Positionsregelung gegen Geschwindigkeitsregelung gegen Drehmomentregelung

Kann mir bitte jemand den Unterschied zwischen Positionsregelung, Geschwindigkeitsregelung und Drehmomentregelung erklären? Insbesondere denke ich an einen Roboterarm. Ich verstehe, dass die Positionssteuerung versucht, die Position der Aktuatoren so zu steuern, dass das Fehlersignal die Differenz zwischen der aktuellen Position und der gewünschten Position ist. Die Geschwindigkeitssteuerung versucht dann, die Geschwindigkeit jedes Aktuators zu steuern, und die Drehmomentsteuerung versucht, das Drehmoment jedes Aktuators zu steuern.

Ich verstehe jedoch nicht, warum dies nicht alle dasselbe sind. Wenn Sie einen Roboterarm an eine bestimmte Position senden möchten, können Sie die Positionssteuerung verwenden. Um einen Aktuator in eine bestimmte Position zu bringen, müssen Sie ihm eine Geschwindigkeit geben. Und um ihm eine Geschwindigkeit zu geben, müssen Sie ihm ein Drehmoment geben. Unabhängig davon, ob der Fehler in Position, Geschwindigkeit oder Drehmoment liegt, scheint er immer nur auf den Fehler im Drehmoment zurückzuführen zu sein. Was vermisse ich?

Das Drehmoment ist analog zur Kraft für rotierende Systeme, da:

Wo $\alpha$ ist Winkelbeschleunigung und $I$ ist Trägheitsmoment. $m$ und $a$ sind Masse bzw. lineare Beschleunigung.

In gewisser Weise sind ein Positionsregler, ein Geschwindigkeitsregler und ein Beschleunigungs- (Drehmoment-) Regler unterschiedliche Implementierungen voneinander, da jedes das Integral der nächsten ist - Position ist das Integral der Geschwindigkeit und Geschwindigkeit ist das Integral von Beschleunigung.

Wo diese sich unterscheiden, ist, wie Sie den Controller anwenden. Dies hängt normalerweise davon ab, woran Sie interessiert sind. Versuchen Sie beispielsweise, die Position zu steuern, wie bei einem Servomotor? Versuchen Sie, die Beschleunigung wie in einem Krankenhausaufzug zu regulieren?

Normalerweise haben Sie eine Spezifikation, die Sie erfüllen möchten. Anschließend können Sie anhand Ihrer Spezifikationen typische PID-Richtlinien verwenden , um einen Regler für diesen bestimmten Aspekt zu erstellen. Das heißt, wenn Sie auf diesem bestimmten "Niveau" arbeiten: Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung, können Sie für eine bestimmte Anstiegszeit, Überschwingen und Dämpfung entwerfen.

Der Unterschied besteht darin, dass Sie ein Beschleunigungsüberschwingen oder ein Positionsüberschwingen entwerfen .

Im Allgemeinen würde ich sagen, dass der Ausgang des Reglers auf Motorspannung geht. Während der Ausgang des Reglers immer gleich ist (Motorvolt), sind Eingang und Verstärkung unterschiedlich, mit dem Wunsch, einen anderen Satz von Betriebsparametern zu erreichen.

Abschließend möchte ich darauf hinweisen, dass ein Motorsteuerungsausgang eine Klemmenspannung ist, da auf diese Weise der Motorstrom moduliert wird. Der Motorstrom erzeugt wiederum ein Drehmoment über die Motordrehmomentkonstante .

Letztendlich reguliert jeder Regler das Motordrehmoment, wobei jedoch die Endziele variieren - die Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Position des Motors steuern. Auch hier hängt das, was Sie steuern möchten, von der Anwendung ab und wirkt sich auf die von Ihnen gewählten Gewinne aus.

Ich werde Chuck etwas anders angehen .

Was ist Drehmomentregelung?

Bei der Drehmomentregelung geht es für mich darum, eine Bewegung mit einem explizit definierten Drehmoment durchzuführen, und dabei das Drehmoment nur als Mittel zum Ende der Positions- oder Geschwindigkeitsregelung zu betrachten.

Normalerweise geben Sie beim Bewegen eines Roboters Position und Geschwindigkeit an, wobei der Roboter das gesamte Drehmoment bis zum Maximum verwenden darf, um diese beiden Ziele zu erreichen.

Wenn Sie eine Bewegung mit einer Drehmomentkomponente angeben, möchten Sie dieses spezifische Drehmoment für diese Bewegung verwenden. Dies lässt sich am einfachsten anhand eines Beispiels veranschaulichen.

Beispiel: Ein Ei aufheben

Angenommen, Sie möchten, dass Ihr Roboter ein Ei greift. Das Ei ist ein zerbrechlicher Sphäroid von (leicht) variabler Größe.

Ohne Drehmomentregelung

Idealerweise müssten Sie die Ausrichtung des Eies und die genaue Abmessung entlang der Griffachse kennen. Sie müssen dann den Greifer schließen, um etwas kleiner als diese Griffachsenabmessung zu sein, und sich auf den Fehler zwischen der geforderten und der tatsächlichen Position verlassen, um die richtige Kraft aufzubringen, um das Ei sicher zu greifen.

Dieser Effekt zweiter Ordnung ist sehr zerbrechlich und kann dazu führen, dass Eier fallen gelassen werden, sobald die Motoren altern und weniger Drehmoment liefern, oder Eier zu zerdrücken beginnen, wenn die PID-Parameter angepasst werden, um beispielsweise die Positions- oder Geschwindigkeitsgenauigkeit zu verbessern.

Da Eier nicht einheitlich sind, müssen Sie eine Kompromiss-Griffposition ermitteln, wenn Sie die Abmessung der Griffachse nicht für jedes Ei messen können.

Zu kleine und große Eier werden durch die ausgeübte Kraft zerbrochen, zu große und kleine Eier werden nicht fest genug gepackt. Wenn zwischen den kleinsten und größten Eiern genügend Unterschiede bestehen, gibt es möglicherweise keine Kompromissposition, die einige Eier weder zerdrückt noch fallen lässt.

Mit Drehmomentregelung

Mit der Drehmomentsteuerung haben Sie eine viel feinere und vorhersehbarere Steuerung. Sie geben das Drehmoment als Effekt erster Ordnung an und haben die direkte Kontrolle darüber.

Normalerweise bewegen Sie den Greifer ohne Drehmomentregelung auf etwas, das nur größer als das größte Ei ist, und dann den Greifer mit Drehmomentregelung auf etwas kleiner als das kleinste Ei. Sobald die Drehmomentgrenze erreicht ist, hört der Motor auf, sich zu bewegen, und das Ei wird mit genau der erforderlichen Kraft ergriffen.

Warum nicht die ganze Zeit die Drehmomentregelung verwenden?

Normalerweise verwenden Sie die Drehmomentregelung nur dann, wenn Sie sie unbedingt benötigen, da die direkte Drehmomentregelung bedeutet, die Kontrolle über Position und Geschwindigkeit aufzugeben.

Sie können sich der direkten Drehmomentsteuerung nähern, indem Sie eine Drehmomentgrenze auf eine Standard-Positions- / Geschwindigkeitsbewegung anwenden. Sie müssen jedoch vorsichtig sein, da die Drehmomentgrenze höher sein muss als das Mindestdrehmoment, das zum Erreichen dieser Bewegungen erforderlich ist.

Das Anwenden einer zu niedrigen Drehmomentgrenze kann leicht zu folgenden Fehlern führen (tatsächliche Position fällt hinter die erforderliche Position zurück, was zu einer schlechten Kontrolle führt) und kann sogar verhindern, dass sich ein Roboter in seine Zielposition bewegt (wenn die Drehmomentgrenze niedriger als das erforderliche Drehmoment ist die Bewegung aufgrund von Haftreibung, Reibung oder Schwerkraft zu machen, um nur einige mögliche Faktoren zu nennen).

Komplikationen

In einigen Situationen müssen Sie eine Kraft anwenden, die kleiner als die Haftreibung des Systems ist. Da die Haftreibung verhindern würde, dass die erforderliche Kraft ausgeübt wird, würde effektiv keine Kraft ausgeübt. Dies könnte beispielsweise bei einigen Direktantriebsmotoren der Fall sein. In diesem Fall muss Ihr Drehmomentkontrollsystem möglicherweise in der Lage sein, kurzzeitig eine höhere Kraft aufzubringen, um die Haftreibung zu überwinden, und dann schnell zum erforderlichen Drehmoment zurückkehren, damit keine übermäßige Kraft ausgeübt wird.

Fazit

Die Drehmomentsteuerung ist eine wichtige Technik für einige Anwendungen. Sie ist für unseren Körper eine Selbstverständlichkeit, für die jedoch Robotersysteme explizit konfiguriert werden müssen.

Ich denke, Mark Booths Antwort war die beste. Er sprach über die Anwendungsunterschiede zwischen den Modi, ohne auf die Theorie einzugehen oder die ursprüngliche Frage zu beeinträchtigen.

Wenn ich etwas weiter expandieren kann, um mehr Klarheit zu schaffen:

Jeder Modus verwendet die befohlene Methode als primäre Steuerungsform und hat die Kontrolle über die anderen Parameter nur zur Einschränkung.

Wie oben erwähnt, können Sie eine POSITIONSBEWEGUNG mit GRENZEN für Drehmoment und Geschwindigkeit verwenden. Der Regler wird sein Bestes tun, um diese Position innerhalb der angegebenen Grenzen zu erreichen, bemüht sich jedoch nicht, die durch die Geschwindigkeit oder Geschwindigkeit festgelegten Werte zu erreichen Drehmomentgrenzen. Daher können Sie mit einer Geschwindigkeit von 10 Zoll / Sek. Zu Ihrer befohlenen Position gelangen, obwohl Ihr Limit auf 40 Zoll / Sek. Festgelegt wurde.

Unabhängig davon, in welchem ​​Modus Sie befehlen, wird bei der Verschiebung zunächst versucht, diese Kriterien zu erfüllen, und die beiden anderen werden ignoriert (abgesehen von den Grenzwerten).

Wenn die GESCHWINDIGKEIT das Wichtigste ist, das Sie steuern müssen, z. B. ein Förderband, verwenden Sie den Geschwindigkeitsmodus. Wenn das Drehmoment wichtig ist, z. B. ein Netz nicht reißen oder etwas überdehnen, verwenden Sie den Drehmomentmodus.

Ich denke, wo es verwirrend ist, ist zwischen dem VELOCITY-Modus und dem POSITION-Modus. Möglicherweise können Sie ein Förderband mithilfe von POSITION MOVES steuern und einfach Grenzwerte für die Geschwindigkeit festlegen, die der Bewegungsbefehl verwenden kann. Nachdem Sie die Geschwindigkeit erreicht haben, bewegt sich Ihr Förderer schließlich mit der in Ihrer POSITION MOVE angegebenen Geschwindigkeit. Wenn Sie jedoch Ihre Geschwindigkeit etwas anpassen müssen, macht eine POSITION MOVE dies schwierig. Sie müssen jetzt eine neue Position finden, um sich zu bewegen, und entweder das Limit für Ihre "Geschwindigkeit max" erhöhen oder verringern. Dies ist viel einfacher, wenn Sie nur die VELOCITY-Steuerung verwenden, da die Position eines Förderers im Wesentlichen zyklisch und unendlich ist. Sie können einfach die Geschwindigkeit Ihres Geschwindigkeitsbefehls nach oben oder unten einstellen, und Sie kümmern sich nicht wirklich darum, wo sich die Position des Förderers befindet. Nämlich,

Mit dem obigen Beispiel "Eierroboter" kümmert sich Ihre Drehmomentsteuerung darum, das Drehmoment auf einem bestimmten Wert zu halten, aber es ist egal, wo sich die Position des Greifers befindet oder wie hoch die Geschwindigkeit ist.

Es war auch für mich verwirrend, aber wenn Sie eine Anwendung spezifizieren, denken Sie einfach darüber nach, WAS für Sie am WICHTIGSTEN ist, und verwenden Sie dies als Ihre Kontrollmethode. Sie alle werden im Wesentlichen dasselbe tun, aber es ist eine Art "Rangfolge" für das, was sie am meisten interessiert.