PID-Abstimmung des HPJM-Harmonic-Joint-Aktuators: So reduzieren Sie Positionszittern

Positionsjitter kann auftreten, wenn ein Robotergelenk wiederholt um die Sollposition oszilliert oder nach Erreichen der Zielposition nicht stabil einrastet. Bei einem hochpräzisen Harmonic-Joint-Aktor hängt dieses Verhalten häufig mit dem Zusammenspiel von PID-Parametern, Lastbedingungen, Übertragungscharakteristika und der mechanischen Struktur zusammen.

Der HPJM Harmonic Joint Actuator verfügt über eine konfigurierbare PID-Schnittstelle, mit der Anwender die Drehzahl- und Positionsregelungsparameter an unterschiedliche Lasten und Betriebsbedingungen anpassen können. Der Stromregelkreis wird vor Auslieferung kalibriert, während die Drehzahl- und Positionsregelkreise bei Bedarf vom Anwender feinjustiert werden können.

Dieser Artikel erläutert die PID-Regelungsstruktur des HPJM-Harmonischengelenkaktuators, die Rolle der wichtigsten PID-Parameter und ein praktisches Verfahren zur Reduzierung von Positionsjitter über CAN, CANopen, EtherCAT oder die Magic-Software.

Warum tritt Positionierungsjitter in einem Robotergelenkaktuator auf?

Ein Robotergelenk funktioniert nicht als einzelner Motor. Das vollständige Bewegungssystem umfasst den Motor, das Harmonic-Transfer-Getriebe, den Encoder, die Lager, das mechanische Gehäuse, die Last und das Servosteuerungssystem.

Sobald die Sollposition erreicht ist, vergleicht die Steuerung kontinuierlich die Sollposition mit der Istposition. Ist die Regelungsreaktion für die mechanischen Eigenschaften des Gelenks zu aggressiv, kann der Aktor die Position wiederholt in entgegengesetzte Richtungen korrigieren.

Dies kann folgendermaßen aussehen:

• Kleine Schwankungen um die Zielposition

• Wiederholte Vorwärts- und Rückwärtskorrekturen

• Hörbare oder sichtbare Vibration

• Längere Absetzzeit

• Instabile Bewegung unter bestimmten Lasten

Daher sollte ein Positionsjitter nicht automatisch dem Harmonic-Reducer oder dem Encoder zugeschrieben werden. In vielen Fällen müssen die PID-Parameter an die tatsächliche Last und die mechanischen Bedingungen des Robotergelenks angepasst werden.

Wie funktioniert die PID-Regelung im HPJM Harmonic Joint Actuator?

Die PID-Regelung bestimmt den Regelausgang anhand der Abweichung zwischen Sollwert und tatsächlicher Systemreaktion.

Die drei grundlegenden Komponenten sind:

P — Proportional

Der Proportionalanteil reagiert auf die Größe des aktuellen Fehlers. Eine Erhöhung der Proportionalverstärkung führt im Allgemeinen dazu, dass das Regelsystem stärker auf Positions- oder Geschwindigkeitsabweichungen reagiert.

I — Integral

Der Integralterm akkumuliert den Fehler über die Zeit und wird hauptsächlich verwendet, um den stationären Fehler oder die Restabweichung zu reduzieren.

D — Ableitung

Der Ableitungsterm reagiert auf die Änderungsrate des Fehlers und kann bei dynamischen Änderungen eine vorausschauende Dämpfung gewährleisten.

In der HPJM-Regelungsarchitektur sind die Regelkreise kaskadiert angeordnet:

Stromregelkreis → Geschwindigkeitsregelkreis → Positionsregelkreis

Der Stromregelkreis ist der innerste Regelkreis und steuert direkt den Motorstrom und das elektromagnetische Drehmoment. Der Drehzahlregelkreis regelt die Motordrehzahl, während der Positionsregelkreis die Endposition steuert.

Die Stromschleifenparameter werden vor der Auslieferung kalibriert und sollten vom Benutzer grundsätzlich nicht verändert werden.

Für die anwendungsspezifische Optimierung sind die wichtigsten anzupassenden Parameter:

Geschwindigkeitsregelkreis P → Geschwindigkeitsregelkreis I → Positionsregelkreis P → Positionsregelkreis D

Warum sollten die PID-Parameter lastabhängig angepasst werden?

Ein Harmonic-Joint-Aktor kann in verschiedenen Roboteranwendungen mit deutlich unterschiedlichen mechanischen Belastungen eingesetzt werden.

Beispielsweise kann derselbe HPJM-Aktor unterschiedliche dynamische Eigenschaften aufweisen, wenn er in folgenden Systemen installiert ist:

• Ein Roboterarmgelenk

• Ein humanoider Robotergelenk

• Ein leichter kollaborativer Roboter

• Ein Drehkopfmechanismus

• Ein kompakter Robotermanipulator

Die Belastung beeinflusst die Trägheit, die Reibung, das Beschleunigungsverhalten und die mechanischen Resonanzeigenschaften des gesamten Gelenks.

Daher kann es vorkommen, dass PID-Parameter, die unter einer Lastbedingung gut funktionieren, unter einer anderen Lastbedingung nicht die gleiche Positionierungsleistung erbringen.

Aus diesem Grund sollte die PID-Reglerabstimmung unter der tatsächlichen oder repräsentativen Betriebslast erfolgen, anstatt für jede Anwendung einen einzigen Parametersatz zu verwenden.

Wie wird der Positionsregler des HPJM-Harmonischengelenkantriebs eingestellt?

Der Positionsregelkreis hat einen direkten Einfluss darauf, wie das Robotergelenk auf Positionsfehler reagiert.

Positionsschleife P-Verstärkung

Die positionsproportionale Verstärkung bestimmt, wie stark der Aktor auf Positionsfehler reagiert.

Ist die Positionsverstärkung P zu gering, reagiert der Aktor möglicherweise langsam oder weist eine unzureichende Positioniersteifigkeit auf.

Ist die Positionsverstärkung P zu hoch, kann der Aktor kleine Positionsfehler kontinuierlich korrigieren und so Schwingungen oder Positionsjitter um das Ziel herum erzeugen.

Wenn also Positionsjitter auftritt, kann die Reduzierung der Positionsverstärkung P einer der zu untersuchenden Parameter sein.

Der geeignete Wert hängt von der tatsächlichen Last, der mechanischen Steifigkeit, den Eigenschaften des Getriebes und dem gewünschten Ansprechverhalten ab.

Positionsschleife D Verstärkung

Die Positionsableitungsverstärkung reagiert auf Änderungen des Positionsfehlers und kann die Dämpfungseigenschaften des Positionsregelkreises beeinflussen.

Ein übermäßig hoher D-Verstärkungswert kann zu Schwingungen führen oder die gemeinsame Reaktion instabil machen, insbesondere wenn Messrauschen oder mechanische Vibrationen vorhanden sind.

Die Positionen P und D sollten daher gemeinsam betrachtet und nicht unabhängig voneinander eingestellt werden, ohne die resultierende Bewegung zu beobachten.

Wie wird der Drehzahlregler des HPJM-Harmonischen-Gelenk-Aktuators eingestellt?

Die Geschwindigkeitsregelung bildet die Zwischenschicht zwischen der Stromregelung und der Positionsregelung.

Geschwindigkeitsregelkreis P-Verstärkung

Die geschwindigkeitsproportionale Verstärkung bestimmt die Stärke der Reaktion auf Geschwindigkeitsfehler.

Ist die Verstärkung zu gering, kann der Aktor ein langsameres Ansprechverhalten aufweisen.

Ist die Verstärkung zu hoch, kann der Drehzahlregler unter bestimmten Betriebsbedingungen instabil werden.

Geschwindigkeitsregelkreis I Verstärkung

Der Geschwindigkeitsintegralparameter akkumuliert den Geschwindigkeitsfehler über die Zeit und hilft, anhaltende Geschwindigkeitsabweichungen zu beseitigen.

Eine übermäßige Integralwirkung kann jedoch das Einschwingverhalten des Aktuators beeinträchtigen und die Zeit verlängern, die für die Stabilisierung des Systems benötigt wird.

Der Drehzahlregler sollte daher unter Berücksichtigung der tatsächlichen mechanischen Belastung und der Betriebsbedingungen abgestimmt werden.

Empfohlene PID-Einstellsequenz für den HPJM Harmonic Joint Actuator

Ein praktischer Abstimmungsprozess sollte nicht mehrere Parameter gleichzeitig und willkürlich verändern.

Das grundlegende Vorgehen ist:

Aktor anhalten → PID-Parameter anpassen → Parameter speichern → Aktor aktivieren → Bewegung testen → Bei Bedarf wiederholen

Vor der Änderung der Parameter sollte der Aktor in den gestoppten oder deaktivierten Zustand versetzt werden.

Bei HPJM können Benutzer über die unterstützten Kommunikationsschnittstellen oder die Magic-Software auf die PID-Parameter zugreifen.

Eine typische Abstimmungssequenz ist:

1. Mechanische Installation und Belastung prüfen.

Stellen Sie sicher, dass der Harmonic-Joint-Aktor ordnungsgemäß installiert ist und unter der vorgesehenen Lastbedingung funktioniert.

2. Überprüfen Sie die Stromschleifenparameter.

Der Stromkreis wurde vor der Auslieferung kalibriert und sollte im Allgemeinen unverändert bleiben.

3. Geschwindigkeitsregelung anpassen

Passen Sie die P- und I-Parameter des Drehzahlregelkreises entsprechend dem Verhalten des Aktuators unter der tatsächlichen Last an.

4. Positionsschleife anpassen

Stellen Sie die Positionen P und D so ein, dass das gewünschte Positionierungsverhalten ohne übermäßige Schwingungen erreicht wird.

5. Testen Sie den Aktor.

Führen Sie wiederholte Positionierungsbewegungen durch und beobachten Sie Überschwingen, Einschwingverhalten, Vibrationen und Positionierungsjitter.

6. Parameter speichern

Nach Erreichen eines stabilen Betriebs sollten die Parameter gespeichert werden, um die neuen Einstellungen beizubehalten.

Dieser sequentielle Ansatz erleichtert es, den Parameter zu identifizieren, der für eine Verhaltensänderung verantwortlich ist.

PID-Parameteranpassung über CAN, CANopen und EtherCAT

Der HPJM Harmonic Joint Stellantrieb ermöglicht den Zugriff auf PID-Parameter über verschiedene Kommunikationsschnittstellen.

CAN-Schnittstelle

Über die CAN-Schnittstelle können Benutzer relevante PID-Parameter für den Drehzahl- und Positionsregler lesen und schreiben.

Die Schnittstelle kann verwendet werden, um:

• Geschwindigkeitsregelschleifenparameter lesen

• Positionsschleifenparameter lesen

• Schreibe Geschwindigkeitsschleifenparameter

• Positions-Schleifenparameter schreiben

• Speichern Sie die geänderten Parameter

Dies ermöglicht es der Host-Steuerung oder der Inbetriebnahmesoftware, den Aktor entsprechend den Anwendungsanforderungen anzupassen.

CANopen-Schnittstelle

Bei CANopen-basierten Systemen können die PID-Parameter über die entsprechenden Objektwörterbuchindizes aufgerufen werden.

Die HPJM-Schnittstelle umfasst Objekte für Drehzahl- und Positionsregelparameter, die es dem Host-Controller ermöglichen, die entsprechenden Werte zu lesen oder zu ändern.

EtherCAT-Schnittstelle

Bei EtherCAT-Anwendungen können die entsprechenden Objekte ebenfalls verwendet werden, um auf die PID-Parameter zuzugreifen.

Dadurch eignet sich der HPJM für Robotersteuerungssysteme, bei denen der Aktor in eine zentrale EtherCAT-basierte Bewegungssteuerungsarchitektur integriert werden muss.

Detaillierte Informationen zu Index, Unterindex, Befehlen und Datenformaten finden Ingenieure in der Dokumentation des HPJM-Kommunikationsprotokolls.

Wie speichert man die PID-Parameter nach der Anpassung?

Die Änderung eines PID-Parameters bedeutet nicht zwangsläufig, dass der neue Wert dauerhaft gespeichert wurde.

Nach Abschluss des Abstimmungsprozesses müssen die Parameter mit dem entsprechenden Speicherbefehl gespeichert werden.

Bei HPJM kann die Parameterspeicherung über die unterstützte Kommunikationsschnittstelle durchgeführt werden.

Der grundlegende Arbeitsablauf ist:

Anpassen → Testen → Bestätigen → Speichern

Dies ist insbesondere während der Inbetriebnahme wichtig, da andernfalls ein Parameter, der während der Tests zu funktionieren scheint, nach dem Neustart des Aktuators möglicherweise nicht beibehalten wird.

Verwendung von Magic Software zur Abstimmung des HPJM Harmonic Joint Actuators

Für Anwender, die eine grafische Inbetriebnahme bevorzugen, anstatt CAN- oder CANopen-Befehle direkt zu senden, kann der HPJM über die Magic-Software angepasst werden.

Das allgemeine Vorgehen ist:

Schritt 1 – Magic-Software als Administrator ausführen

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Magic-Software und wählen Sie „Als Administrator ausführen“.

Schritt 2 – Suche nach dem Motor

Wählen Sie im oberen Menü die Option „Gerätesuche“, um den angeschlossenen HPJM-Aktor zu erkennen.

Schritt 3 – Kommunikationsprotokoll auswählen

Wählen Sie das geeignete Kommunikationsprotokoll, z. B. CAN oder CANopen, entsprechend der tatsächlichen Systemkonfiguration.

Schritt 4 – Kommunikationskanal auswählen

Wählen Sie Kanal 1 oder Kanal 2 entsprechend der Hardware-Schnittstelle des Analysators.

Schritt 5 – Baudrate auswählen

Stellen Sie die Kommunikationsbaudrate entsprechend der tatsächlichen Systemkonfiguration ein.

Schritt 6 – ID-Bereich auswählen

Konfigurieren Sie den geeigneten Geräte-ID-Bereich für den angeschlossenen Aktor.

Schritt 7 – Sicherstellen, dass der Aktor angehalten ist

Schalten Sie den Motor bei Bedarf kurz zur Bestätigung der Kommunikation ein, schalten Sie ihn dann wieder ab und stellen Sie sicher, dass sich der Aktor im Stillstand befindet, bevor Sie die PID-Parameter ändern.

Schritt 8 – PID-Parameter modifizieren und testen

Stellen Sie die erforderlichen PID-Parameter ein und aktivieren Sie den Aktor für die Testphase.

Beobachten Sie das Verhalten bei der Positionierung und wiederholen Sie den Abstimmungsprozess gegebenenfalls.

Schritt 9 – Parameter speichern

Nachdem das gewünschte Ergebnis erzielt wurde, speichern Sie die Parameter über die Software.

Was sollten Ingenieure überprüfen, bevor sie die PID-Verstärkung erhöhen?

Die PID-Regleroptimierung sollte nicht die erste Lösung für jedes Positionierungsproblem sein.

Bevor die Verstärkung erhöht wird, sollten die Ingenieure sicherstellen, dass das mechanische System ordnungsgemäß montiert ist.

Wichtige Faktoren sind unter anderem:

Mechanische Installation:

Prüfen Sie die Montagesteifigkeit, die Wellenausrichtung, die Befestigung und die Lastverbindung.

Lastzustand:

Prüfen Sie, ob die tatsächliche Last und die Trägheit innerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs des Aktuators liegen.

Getriebezustand:

Prüfen Sie, ob ungewöhnliche Reibung, mechanische Störungen oder Getriebeprobleme vorliegen.

Encoder-Rückmeldung:

Vergewissern Sie sich, dass die Positionsrückmeldung stabil und frei von ungewöhnlichen Störungen ist.

Kommunikation:

Prüfen Sie, ob die Befehlsübertragung und die Rückkopplungskommunikation ordnungsgemäß funktionieren.

Betriebsart:

Stellen Sie sicher, dass der Aktor im vorgesehenen Steuermodus getestet wird.

Wenn das mechanische System selbst übermäßige Vibrationen oder Instabilität aufweist, kann eine einfache Erhöhung der PID-Verstärkung das Problem verschlimmern.

Warum ist die integrierte Konstruktion von Harmonic-Joint-Stellantrieben für die PID-Regleroptimierung wichtig?

Die Regelgenauigkeit eines Robotergelenks hängt von mehr als nur dem Servomotor selbst ab.

Ein integrierter Harmonic-Joint-Aktor kombiniert mehrere Komponenten, die das Regelverhalten direkt beeinflussen, darunter Motor, Harmonic-Joint-Getriebe, Encoder, Antriebselektronik, Lager und mechanisches Gehäuse.

Diese integrierte Architektur ermöglicht es, diese Komponenten während der Entwicklung aufeinander abzustimmen, anstatt sie unabhängig voneinander auszuwählen und erst in der finalen Systemintegrationsphase zu kombinieren.

Für Roboterhersteller kann dies die Inbetriebnahme vereinfachen, da der Aktor bereits um eine definierte Motor-Getriebe-Rückkopplungsarchitektur herum entwickelt wurde.

Die verbleibende PID-Anpassung kann sich dann primär darauf konzentrieren, den Aktor an die spezifische Roboterstruktur und Last anzupassen.

Dies ist besonders wertvoll für Anwendungen wie humanoide Roboter, Roboterarme, kollaborative Roboter und andere mehrachsige Robotersysteme, bei denen jedes Gelenk unterschiedlichen Trägheits- und mechanischen Bedingungen ausgesetzt sein kann.

HPJM Harmonic Joint Actuator: Von der Werkskalibrierung zur anwendungsspezifischen Abstimmung

Die HPJM-Serie verfolgt einen praxisorientierten Ansatz zur Robotergelenksteuerung.

Der Motorstromregelkreis wird vor Auslieferung kalibriert und bildet somit eine vordefinierte Grundlage für die Motorsteuerung. Anschließend können Anwender die Drehzahl- und Positionsregelkreise an ihre jeweiligen Anwendungsanforderungen anpassen.

Dieser Ansatz ermöglicht es, dieselbe Plattform für harmonische Gelenkaktuatoren an unterschiedliche mechanische Belastungen und Roboteranwendungen anzupassen, ohne dass die Anwender die gesamte Servo-Steuerungsarchitektur neu gestalten müssen.

Für Ingenieurteams, die Robotergelenke entwickeln, liegt der Schlüssel nicht in der Suche nach einem universellen PID-Parameter.

Das Ziel besteht vielmehr darin, eine stabile Parameterkombination zu finden, die Folgendes erfüllt:

Aktor + Harmonische Kraftübertragung + Mechanische Struktur + Last + Bewegungsprofil

Wenn diese Faktoren optimal aufeinander abgestimmt sind, kann der HPJM eine stabile Positionierung und reaktionsschnelle Bewegungen erreichen und gleichzeitig unnötige Schwingungen und Vibrationen minimieren.

Abschluss

Positionszittern in einem Robotergelenk ist oft ein Problem auf Systemebene und wird nicht durch eine einzelne Komponente verursacht.

Beim HPJM Harmonic Joint Actuator wird der Stromregelkreis vor der Auslieferung kalibriert, während die Drehzahl- und Positionsregelkreise je nach Last und Anwendungsbedingungen angepasst werden können.

Ein praktischer Abstimmungsprozess sollte sich auf das Verhältnis zwischen den P/I- und P/D-Parametern des Drehzahlregelkreises konzentrieren und dabei auch die mechanische Installation, die Lastträgheit, die Übertragungseigenschaften, die Encoder-Rückmeldung und die Kommunikationsleistung berücksichtigen.

Unabhängig davon, ob die HPJM-Integration über CAN, CANopen, EtherCAT oder Magic-Software erfolgt, empfiehlt es sich, kontrollierte Parameteränderungen vorzunehmen, den Aktor unter repräsentativen Bedingungen zu testen und die Parameter nach Erreichen eines stabilen Betriebs zu speichern.

Für Ingenieure, die humanoide Roboter, Roboterarme, kollaborative Roboter und andere Präzisionsrobotersysteme entwickeln, kann eine korrekte PID-Reglerabstimmung dazu beitragen, dass der Harmonic-Joint-Aktor ein besseres Gleichgewicht zwischen Positioniergenauigkeit, Reaktionsgeschwindigkeit und Bewegungsstabilität erreicht.