Ajuste de PID del actuador de articulación armónica HPJM: cómo reducir la oscilación de posicionamiento

La inestabilidad de posicionamiento puede producirse cuando una articulación del robot oscila repetidamente alrededor de la posición deseada o no se estabiliza correctamente tras alcanzar el objetivo. En el caso de un actuador de articulación armónica de alta precisión, este comportamiento suele estar relacionado con la interacción entre los parámetros PID, las condiciones de carga, las características de transmisión y la estructura mecánica.

El actuador de junta armónica HPJM ofrece una interfaz PID configurable que permite ajustar los parámetros de control de velocidad y posición según las diferentes cargas y condiciones de funcionamiento. El lazo de corriente se calibra antes de la entrega, mientras que los lazos de velocidad y posición pueden ser ajustados por el usuario cuando sea necesario.

Este artículo explica la estructura de control PID del actuador de junta armónica HPJM, la función de los principales parámetros PID y un procedimiento práctico para reducir la fluctuación de posicionamiento mediante CAN, CANopen, EtherCAT o el software Magic.

¿Por qué se produce la fluctuación de posicionamiento en el actuador de una articulación robótica?

Una articulación robótica no funciona únicamente como un motor. El sistema de movimiento completo incluye el motor, la transmisión armónica, el codificador, los rodamientos, la carcasa mecánica, la carga y el sistema de control servo.

Cuando se alcanza la posición deseada, el controlador compara continuamente la posición objetivo con la posición real. Si la respuesta de control es demasiado agresiva para las características mecánicas de la articulación, el actuador puede corregir repetidamente la posición en direcciones opuestas.

Esto puede aparecer como:

• Pequeñas oscilaciones alrededor de la posición objetivo.

• Correcciones repetidas hacia adelante y hacia atrás

• Vibración audible o visible

• Tiempo de asentamiento más prolongado

• Movimiento inestable bajo ciertas cargas

Por lo tanto, la fluctuación de posicionamiento no debe atribuirse automáticamente al reductor armónico ni al codificador. En muchos casos, es necesario ajustar los parámetros PID a la carga real y a las condiciones mecánicas de la articulación del robot.

¿Cómo funciona el control PID en el actuador de junta armónica HPJM?

El control PID determina la salida de control en función del error entre el valor ordenado y la respuesta real del sistema.

Los tres componentes básicos son:

P — Proporcional

El término proporcional responde a la magnitud del error actual. Generalmente, aumentar la ganancia proporcional hace que el sistema de control responda con mayor intensidad a las desviaciones de posición o velocidad.

Yo — Integral

El término integral acumula el error con el tiempo y se utiliza principalmente para reducir el error en estado estacionario o la desviación residual.

D — Derivada

El término derivativo responde a la tasa de cambio del error y puede proporcionar una amortiguación anticipatoria durante los cambios dinámicos.

En la arquitectura de control HPJM, los bucles están dispuestos en una estructura en cascada:

Bucle de corriente → Bucle de velocidad → Bucle de posición

El lazo de corriente es el lazo más interno y controla directamente la corriente del motor y el par electromagnético. El lazo de velocidad controla la velocidad del motor, mientras que el lazo de posición controla la respuesta de posición final.

Los parámetros del bucle de corriente se calibran antes de la entrega y, por lo general, el usuario no debería modificarlos.

Para la optimización específica de la aplicación, los principales parámetros a ajustar son:

Bucle de velocidad P → Bucle de velocidad I → Bucle de posición P → Bucle de posición D

¿Por qué deben ajustarse los parámetros PID en función de la carga?

Un actuador de articulación armónica puede instalarse en diferentes aplicaciones robóticas con cargas mecánicas significativamente diferentes.

Por ejemplo, el mismo actuador HPJM puede experimentar características dinámicas diferentes cuando se instala en:

• Una articulación de brazo robótico

• Una articulación de robot humanoide

• Un robot colaborativo ligero

• Un mecanismo de cabezal giratorio

• Un manipulador robótico compacto

La carga afecta a la inercia, la fricción, la respuesta de aceleración y las características de resonancia mecánica de la junta completa.

Como resultado, los parámetros PID que funcionan bien bajo una condición de carga pueden no proporcionar el mismo rendimiento de posicionamiento bajo otra.

Por eso, la optimización del controlador PID debe realizarse bajo la carga operativa real o representativa, en lugar de utilizar un único conjunto de parámetros para cada aplicación.

¿Cómo ajustar el bucle de posición del actuador de junta armónica HPJM?

El bucle de posición influye directamente en cómo responde la articulación del robot a los errores de posición.

Ganancia P del bucle de posición

La ganancia proporcional a la posición determina la intensidad con la que el actuador responde a un error de posición.

Si la ganancia de posición P es demasiado baja, el actuador puede responder lentamente o presentar una rigidez de posicionamiento insuficiente.

Si la ganancia de posición P es demasiado alta, el actuador puede corregir continuamente pequeños errores de posición y producir oscilaciones o fluctuaciones en el posicionamiento alrededor del objetivo.

Por lo tanto, cuando se produce fluctuación en el posicionamiento, reducir la ganancia P de la posición puede ser uno de los parámetros a investigar.

El valor apropiado depende de la carga real, la rigidez mecánica, las características del reductor y la respuesta deseada.

Posición Bucle D Ganancia

La ganancia derivada de la posición responde a los cambios en el error de posición y puede influir en las características de amortiguación del bucle de posición.

Una ganancia D excesivamente alta puede introducir oscilaciones o hacer que la respuesta conjunta sea inestable, especialmente cuando hay ruido de medición o vibraciones mecánicas.

Por lo tanto, las posiciones P y D deben considerarse conjuntamente en lugar de ajustarse de forma independiente sin observar el movimiento resultante.

¿Cómo ajustar el bucle de velocidad del actuador de junta armónica HPJM?

El bucle de velocidad constituye la capa intermedia entre el bucle de corriente y el bucle de posición.

Ganancia P del bucle de velocidad

La ganancia proporcional a la velocidad determina la intensidad de la respuesta ante un error de velocidad.

Si la ganancia es demasiado baja, el actuador puede presentar una respuesta de velocidad más lenta.

Si la ganancia es demasiado alta, el bucle de velocidad puede volverse inestable bajo ciertas condiciones de funcionamiento.

Bucle de velocidad que gano

El parámetro de integral de velocidad acumula el error de velocidad con el tiempo y ayuda a eliminar la desviación de velocidad persistente.

Sin embargo, una acción integral excesiva puede afectar el comportamiento de estabilización del actuador y aumentar el tiempo necesario para que el sistema se estabilice.

Por lo tanto, el bucle de velocidad debe ajustarse teniendo en cuenta la carga mecánica real y las condiciones de funcionamiento.

Secuencia de ajuste PID recomendada para el actuador de junta armónica HPJM

Un proceso de ajuste práctico no debería modificar múltiples parámetros de forma aleatoria y simultánea.

El procedimiento básico es:

Detener el actuador → Modificar parámetros PID → Guardar parámetros → Habilitar el actuador → Probar el movimiento → Repetir si es necesario

Antes de modificar los parámetros, el actuador debe colocarse en estado detenido o desactivado.

En el caso de HPJM, los usuarios pueden acceder a los parámetros PID a través de las interfaces de comunicación compatibles o del software Magic.

Una secuencia de afinación típica es:

1. Confirmar la instalación mecánica y la carga

Asegúrese de que el actuador de la junta armónica esté correctamente instalado y funcionando bajo las condiciones de carga previstas.

2. Confirme los parámetros del bucle de corriente.

El circuito de corriente se ha calibrado antes de la entrega y, en general, debería permanecer sin cambios.

3. Ajustar el bucle de velocidad

Ajuste los parámetros P e I del bucle de velocidad según la respuesta del actuador bajo la carga real.

4. Ajustar el bucle de posición

Ajuste las posiciones P y D para obtener la respuesta de posicionamiento deseada sin oscilaciones excesivas.

5. Pruebe el actuador.

Realice movimientos de posicionamiento repetidos y observe el sobreimpulso, el comportamiento de asentamiento, la vibración y la fluctuación del posicionamiento.

6. Guarda los parámetros.

Una vez logrado un funcionamiento estable, guarde los parámetros para conservar la nueva configuración.

Este enfoque secuencial facilita la identificación del parámetro responsable de un cambio en el comportamiento.

Ajuste de parámetros PID a través de CAN, CANopen y EtherCAT

El actuador de junta armónica HPJM proporciona acceso a los parámetros PID a través de diferentes interfaces de comunicación.

Interfaz CAN

A través de la interfaz CAN, los usuarios pueden leer y escribir los parámetros PID relevantes del bucle de velocidad y del bucle de posición.

La interfaz se puede utilizar para:

• Leer parámetros del bucle de velocidad

• Leer parámetros del bucle de posición

• Escribir parámetros del bucle de velocidad

• Escribir parámetros de bucle de posición

• Guarda los parámetros modificados.

Esto permite que el controlador principal o el software de puesta en marcha ajusten el actuador según los requisitos de la aplicación.

Interfaz CANopen

En los sistemas basados en CANopen, se puede acceder a los parámetros PID a través de los índices correspondientes del diccionario de objetos.

La interfaz HPJM incluye objetos para los parámetros del bucle de velocidad y del bucle de posición, lo que permite al controlador principal leer o modificar los valores correspondientes.

Interfaz EtherCAT

En el caso de las aplicaciones EtherCAT, los objetos correspondientes también pueden utilizarse para acceder a los parámetros PID.

Esto hace que el HPJM sea adecuado para sistemas de control de robots donde el actuador necesita integrarse en una arquitectura de control de movimiento centralizada basada en EtherCAT.

Para obtener información detallada sobre índices, subíndices, comandos y formatos de datos, los ingenieros deben consultar la documentación del protocolo de comunicación HPJM.

¿Cómo guardar los parámetros PID después del ajuste?

Cambiar un parámetro PID no significa necesariamente que el nuevo valor se haya almacenado de forma permanente.

Una vez finalizado el proceso de ajuste, los parámetros deben guardarse utilizando el comando de guardado correspondiente.

En el caso de HPJM, la operación de guardado de parámetros se puede realizar a través de la interfaz de comunicación compatible.

El flujo de trabajo básico es:

Ajustar → Probar → Confirmar → Guardar

Esto es especialmente importante durante la puesta en marcha, ya que, de lo contrario, un parámetro que parece funcionar durante las pruebas podría no conservarse después de reiniciar el actuador.

Uso del software Magic para ajustar el actuador de junta armónica HPJM

Para los usuarios que prefieren la puesta en marcha gráfica en lugar de enviar directamente comandos CAN o CANopen, el HPJM se puede ajustar mediante el software Magic.

El procedimiento general es el siguiente:

Paso 1: Ejecutar Magic Software como administrador.

Haz clic con el botón derecho en el software Magic y selecciona Ejecutar como administrador.

Paso 2: Buscar el motor

Seleccione "Búsqueda de dispositivos" en el menú superior para detectar el actuador HPJM conectado.

Paso 3: Seleccionar el protocolo de comunicación

Seleccione el protocolo de comunicación adecuado, como CAN o CANopen, según la configuración real del sistema.

Paso 4: Seleccionar el canal de comunicación

Seleccione el canal 1 o el canal 2 según la interfaz de hardware del analizador.

Paso 5: Seleccione la velocidad de transmisión (Baudios).

Configure la velocidad de transmisión de la comunicación de acuerdo con la configuración actual del sistema.

Paso 6: Seleccione el rango de ID.

Configure el rango de ID de dispositivo adecuado para el actuador conectado.

Paso 7: Confirme que el actuador esté detenido.

Si es necesario para confirmar la comunicación, active brevemente el motor; a continuación, desactívelo y asegúrese de que el actuador esté detenido antes de modificar los parámetros PID.

Paso 8: Modificar y probar los parámetros PID.

Ajuste los parámetros PID necesarios y habilite el actuador para realizar las pruebas.

Observe la respuesta de posicionamiento y repita el proceso de ajuste si es necesario.

Paso 9 — Guardar los parámetros

Una vez obtenida la respuesta deseada, guarde los parámetros a través del software.

¿Qué deben comprobar los ingenieros antes de aumentar la ganancia del controlador PID?

La optimización del control PID no debería ser la primera solución para todos los problemas de posicionamiento.

Antes de aumentar la ganancia, los ingenieros deben confirmar que el sistema mecánico esté correctamente ensamblado.

Entre los factores importantes se incluyen:

Instalación mecánica:

Compruebe la rigidez del montaje, la alineación del eje, la fijación y la conexión de la carga.

Condición de carga:

Confirme que la carga y la inercia reales se encuentran dentro del rango de funcionamiento previsto del actuador.

Estado de la transmisión:

Compruebe si existen fricciones anormales, interferencias mecánicas o problemas de transmisión.

Retroalimentación del codificador:

Confirme que la información de posición sea estable y esté libre de ruido anormal.

Comunicación:

Compruebe si la transmisión de comandos y la comunicación de retroalimentación funcionan correctamente.

Modo de funcionamiento:

Asegúrese de que el actuador se esté probando en el modo de control previsto.

Si el propio sistema mecánico presenta vibraciones o inestabilidad excesivas, simplemente aumentar la ganancia del controlador PID puede empeorar el problema.

¿Por qué es importante el diseño de actuadores de junta armónica integrada para la sintonización PID?

El rendimiento de control de una articulación robótica depende de algo más que del propio servomotor.

Un actuador de junta armónica integrado combina múltiples componentes que influyen directamente en la respuesta de control, incluyendo el motor, el reductor armónico, el codificador, la electrónica de accionamiento, los cojinetes y la carcasa mecánica.

Esta arquitectura integrada permite que estos componentes se combinen durante el desarrollo, en lugar de seleccionarlos de forma independiente y combinarlos en la etapa final de integración del sistema.

Para los fabricantes de robots, esto puede simplificar la puesta en marcha, ya que el actuador ya ha sido desarrollado en torno a una arquitectura definida de motor, transmisión y retroalimentación.

El ajuste PID restante puede entonces centrarse principalmente en adaptar el actuador a la estructura y la carga específicas del robot.

Esto resulta especialmente valioso para aplicaciones como robots humanoides, brazos robóticos, robots colaborativos y otros sistemas robóticos multieje, donde cada articulación puede experimentar diferentes condiciones mecánicas y de inercia.

Actuador de junta armónica HPJM: Desde la calibración de fábrica hasta el ajuste específico para cada aplicación.

La serie HPJM adopta un enfoque práctico para el control de las articulaciones de los robots.

El circuito de control del motor se calibra antes de la entrega, lo que proporciona una base predefinida para su control. Posteriormente, los usuarios pueden ajustar los circuitos de velocidad y posición según los requisitos específicos de su aplicación.

Este enfoque permite adaptar la misma plataforma de actuadores de articulación armónica a diferentes cargas mecánicas y aplicaciones robóticas sin que los usuarios tengan que rediseñar toda la arquitectura de servocontrol.

Para los equipos de ingeniería que desarrollan articulaciones robóticas, la clave no está en buscar un parámetro PID universal.

En cambio, el objetivo es encontrar una combinación de parámetros estable que coincida con:

Actuador + Transmisión armónica + Estructura mecánica + Carga + Perfil de movimiento

Cuando estos factores se combinan adecuadamente, el HPJM puede lograr un posicionamiento estable y un movimiento con buena capacidad de respuesta, minimizando al mismo tiempo las oscilaciones y vibraciones innecesarias.

Conclusión

La inestabilidad en el posicionamiento de una articulación robótica suele ser un problema a nivel de sistema, más que un problema causado por un solo componente.

En el caso del actuador de junta armónica HPJM, el bucle de corriente se calibra antes de la entrega, mientras que los bucles de velocidad y posición se pueden ajustar según la carga real y las condiciones de aplicación.

Un proceso de ajuste práctico debe centrarse en la relación entre los parámetros P/I del bucle de velocidad y P/D del bucle de posición, teniendo en cuenta también la instalación mecánica, la inercia de la carga, las características de transmisión, la retroalimentación del codificador y el rendimiento de la comunicación.

Ya sea que el HPJM esté integrado a través de CAN, CANopen, EtherCAT o el software Magic, el enfoque recomendado es realizar cambios controlados en los parámetros, probar el actuador en condiciones representativas y guardar los parámetros una vez que se haya logrado un rendimiento estable.

Para los ingenieros que desarrollan robots humanoides, brazos robóticos, robots colaborativos y otros sistemas robóticos de precisión, una correcta sintonización del controlador PID puede ayudar al actuador de articulación armónica a lograr un mejor equilibrio entre la precisión de posicionamiento, la velocidad de respuesta y la estabilidad del movimiento.