особенно ценно для таких применений, как человекоподобные роботы, роботизированные манипуляторы, коллаборативные роботы и другие многоосевые роботизированные системы, где каждый сустав может испытывать различную инерцию и механические условия.

Гармонический шарнирный привод HPJM: от заводской калибровки до настройки под конкретные условия эксплуатации.

Серия HPJM основана на практическом подходе к управлению суставами роботов.

Перед поставкой калибруется контур управления двигателем, что обеспечивает заранее определенную основу для управления двигателем. Затем пользователи могут регулировать контуры скорости и положения в соответствии с фактическими требованиями своего приложения.

Такой подход позволяет адаптировать одну и ту же платформу привода с гармоническим шарниром к различным механическим нагрузкам и роботизированным приложениям без необходимости перепроектирования всей архитектуры сервоуправления.

Для инженерных групп, разрабатывающих роботизированные суставы, ключевым моментом является не поиск универсального параметра ПИД-регулятора.

Вместо этого цель состоит в том, чтобы найти стабильную комбинацию параметров, которая соответствует следующим условиям:

Исполнительный механизм + Гармоническая передача + Механическая конструкция + Нагрузка + Профиль движения

При правильном подборе этих факторов HPJM может обеспечить стабильное позиционирование и быстрое реагирование на движения, минимизируя при этом ненужные колебания и дрожание.

Заключение

Нестабильность позиционирования в шарнире робота часто является проблемой системного уровня, а не проблемой, вызванной отдельным компонентом.

Для привода гармонического шарнира HPJM контур тока калибруется перед поставкой, в то время как контуры скорости и положения могут быть отрегулированы в соответствии с фактической нагрузкой и условиями эксплуатации.

Практический процесс настройки должен быть сосредоточен на взаимосвязи между параметрами ПИП-регулятора скорости и ПИД-регулятора положения, а также учитывать механическую установку, инерцию нагрузки, характеристики передачи, обратную связь энкодера и характеристики связи.

Независимо от того, интегрирован ли HPJM через программное обеспечение CAN, CANopen, EtherCAT или Magic, рекомендуемый подход заключается в контролируемом изменении параметров, тестировании исполнительного механизма в репрезентативных условиях и сохранении параметров после достижения стабильной работы.

Для инженеров, разрабатывающих человекоподобных роботов, роботизированные манипуляторы, коллаборативных роботов и другие прецизионные роботизированные системы, правильная настройка ПИД-регулятора может помочь приводу гармонического шарнира достичь лучшего баланса между точностью позиционирования, скоростью реакции и стабильностью движения.