HONPINE HPJM harmonisk ledmotor: positionsläge kontra hastighetsläge – hur väljer man rätt styrningsläge?

Hej, jag heter Theodore Li och är teknisk chef på HONPINE. När jag arbetar med kunder får jag ofta frågor om skillnaden mellan positionsläge och hastighetsläge i harmoniska ledmotorer.

Även om båda lägena används i stor utsträckning i robotars rörelsesystem är de avsedda för olika styrbehov. Om man väljer fel läge kan det påverka rörelsenoggrannheten, driftseffektiviteten och systemets säkerhet.

I den här artikeln använder jag HONPINE HPJM harmoniska ledmotor som exempel för att förklara hur positionsläge och hastighetsläge fungerar, hur de skiljer sig åt och vilka tillämpningar som passar bäst för respektive läge.

1. Vad är positionsläge i en robotledmotor?

I positionsläge styrs motorn så att den flyttas till en angiven målposition. Vanligtvis används en sluten reglerstruktur med tre slingor:

Positionsslinga → Hastighetsslinga → Strömslinga

Den yttre positionsslingan använder en PID-regulator för att jämföra målpositionen med den faktiska positionen. Målpositionen anges vanligtvis i pulser från pulsgivaren (cnt), vilka motsvarar en viss vinkelposition.

Positionsregulatorn genererar ett hastighetskommando till den inre hastighetsslingan. Motorregulatorn hanterar sedan acceleration och retardation enligt den konfigurerade rörelseprofilen och driver leden mot målvinkeln.

När målpositionen har nåtts håller regulatorn den kommenderade positionen med hjälp av sluten reglering.

Övervakning av följfel: Regulatorn övervakar skillnaden mellan målpositionen och den faktiska positionen. Om följfelet överskrider den konfigurerade gränsen kan motorn utlösa felkod 0x8611 (följfel) och stoppa driften, beroende på drivenhetens skyddskonfiguration.

Den här funktionen är särskilt användbar i tillämpningar där en led måste nå en bestämd vinkel och hålla sin position.

2. Vad är hastighetsläge i en robotledmotor?

I hastighetsläge styrs motorns rotationshastighet direkt. Vanligtvis används en sluten reglerstruktur med två slingor:

Hastighetsslinga → Strömslinga

Till skillnad från i positionsläge används ingen aktiv positionsslinga för att ange en målvinkel. I stället får regulatorn en målrotationshastighet, angiven i enheter om 0.01 Hz på motorsidan.

Motorn reglerar hastigheten enligt det angivna kommandot och fortsätter att rotera så länge den är aktiverad och får ett hastighetskommando som inte är noll.

I det här läget:

Reglerar motorn rotationshastigheten i stället för en målposition i vinkel.

Den stannar inte automatiskt när leden når en viss vinkel.

Den korrigerar inte aktivt positionsföljfelet med en yttre positionsslinga.

Skydd mot följfel som är kopplat till positionsläge är därför inte tillgängligt på samma sätt.

Viktigt: Hastighetsläge innebär inte att motorn saknar skydd. Om den mekaniska lasten blockeras kan motorn dock fortsätta att generera vridmoment enligt strömgränserna och skyddsinställningarna. Det överordnade styrsystemet måste implementera lämplig strömövervakning, detektering av motorstopp och skydd mot överskridna rörelsegränser.

3. När bör du använda positionsläge?

Positionsläge är i allmänhet att föredra när en robotled behöver nå en angiven vinkel, röra sig mellan definierade positioner eller hålla en viss position.

Vanliga tillämpningar är humanoida robotar, rehabiliteringsexoskelett, kollaborativa robotarmar, panorerings- och tiltsystem samt oscillerande mekanismer.

Humanoida robotleder: höft, knä, fotled, axel och armbåge

Krav på tillämpningen:

Vid gång, knäböjning, uppresning och andra rörelser måste varje led röra sig till en målposition i vinkel och hålla den önskade kroppsställningen.

Rekommenderat läge: positionsläge

Den överordnade rörelseplaneraren beräknar målvinkeln för varje led och omvandlar den till motsvarande antal pulser från pulsgivaren (cnt). Positionskommandona skickas sedan till HPJM-motorn.

Motorns interna reglering med tre slingor hanterar rörelsen mot varje målposition, inklusive acceleration, retardation och positionshållning.

Detta gör att huvudregulatorn kan fokusera på att samordna robotens övergripande rörelser i stället för att själv implementera den externa låg nivå-regleringen av varje ledposition.

Skyddsaspekter:

Om en led blockeras mekaniskt eller utsätts för alltför stort motstånd kan följfelet överskrida den konfigurerade gränsen och utlösa ett följfelslarm med felkod 0x8611, vilket stoppar motorn, förutsatt att det aktuella skyddet är aktiverat och korrekt konfigurerat.

Rekommendationer för inställning:

Vid rörelser med hög belastning, till exempel knäböjning och uppresning, bör positionsslingans Kp-förstärkning inte ställas in alltför högt, eftersom det kan orsaka vibrationer eller svängningar.

En praktisk inställningsordning är att först optimera hastighetsslingans Kp- och Ki-förstärkningar och därefter positionsslingans förstärkningar. Positionsslingans Kd kan sedan justeras om regulatorn stöder det och tillämpningen kräver det.

Accelerationsinställningarna bör också anpassas till ledens tröghet. För hög acceleration kan öka följfelet och utlösa ett larm, särskilt när leden bär en stor tröghetslast.

Rehabiliteringsexoskelettets leder: gångassistans och rehabiliteringsträning

Krav på tillämpningen:

Exoskelettet behöver styra användarens lem till en angiven ledvinkel, hålla en viss position och reagera säkert när onormalt motstånd uppstår.

Rekommenderat läge: positionsläge

Regulatorn ställer in ledens målvinkel enligt rehabiliteringsprogrammet. Motorn driver sedan leden mot den angivna positionen.

Säkerhetsaspekter:

Om användaren gör motstånd mot rörelsen eller den externa lasten blir för stor kan positionsföljfelet överskrida den konfigurerade gränsen och utlösa ett larm.

Skydd mot följfel är dock inte ensamt tillräckligt för säkerhet vid interaktion med människor. Rehabiliteringsexoskelett bör även ha lämpliga gränser för vridmoment eller kraft, mekaniska rörelsegränser, nödstopp och oberoende säkerhetsmekanismer.

Kollaborativa robotar och små robotarmar

Krav på tillämpningen:

Roboten behöver röra sig mellan definierade positioner, utföra plock- och placeringsoperationer samt hålla en angiven ledposition.

Rekommenderat läge: positionsläge

Den överordnade regulatorn skickar målpositioner till ledmotorn. Flera målpositioner kan konfigureras för att skapa enkla rörelser från punkt till punkt.

Vid grundläggande driftsättning av motorn kan man till exempel utföra ett fram- och återgående positioneringstest genom att upprepade gånger ange olika målpositioner.

Positionsläge passar för tillämpningar som kräver repeterbar positionering av leder och definierade rörelseslutpunkter.

Panorerings- och tiltsystem samt oscillerande ställdon

Krav på tillämpningen:

Mekanismen behöver rotera till en angiven vinkel, stanna och hålla positionen innan den rör sig igen.

Rekommenderat läge: positionsläge

Regulatorn skickar ett målvärde för pulsgivaren (cnt), och motorn rör sig till motsvarande vinkelposition och håller den sedan med sluten reglering.

Begränsningar med positionsläge:

Positionsläge är i allmänhet inte det bästa valet för tillämpningar som kräver kontinuerlig, obegränsad rotation med en angiven hastighet.

För motorer med höga utväxlingar måste ingenjörer också vara uppmärksamma på omvandlingen mellan pulsgivarens pulser och den faktiska utgångsvinkeln. Vid konfigurationer med dubbla pulsgivare måste man skilja mellan avläsningarna från pulsgivaren på motorsidan och den på utgångssidan samt bekräfta vilken metod för enkelvarvs- eller flervarvsräkning som gäller.

4. När bör du använda hastighetsläge?

Hastighetsläge är i allmänhet att föredra när en mekanism behöver rotera kontinuerligt med en angiven hastighet eller när den överordnade regulatorn ansvarar för positions- och banstyrningen.

I den här konfigurationen reglerar motorn sin rotationshastighet, medan huvudregulatorn bearbetar extern återkoppling och fastställer det nödvändiga hastighetskommandot.

Viktig säkerhetsaspekt: Hastighetsläge ger inte samma övervakning av positionsföljfel som positionsläge. Om det mekaniska systemet blockeras kan motorn fortsätta att generera vridmoment inom de konfigurerade gränserna. Därför måste det överordnade styrsystemet implementera lämpliga rörelsegränser, detektering av motorstopp och övervakning av strömgränser.

Drivhjul för mobila robotar

Krav på tillämpningen:

En robotledmotor kan också användas som drivmotor för ett hjul på en mobil robot. Hjulet behöver rotera med en angiven hastighet för att köra roboten framåt, bakåt eller genom en sväng.

Rekommenderat läge: hastighetsläge

Huvudregulatorn skickar en målrotationshastighet till motorn. Kommandot anges i enheter om 0.01 Hz på motorsidan.

Motorn ansvarar för att hålla den kommenderade hastigheten, medan den överordnade regulatorn hanterar robotens positions- och rörelsestyrning.

Huvudregulatorn kan till exempel använda återkoppling från en IMU och hjulens pulsgivare eller odometri för att beräkna de nödvändiga hjulhastigheterna och uppskatta robotens rörelse.

Skyddsaspekter:

Om ett hjul blockeras av ett hinder utlöser hastighetsläget inte automatiskt ett positionsföljfelslarm. Motorn kan fortsätta att generera vridmoment enligt sina strömgränser.

Den överordnade regulatorn bör därför övervaka motorströmmen och andra relevanta återkopplingssignaler. Om strömmen överskrider en fastställd gräns eller ett motorstopp upptäcks bör systemet minska eller stoppa motoreffekten enligt sin säkerhetsstrategi.

Hållbarhetstester och testanordningar för kontinuerlig rotation

Krav på tillämpningen:

Ledmotorn behöver rotera kontinuerligt med konstant hastighet vid utmattningsprovning, uthållighetsprovning eller långvarig prestandautvärdering.

Rekommenderat läge: hastighetsläge

Ställ in en fast målhastighet och låt motorn gå kontinuerligt under den tid som krävs för provningen.

Hastighetsläge passar för dessa tillämpningar eftersom huvudkravet är en stabil rotationshastighet, inte rörelse till en viss målposition.

Testsystem bör också ha lämplig temperaturövervakning, överbelastningsskydd och nödstopp.

5. Passar hastighetsläge för kraftreglering och impedansreglering?

Inte nödvändigtvis.

HONPINE HPJM-motorn stöder strömläge samt positions- och hastighetsreglering. För tillämpningar med kraftreglering, vridmomentsreglering eller impedansreglering är strömläge i allmänhet en lämpligare utgångspunkt än hastighetsläge.

I strömläge reglerar regulatorn motorströmmen direkt. Eftersom motorvridmomentet är kopplat till motorströmmen ger detta en grund för att utveckla reglerstrategier relaterade till vridmoment.

För impedansreglering och mer avancerade tillämpningar av kraftreglering kan ingenjörer behöva ytterligare återkopplingssignaler, exempelvis vridmomentmätning på utgångssidan, tillsammans med en extern regleralgoritm.

Hastighetsläge kan fortfarande användas som en del av vissa reglerarkitekturer, men det bör inte betraktas som en direkt ersättning för vridmomentsreglering baserad på ström.

6. Positionsläge jämfört med hastighetsläge: viktiga skillnader

7. Slutsats: välj reglerläge efter tillämpningen

Positionsläge och hastighetsläge är utformade för olika behov inom rörelsestyrning. Inget av dem är alltid bättre än det andra.

Om en robotled behöver nå en viss vinkel, utföra rörelser från punkt till punkt eller hålla en bestämd position är positionsläge i allmänhet det bättre valet.

Om en motor behöver rotera kontinuerligt med en angiven hastighet medan den överordnade regulatorn styr robotens position och rörelse är hastighetsläge vanligtvis lämpligare.

För tillämpningar med kraftreglering och impedansreglering kan strömläge vara en lämpligare grund.

När ingenjörer väljer reglerläge för HONPINE HPJM harmoniska ledmotor bör de ta hänsyn till rörelsemålet, den mekaniska lasten, reglerarkitekturen, återkopplingskonfigurationen och säkerhetskraven som helhet.

Kontakta HONPINE för att få veta mer om HPJM harmoniska ledmotorer, reglerlägen, tekniska specifikationer och integreringslösningar för robotik.