HONPINE HPJM Harmonic Joint Motor: Positionsmodus vs. Geschwindigkeitsmodus – Wie wählen Sie den richtigen Regelungsmodus?

Hallo, ich bin Theodore Li, Technischer Direktor bei HONPINE. Bei der Zusammenarbeit mit Kunden werde ich häufig nach dem Unterschied zwischen Positionsmodus und Drehzahlmodus bei harmonischen Gelenkmotoren gefragt.

Obwohl beide Modi in Robotik-Bewegungssystemen weit verbreitet sind, erfüllen sie unterschiedliche Steuerungsanforderungen. Die Wahl des falschen Modus kann die Bewegungsgenauigkeit, die Betriebseffizienz und die Systemsicherheit beeinträchtigen.

In diesem Artikel erläutere ich am Beispiel des HONPINE HPJM-Harmonic-Gelenkmotors, wie Positionsmodus und Drehzahlmodus funktionieren, worin sie sich unterscheiden und für welche Anwendungen sich die jeweiligen Modi besser eignen.

1. Was ist der Positionsmodus bei einem Robotergelenkmotor?

Im Positionsmodus wird der Motor so gesteuert, dass er eine vorgegebene Sollposition anfährt. Typischerweise kommt dabei eine geschlossene Regelungsarchitektur mit drei Regelkreisen zum Einsatz:

Positionsregelkreis → Drehzahlregelkreis → Stromregelkreis

Der übergeordnete Positionsregelkreis verwendet einen PID-Regler, um die Sollposition mit der Istposition zu vergleichen. Die Sollposition wird üblicherweise in Encoder-Zählimpulsen (cnt) angegeben, die einer bestimmten Winkelposition entsprechen.

Der Positionsregler erzeugt einen Drehzahlsollwert für den untergeordneten Drehzahlregelkreis. Der Motorregler steuert anschließend die Beschleunigung und Verzögerung gemäß dem konfigurierten Bewegungsprofil und bewegt das Gelenk in Richtung des Zielwinkels.

Sobald die Sollposition erreicht ist, hält der Regler die vorgegebene Position mithilfe der Regelung mit geschlossenem Regelkreis.

Überwachung des Schleppfehlers: Der Regler überwacht die Abweichung zwischen Sollposition und Istposition. Überschreitet dieser Schleppfehler den konfigurierten Grenzwert, kann der Motor gemäß der Schutzkonfiguration des Antriebs den Fehlercode 0x8611 (Schleppfehler) auslösen und den Betrieb stoppen.

Diese Funktion ist besonders nützlich bei Anwendungen, in denen ein Gelenk einen definierten Winkel erreichen und seine Position halten muss.

2. Was ist der Drehzahlmodus bei einem Robotergelenkmotor?

Im Drehzahlmodus wird die Drehzahl des Motors direkt geregelt. Typischerweise kommt dabei eine geschlossene Regelungsarchitektur mit zwei Regelkreisen zum Einsatz:

Drehzahlregelkreis → Stromregelkreis

Anders als im Positionsmodus wird im Drehzahlmodus kein aktiver Positionsregelkreis verwendet, um einen Zielwinkel vorzugeben. Stattdessen erhält der Regler einen Drehzahlsollwert, der auf der Motorseite in Einheiten von 0.01 Hz angegeben wird.

Der Motor regelt seine Drehzahl entsprechend dem vorgegebenen Befehl und dreht sich weiter, solange er aktiviert ist und einen Drehzahlsollwert ungleich null erhält.

In diesem Modus gilt:

Der Motor regelt die Drehzahl und nicht eine Zielwinkelposition.

Er stoppt nicht automatisch, wenn das Gelenk einen bestimmten Winkel erreicht.

Er korrigiert den Positionsschleppfehler nicht aktiv über einen übergeordneten Positionsregelkreis.

Der mit dem Positionsmodus verbundene Schleppfehlerschutz steht daher nicht in gleicher Weise zur Verfügung.

Wichtig: Der Drehzahlmodus bedeutet nicht, dass der Motor über keinerlei Schutzfunktionen verfügt. Wird die mechanische Last jedoch blockiert, kann der Motor entsprechend den Stromgrenzwerten und Schutzeinstellungen weiterhin Drehmoment erzeugen. Die übergeordnete Steuerung muss eine geeignete Stromüberwachung, Stillstandserkennung und Verfahrwegbegrenzung implementieren.

3. Wann sollten Sie den Positionsmodus verwenden?

Der Positionsmodus ist im Allgemeinen vorzuziehen, wenn ein Robotergelenk einen bestimmten Winkel erreichen, zwischen definierten Positionen verfahren oder eine vorgegebene Haltung halten muss.

Typische Anwendungen sind humanoide Roboter, Rehabilitationsexoskelette, kollaborative Roboterarme, Schwenk-Neige-Systeme und oszillierende Mechanismen.

Gelenke humanoider Roboter: Hüfte, Knie, Knöchel, Schulter und Ellbogen

Anwendungsanforderungen:

Beim Gehen, Hocken, Aufstehen und bei anderen Bewegungen muss jedes Gelenk einen Zielwinkel anfahren und die erforderliche Haltung halten.

Empfohlener Modus: Positionsmodus

Der übergeordnete Bewegungsplaner berechnet den Zielwinkel für jedes Gelenk und wandelt ihn in die entsprechenden Encoder-Zählimpulse (cnt) um. Diese Positionsbefehle werden anschließend an den HPJM-Motor gesendet.

Das interne Regelungssystem des Motors mit drei Regelkreisen steuert die Bewegung zu jeder Zielposition, einschließlich Beschleunigung, Verzögerung und Positionshaltung.

So kann sich die Hauptsteuerung auf die Koordination der Gesamtbewegung des Roboters konzentrieren, anstatt den untergeordneten Positionsregelkreis für jedes Gelenk extern zu implementieren.

Schutzaspekte:

Wenn ein Gelenk mechanisch blockiert wird oder auf übermäßigen Widerstand stößt, kann der Schleppfehler den konfigurierten Grenzwert überschreiten und einen Schleppfehler auslösen. Ist der entsprechende Schutz aktiviert und korrekt konfiguriert, wird der Fehler 0x8611 ausgelöst und der Motor angehalten.

Empfehlungen zur Abstimmung:

Vermeiden Sie bei Bewegungen mit hoher Last, etwa beim Hocken und Aufstehen, eine zu hohe Einstellung der Positionsreglerverstärkung Kp, da dies Schwingungen oder Oszillationen verursachen kann.

Eine praxisgerechte Abstimmungsreihenfolge besteht darin, zunächst die Verstärkungen Kp und Ki des Drehzahlregelkreises zu optimieren und anschließend die Verstärkungen des Positionsregelkreises einzustellen. Die Positionsreglerverstärkung Kd kann danach angepasst werden, sofern der Regler dies unterstützt und die Anwendung es erfordert.

Auch die Beschleunigungseinstellungen sollten zur Trägheit des Gelenks passen. Eine übermäßige Beschleunigung kann den Schleppfehler erhöhen und einen Fehler auslösen, insbesondere wenn das Gelenk eine große Trägheitslast trägt.

Gelenke von Rehabilitationsexoskeletten: Gehhilfe und Rehabilitationstraining

Anwendungsanforderungen:

Das Exoskelett muss das Gliedmaß des Nutzers zu einem vorgegebenen Gelenkwinkel führen, eine Zielhaltung halten und bei ungewöhnlichem Widerstand sicher reagieren.

Empfohlener Modus: Positionsmodus

Die Steuerung legt den Zielgelenkwinkel entsprechend dem Rehabilitationsprogramm fest. Der Motor bewegt das Gelenk anschließend in Richtung der vorgegebenen Position.

Sicherheitsaspekte:

Wenn der Nutzer der Bewegung entgegenwirkt oder die externe Last zu groß wird, kann der Positionsschleppfehler den konfigurierten Grenzwert überschreiten und einen Fehler auslösen.

Der Schleppfehlerschutz allein reicht jedoch nicht aus, um die Sicherheit bei der Interaktion mit Menschen zu gewährleisten. Rehabilitationsexoskelette sollten außerdem über geeignete Drehmoment- oder Kraftbegrenzungen, mechanische Verfahrwegbegrenzungen, Not-Aus-Schalter und unabhängige Sicherheitsmechanismen verfügen.

Kollaborative Roboter und kleine Roboterarme

Anwendungsanforderungen:

Der Roboter muss zwischen definierten Positionen verfahren, Pick-and-Place-Aufgaben ausführen und eine vorgegebene Gelenkhaltung beibehalten.

Empfohlener Modus: Positionsmodus

Die übergeordnete Steuerung sendet Sollpositionen an den Gelenkmotor. Mehrere Sollpositionen können konfiguriert werden, um einfache Punkt-zu-Punkt-Bewegungen zu erzeugen.

Bei der grundlegenden Inbetriebnahme des Motors kann beispielsweise ein Vorwärts- und Rückwärtspositionierungstest durchgeführt werden, indem wiederholt unterschiedliche Sollpositionen vorgegeben werden.

Der Positionsmodus eignet sich für Anwendungen, die eine wiederholgenaue Gelenkpositionierung und definierte Bewegungsendpunkte erfordern.

Schwenk-Neige-Systeme und oszillierende Aktoren

Anwendungsanforderungen:

Der Mechanismus muss sich bis zu einem vorgegebenen Winkel drehen, anhalten und in dieser Position bleiben, bevor er sich erneut bewegt.

Empfohlener Modus: Positionsmodus

Die Steuerung sendet einen Sollwert in Encoder-Zählimpulsen (cnt). Der Motor fährt die entsprechende Winkelposition an und hält sie anschließend mithilfe der Regelung mit geschlossenem Regelkreis.

Einschränkungen des Positionsmodus:

Für Anwendungen, die eine kontinuierliche, unbegrenzte Drehung mit vorgegebener Drehzahl erfordern, ist der Positionsmodus im Allgemeinen nicht die bevorzugte Wahl.

Bei Motoren mit hohen Untersetzungsverhältnissen müssen Ingenieure außerdem auf die Umrechnung zwischen Encoder-Zählimpulsen und dem tatsächlichen Abtriebswinkel achten. Bei Konfigurationen mit zwei Encodern müssen die Encoderwerte auf der Motor- und Abtriebsseite unterschieden und die jeweils anzuwendende Ein- oder Mehrumdrehungszählung bestätigt werden.

4. Wann sollten Sie den Drehzahlmodus verwenden?

Der Drehzahlmodus ist im Allgemeinen vorzuziehen, wenn sich ein Mechanismus kontinuierlich mit einer vorgegebenen Drehzahl drehen muss oder die übergeordnete Steuerung für die Positions- und Bahnsteuerung zuständig ist.

Bei dieser Konfiguration regelt der Motor seine Drehzahl, während die Hauptsteuerung externe Rückmeldungen verarbeitet und den erforderlichen Drehzahlsollwert bestimmt.

Wichtiger Sicherheitshinweis: Der Drehzahlmodus bietet nicht dieselbe Überwachung des Positionsschleppfehlers wie der Positionsmodus. Wird das mechanische System blockiert, kann der Motor innerhalb der konfigurierten Grenzwerte weiterhin Drehmoment erzeugen. Daher muss das übergeordnete Steuerungssystem geeignete Verfahrwegbegrenzungen, eine Stillstandserkennung und eine Überwachung von Stromgrenzwerten implementieren.

Antriebsräder mobiler Roboter

Anwendungsanforderungen:

Ein Robotergelenkmotor kann auch als Antriebsmotor für das Rad eines mobilen Roboters verwendet werden. Das Rad muss sich mit einer vorgegebenen Drehzahl drehen, damit sich der Roboter vorwärts, rückwärts oder entlang einer Kurve bewegt.

Empfohlener Modus: Drehzahlmodus

Die Hauptsteuerung sendet einen Drehzahlsollwert an den Motor. Der Befehl wird auf der Motorseite in Einheiten von 0.01 Hz angegeben.

Der Motor hält die vorgegebene Drehzahl, während die übergeordnete Steuerung die Positions- und Bewegungssteuerung des Roboters übernimmt.

Beispielsweise kann die Hauptsteuerung Rückmeldungen einer IMU sowie der Radencoder oder der Odometrie verwenden, um die erforderlichen Raddrehzahlen zu berechnen und die Bewegung des Roboters zu schätzen.

Schutzaspekte:

Wird ein Rad durch ein Hindernis blockiert, löst der Drehzahlmodus nicht automatisch einen Positionsschleppfehler aus. Der Motor kann entsprechend seinen Stromgrenzwerten weiterhin Drehmoment erzeugen.

Die übergeordnete Steuerung sollte daher den Motorstrom und andere relevante Rückmeldesignale überwachen. Überschreitet der Strom einen definierten Grenzwert oder wird ein Stillstand erkannt, sollte das System die Motorleistung entsprechend seiner Sicherheitsstrategie reduzieren oder abschalten.

Dauerhaltbarkeitstests und Prüfstände für kontinuierliche Drehung

Anwendungsanforderungen:

Bei Ermüdungsprüfungen, Dauerlaufprüfungen oder Langzeit-Leistungsbewertungen muss sich der Gelenkmotor kontinuierlich mit konstanter Drehzahl drehen.

Empfohlener Modus: Drehzahlmodus

Legen Sie eine feste Solldrehzahl fest und lassen Sie den Motor für die erforderliche Prüfdauer kontinuierlich laufen.

Der Drehzahlmodus eignet sich für diese Anwendungen, da in erster Linie eine stabile Drehzahl und nicht das Anfahren einer bestimmten Zielposition erforderlich ist.

Prüfsysteme sollten außerdem mit einer geeigneten Temperaturüberwachung, einem Überlastschutz und Not-Aus-Funktionen ausgestattet sein.

5. Eignet sich der Drehzahlmodus für Kraft- und Impedanzregelung?

Nicht unbedingt.

Der HONPINE HPJM-Motor unterstützt neben Positions- und Drehzahlregelung auch den Strommodus. Für Anwendungen mit Kraft-, Drehmoment- oder Impedanzregelung ist der Strommodus im Allgemeinen eine geeignetere Ausgangsbasis als der Drehzahlmodus.

Im Strommodus regelt die Steuerung den Motorstrom direkt. Da das Motordrehmoment vom Motorstrom abhängt, bildet dies eine Grundlage für die Entwicklung drehmomentbezogener Regelungsstrategien.

Für Impedanzregelung und anspruchsvollere Kraftregelungsanwendungen benötigen Ingenieure möglicherweise zusätzliche Rückmeldesignale, etwa eine Drehmomenterfassung auf der Abtriebsseite, sowie einen externen Regelungsalgorithmus.

Der Drehzahlmodus kann weiterhin Bestandteil bestimmter Regelungsarchitekturen sein, sollte jedoch nicht als direkter Ersatz für eine strombasierte Drehmomentregelung betrachtet werden.

6. Positionsmodus und Drehzahlmodus: die wichtigsten Unterschiede

7. Fazit: Wählen Sie den Regelungsmodus entsprechend Ihrer Anwendung

Positionsmodus und Drehzahlmodus sind auf unterschiedliche Anforderungen an die Bewegungssteuerung ausgelegt. Keiner der beiden Modi ist grundsätzlich besser als der andere.

Muss ein Robotergelenk einen bestimmten Winkel erreichen, Punkt-zu-Punkt-Bewegungen ausführen oder eine definierte Haltung halten, ist der Positionsmodus im Allgemeinen die bessere Wahl.

Muss sich ein Motor kontinuierlich mit einer vorgegebenen Drehzahl drehen, während die übergeordnete Steuerung Position und Bewegung des Roboters steuert, ist der Drehzahlmodus in der Regel besser geeignet.

Für Anwendungen mit Kraft- und Impedanzregelung kann der Strommodus eine geeignetere Grundlage bieten.

Bei der Auswahl eines Regelungsmodus für den HONPINE HPJM-Harmonic-Gelenkmotor sollten Ingenieure Bewegungsziel, mechanische Last, Regelungsarchitektur, Rückmeldekonfiguration und Sicherheitsanforderungen gemeinsam berücksichtigen.

Kontaktieren Sie HONPINE, um mehr über HPJM-Harmonic-Gelenkmotoren, Regelungsmodi, technische Spezifikationen und Integrationslösungen für Robotikanwendungen zu erfahren.