HPJM 하모닉 조인트 액추에이터 PID 튜닝: 위치 지터를 줄이는 방법

로봇 관절이 명령된 위치를 중심으로 반복적으로 진동하거나 목표 위치에 도달한 후 부드럽게 안정되지 못할 때 위치 떨림 현상이 발생할 수 있습니다. 고정밀 하모닉 관절 액추에이터의 경우, 이러한 현상은 PID 파라미터, 부하 조건, 변속기 특성 및 기계 구조 간의 상호 작용과 관련이 있는 경우가 많습니다.

HPJM 하모닉 조인트 액추에이터는 사용자가 다양한 부하 및 작동 조건에 따라 속도 및 위치 제어 매개변수를 조정할 수 있는 구성 가능한 PID 인터페이스를 제공합니다. 전류 루프는 출고 전에 교정되며, 속도 및 위치 루프는 필요에 따라 사용자가 조정할 수 있습니다.

이 글에서는 HPJM 하모닉 조인트 액추에이터의 PID 제어 구조, 주요 PID 파라미터의 역할, 그리고 CAN, CANopen, EtherCAT 또는 Magic 소프트웨어를 통해 위치 결정 떨림을 줄이는 실질적인 절차에 대해 설명합니다.

로봇 관절 액추에이터에서 위치 떨림 현상이 발생하는 이유는 무엇일까요?

로봇 관절은 단독으로 모터처럼 작동하지 않습니다. 완전한 동작 시스템은 모터, 하모닉 트랜스미션, 엔코더, 베어링, 기계 하우징, 부하 및 서보 제어 시스템을 포함합니다.

목표 위치에 도달하면 제어기는 목표 위치와 실제 위치를 지속적으로 비교합니다. 만약 제어 응답이 관절의 기계적 특성에 비해 지나치게 과격할 경우, 액추에이터는 반대 방향으로 반복적으로 위치를 수정할 수 있습니다.

다음과 같이 나타날 수 있습니다.

• 목표 위치 주변에서 작은 진동이 발생합니다.

• 반복적인 순방향 및 역방향 수정

• 청각적 또는 시각적 진동

• 더 긴 안정화 시간

• 특정 하중 조건에서의 불안정한 운동

따라서 위치 오차를 자동으로 하모닉 저감기나 엔코더 탓으로 돌려서는 안 됩니다. 많은 경우, PID 파라미터는 로봇 관절의 실제 부하 및 기계적 조건에 맞춰 조정해야 합니다.

HPJM 하모닉 조인트 액추에이터에서 PID 제어는 어떻게 작동합니까?

PID 제어는 명령값과 시스템의 실제 응답 간의 오차에 따라 제어 출력을 결정합니다.

세 가지 기본 구성 요소는 다음과 같습니다.

P — 비례

비례항은 전류 오차의 크기에 반응합니다. 일반적으로 비례 이득을 증가시키면 제어 시스템이 위치 또는 속도 편차에 더 강하게 반응하게 됩니다.

나 — 적분

적분항은 시간이 지남에 따라 오차를 누적하며 주로 정상 상태 오차 또는 잔차 편차를 줄이는 데 사용됩니다.

D — 파생물

미분항은 오차의 변화율에 반응하며 동적 변화 중에 예측적인 감쇠 기능을 제공할 수 있습니다.

HPJM 제어 아키텍처에서 루프는 계단식 구조로 배열됩니다.

전류 루프 → 속도 루프 → 위치 루프

전류 회로는 가장 안쪽에 위치한 회로로, 모터 전류와 전자기 토크를 직접 제어합니다. 속도 회로는 모터 속도를 제어하고, 위치 회로는 최종 위치 응답을 제어합니다.

전류 루프 매개변수는 출고 전에 보정되므로 일반적으로 사용자가 수정해서는 안 됩니다.

애플리케이션별 튜닝을 위해 조정해야 할 주요 매개변수는 다음과 같습니다.

속도 루프 P → 속도 루프 I → 위치 루프 P → 위치 루프 D

부하에 따라 PID 파라미터를 조정해야 하는 이유는 무엇입니까?

하모닉 조인트 액추에이터는 기계적 하중이 상당히 다른 다양한 로봇 응용 분야에 설치할 수 있습니다.

예를 들어, 동일한 HPJM 액추에이터라도 다음과 같은 환경에 설치될 때 서로 다른 동적 특성을 나타낼 수 있습니다.

• 로봇 팔 관절

• 휴머노이드 로봇 관절

• 경량 협동 로봇

• 회전 헤드 메커니즘

• 소형 로봇 매니퓰레이터

하중은 전체 관절의 관성, 마찰, 가속도 응답 및 기계적 공진 특성에 영향을 미칩니다.

결과적으로, 특정 부하 조건에서 잘 작동하는 PID 파라미터가 다른 부하 조건에서는 동일한 위치 제어 성능을 제공하지 못할 수 있습니다.

따라서 PID 튜닝은 모든 애플리케이션에 단일 파라미터 세트를 사용하는 대신 실제 또는 대표적인 작동 부하 조건에서 수행해야 합니다.

HPJM 하모닉 조인트 액추에이터의 위치 루프를 조정하는 방법은 무엇입니까?

위치 루프는 로봇 관절이 위치 오차에 반응하는 방식에 직접적인 영향을 미칩니다.

위치 루프 P 게인

위치 비례 이득은 액추에이터가 위치 오차에 얼마나 강하게 반응하는지를 결정합니다.

위치 P 게인이 너무 낮으면 액추에이터의 반응 속도가 느려지거나 위치 지정 강성이 부족할 수 있습니다.

위치 P 게인이 너무 높으면 액추에이터가 작은 위치 오차를 지속적으로 보정하여 목표 지점 주변에서 진동이나 위치 떨림을 발생시킬 수 있습니다.

따라서 위치 흔들림이 발생할 경우, 위치 P 게인을 줄이는 것이 검토해 볼 만한 매개변수 중 하나가 될 수 있습니다.

적절한 값은 실제 하중, 기계적 강성, 감속기 특성 및 원하는 응답에 따라 달라집니다.

위치 루프 D 게인

위치 미분 이득은 위치 오차의 변화에 반응하며 위치 루프의 감쇠 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.

D 게인이 지나치게 높으면 특히 측정 노이즈나 기계적 진동이 존재할 때 진동이 발생하거나 관절 응답이 불안정해질 수 있습니다.

따라서 위치 P와 D는 그 결과로 나타나는 움직임을 관찰하지 않고 독립적으로 조정하기보다는 함께 고려해야 합니다.

HPJM 하모닉 조인트 액추에이터의 속도 루프를 조정하는 방법은 무엇입니까?

속도 루프는 전류 루프와 위치 루프 사이의 중간 계층을 형성합니다.

속도 루프 P 게인

속도 비례 이득은 속도 오차에 대한 응답 강도를 결정합니다.

이득이 너무 낮으면 액추에이터의 속도 응답이 느려질 수 있습니다.

이득이 너무 높으면 특정 작동 조건에서 속도 루프가 불안정해질 수 있습니다.

스피드 루프 I 게인

속도 적분 매개변수는 시간에 따른 속도 오차를 누적하여 지속적인 속도 편차를 제거하는 데 도움을 줍니다.

하지만 과도한 적분 동작은 액추에이터의 안정화 동작에 영향을 미치고 시스템이 안정화되는 데 필요한 시간을 증가시킬 수 있습니다.

따라서 속도 측정 루프는 실제 기계적 부하와 작동 조건을 고려하여 조정해야 합니다.

HPJM 하모닉 조인트 액추에이터에 권장되는 PID 튜닝 순서

실제 튜닝 과정에서는 여러 매개변수를 무작위로 동시에 변경해서는 안 됩니다.

기본 절차는 다음과 같습니다.

액추에이터 정지 → PID 매개변수 수정 → 매개변수 저장 → 액추에이터 활성화 → 동작 테스트 → 필요한 경우 반복

매개변수를 변경하기 전에 액추에이터를 정지 또는 비활성화 상태로 만들어야 합니다.

HPJM의 경우 사용자는 지원되는 통신 인터페이스 또는 Magic 소프트웨어를 통해 PID 매개변수에 액세스할 수 있습니다.

일반적인 튜닝 순서는 다음과 같습니다.

1. 기계 설치 및 부하를 확인하십시오.

하모닉 조인트 액추에이터가 의도된 부하 조건에서 올바르게 설치되고 작동하는지 확인하십시오.

2. 전류 루프 파라미터를 확인합니다.

전류 회로는 출고 전에 보정되었으며 일반적으로 변경 없이 유지되어야 합니다.

3. 속도 루프를 조정합니다.

실제 부하 조건에서 액추에이터의 응답에 따라 속도 루프의 P 및 I 파라미터를 조정하십시오.

4. 위치 루프를 조정합니다.

과도한 진동 없이 원하는 위치 제어 응답을 얻으려면 위치 P와 D를 조정하십시오.

5. 액추에이터를 테스트합니다.

반복적인 위치 조정 동작을 수행하고 오버슈트, 안정화 동작, 진동 및 위치 흔들림을 관찰하십시오.

6. 매개변수를 저장합니다.

안정적인 작동이 이루어지면 매개변수를 저장하여 새 설정을 유지하십시오.

이러한 순차적인 접근 방식을 통해 어떤 매개변수가 동작 변화의 원인인지 더 쉽게 파악할 수 있습니다.

CAN, CANopen 및 EtherCAT을 통한 PID 파라미터 조정

HPJM 하모닉 조인트 액추에이터는 다양한 통신 인터페이스를 통해 PID 파라미터에 접근할 수 있도록 해줍니다.

CAN 인터페이스

CAN 인터페이스를 통해 사용자는 관련 속도 루프 및 위치 루프 PID 매개변수를 읽고 쓸 수 있습니다.

이 인터페이스는 다음과 같은 용도로 사용할 수 있습니다.

• 읽기 속도 루프 매개변수

• 위치 루프 매개변수를 읽습니다.

• 속도 루프 매개변수를 작성합니다.

• 위치 루프 매개변수를 작성합니다.

• 수정된 매개변수를 저장합니다.

이를 통해 호스트 컨트롤러 또는 시운전 소프트웨어는 애플리케이션 요구 사항에 따라 액추에이터를 조정할 수 있습니다.

CANopen 인터페이스

CANopen 기반 시스템의 경우, PID 매개변수는 해당 객체 사전 인덱스를 통해 접근할 수 있습니다.

HPJM 인터페이스에는 속도 루프 및 위치 루프 매개변수용 객체가 포함되어 있어 호스트 컨트롤러가 관련 값을 읽거나 수정할 수 있습니다.

EtherCAT 인터페이스

EtherCAT 애플리케이션의 경우, 해당 객체를 사용하여 PID 매개변수에 접근할 수 있습니다.

이러한 특징 덕분에 HPJM은 액추에이터를 중앙 집중식 EtherCAT 기반 모션 제어 아키텍처에 통합해야 하는 로봇 제어 시스템에 적합합니다.

색인, 하위 색인, 명령 및 데이터 형식에 대한 자세한 정보는 HPJM 통신 프로토콜 문서를 참조하십시오.

PID 파라미터를 조정한 후 저장하는 방법은 무엇인가요?

PID 매개변수를 변경한다고 해서 반드시 새 값이 영구적으로 저장되는 것은 아닙니다.

튜닝 과정을 완료한 후에는 해당 저장 명령을 사용하여 매개변수를 저장해야 합니다.

HPJM의 경우, 파라미터 저장 작업은 지원되는 통신 인터페이스를 통해 수행할 수 있습니다.

기본 워크플로는 다음과 같습니다.

조정 → 테스트 → 확인 → 저장

이는 시운전 중에 특히 중요한데, 그렇지 않으면 테스트 중에 정상적으로 작동하는 것처럼 보이는 매개변수가 액추에이터를 재시작한 후에는 유지되지 않을 수 있기 때문입니다.

매직 소프트웨어를 사용하여 HPJM 하모닉 조인트 액추에이터를 튜닝하는 방법

CAN 또는 CANopen 명령을 직접 전송하는 대신 그래픽 기반 시운전을 선호하는 사용자는 Magic 소프트웨어를 통해 HPJM을 조정할 수 있습니다.

일반적인 절차는 다음과 같습니다.

1단계 — Magic Software를 관리자 권한으로 실행

Magic 소프트웨어를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 '관리자 권한으로 실행'을 선택하세요.

2단계 — 모터 찾기

상단 메뉴에서 장치 검색을 선택하여 연결된 HPJM 액추에이터를 감지하십시오.

3단계 — 통신 프로토콜 선택

실제 시스템 구성에 따라 CAN 또는 CANopen과 같은 적절한 통신 프로토콜을 선택하십시오.

4단계 — 커뮤니케이션 채널 선택

분석기 하드웨어 인터페이스에 따라 채널 1 또는 채널 2를 선택하십시오.

5단계 — 전송 속도 선택

실제 시스템 구성에 맞는 통신 전송 속도를 설정하십시오.

6단계 — ID 범위 선택

연결된 액추에이터에 적합한 장치 ID 범위를 구성하십시오.

7단계 — 액추에이터가 정지되었는지 확인합니다.

통신 확인이 필요한 경우 모터를 잠시 활성화한 다음 비활성화하고 액추에이터가 정지 상태인지 확인한 후 PID 매개변수를 변경하십시오.

8단계 — PID 매개변수 수정 및 테스트

필요한 PID 매개변수를 조정하고 액추에이터를 활성화하여 테스트하십시오.

위치 조정 반응을 관찰하고 필요한 경우 조정 과정을 반복하십시오.

9단계 — 매개변수 저장

원하는 응답을 얻은 후 소프트웨어를 통해 매개변수를 저장하십시오.

엔지니어는 PID 게인을 높이기 전에 무엇을 확인해야 할까요?

PID 튜닝은 모든 위치 제어 문제에 대한 첫 번째 해결책이 되어서는 안 됩니다.

게인을 높이기 전에 엔지니어는 기계 시스템이 제대로 조립되었는지 확인해야 합니다.

중요 요소는 다음과 같습니다.

기계 설치:

장착 강성, 축 정렬, 체결 상태 및 하중 연결을 확인하십시오.

부하 조건:

실제 부하와 관성이 액추에이터의 의도된 작동 범위 내에 있는지 확인하십시오.

전송 상태:

비정상적인 마찰, 기계적 간섭 또는 변속기 문제가 있는지 확인하십시오.

인코더 피드백:

위치 피드백이 안정적이며 비정상적인 노이즈가 없는지 확인하십시오.

의사소통:

명령 전송 및 피드백 통신이 올바르게 작동하는지 확인하십시오.

작동 모드:

액추에이터가 의도된 제어 모드에서 테스트되고 있는지 확인하십시오.

기계 시스템 자체에 과도한 진동이나 불안정성이 있는 경우, 단순히 PID 게인을 높이는 것만으로는 문제가 악화될 수 있습니다.

PID 튜닝에서 통합형 하모닉 조인트 액추에이터 설계가 중요한 이유는 무엇일까요?

로봇 관절의 제어 성능은 서보 모터 자체뿐만 아니라 여러 요인에 따라 달라집니다.

통합형 하모닉 조인트 액추에이터는 모터, 하모닉 감속기, 엔코더, 구동 전자 장치, 베어링 및 기계 하우징을 포함하여 제어 응답에 직접적인 영향을 미치는 여러 구성 요소를 결합합니다.

이 통합 아키텍처를 통해 구성 요소들을 개별적으로 선택한 후 최종 시스템 통합 단계에서 결합하는 대신, 개발 단계에서부터 서로 적합하게 구성할 수 있습니다.

로봇 제조업체의 경우, 액추에이터가 이미 정의된 모터-변속기-피드백 아키텍처를 기반으로 개발되었기 때문에 시운전이 간소화될 수 있습니다.

나머지 PID 조정은 주로 액추에이터를 특정 로봇 구조 및 하중에 맞추는 데 집중할 수 있습니다.

이는 휴머노이드 로봇, 로봇 팔, 협동 로봇 및 기타 다축 로봇 시스템과 같이 각 관절이 서로 다른 관성 및 기계적 조건을 경험할 수 있는 응용 분야에 특히 유용합니다.

HPJM 하모닉 조인트 액추에이터: 공장 교정부터 용도별 맞춤 조정까지

HPJM 시리즈는 로봇 관절 제어에 있어 실용적인 접근 방식을 따릅니다.

모터 전류 루프는 출고 전에 보정되어 모터 제어를 위한 사전 정의된 기반을 제공합니다. 사용자는 실제 적용 요구 사항에 따라 속도 및 위치 루프를 조정할 수 있습니다.

이러한 접근 방식을 통해 사용자는 전체 서보 제어 아키텍처를 재설계할 필요 없이 동일한 하모닉 조인트 액추에이터 플랫폼을 다양한 기계적 하중 및 로봇 응용 분야에 적용할 수 있습니다.

로봇 관절을 개발하는 엔지니어링 팀에게 중요한 것은 보편적인 PID 매개변수를 찾는 것이 아닙니다.

대신, 목표는 다음 조건을 만족하는 안정적인 매개변수 조합을 찾는 것입니다.

액추에이터 + 하모닉 트랜스미션 + 기계 구조 + 하중 + 동작 프로파일

이러한 요소들이 적절히 조화를 이루면 HPJM은 불필요한 진동과 떨림을 최소화하면서 안정적인 위치 지정과 반응성 있는 움직임을 구현할 수 있습니다.

결론

로봇 관절의 위치 떨림은 단일 부품의 문제라기보다는 시스템 수준의 문제인 경우가 많습니다.

HPJM 하모닉 조인트 액추에이터의 경우, 전류 루프는 출고 전에 교정되며, 속도 및 위치 루프는 실제 부하 및 적용 조건에 따라 조정할 수 있습니다.

실질적인 튜닝 과정에서는 속도 루프 P/I와 위치 루프 P/D 파라미터 간의 관계에 중점을 두어야 하며, 기계적 설치, 부하 관성, 변속기 특성, 엔코더 피드백 및 통신 성능도 고려해야 합니다.

HPJM이 CAN, CANopen, EtherCAT 또는 Magic 소프트웨어를 통해 통합되는 경우, 권장되는 접근 방식은 제어된 매개변수 변경을 수행하고, 대표적인 조건에서 액추에이터를 테스트하고, 안정적인 성능이 확보된 후 매개변수를 저장하는 것입니다.

휴머노이드 로봇, 로봇 팔, 협동 로봇 및 기타 정밀 로봇 시스템을 개발하는 엔지니어에게 있어 적절한 PID 튜닝은 하모닉 조인트 액추에이터가 위치 정확도, 응답 속도 및 동작 안정성 간의 균형을 더 잘 맞추도록 도와줄 수 있습니다.