Réglage PID de l’actionneur d’articulation harmonique HPJM : comment réduire les vibrations de positionnement

Des oscillations de positionnement peuvent survenir lorsqu'une articulation de robot oscille de manière répétée autour de la position commandée ou ne se stabilise pas correctement après avoir atteint la cible. Pour un actionneur harmonique de haute précision, ce comportement est souvent lié à l'interaction entre les paramètres PID, les conditions de charge, les caractéristiques de transmission et la structure mécanique.

L' actionneur à joint harmonique HPJM est doté d'une interface PID configurable permettant d'ajuster les paramètres de contrôle de vitesse et de position en fonction des charges et des conditions de fonctionnement. La boucle de courant est calibrée avant livraison, tandis que les boucles de vitesse et de position peuvent être ajustées par l'utilisateur si nécessaire.

Cet article explique la structure de contrôle PID de l'actionneur à joint harmonique HPJM, le rôle des principaux paramètres PID et une procédure pratique pour réduire les fluctuations de positionnement via CAN, CANopen, EtherCAT ou le logiciel Magic.

Pourquoi observe-t-on des vibrations de positionnement dans un actionneur articulaire de robot ?

Une articulation de robot ne fonctionne pas comme un simple moteur. Le système de mouvement complet comprend le moteur, la transmission harmonique, l'encodeur, les roulements, le carter mécanique, la charge et le système de servocommande.

Une fois la position commandée atteinte, le contrôleur compare en permanence la position cible à la position réelle. Si la réponse du contrôleur est trop brusque compte tenu des caractéristiques mécaniques de l'articulation, l'actionneur peut corriger la position de manière répétée dans des directions opposées.

Cela peut se présenter comme suit :

• De petites oscillations autour de la position cible

• Corrections répétées en avant et en arrière

• Vibrations audibles ou visibles

• Temps de stabilisation plus long

• Mouvement instable sous certaines charges

Par conséquent, les fluctuations de positionnement ne doivent pas être automatiquement imputées au réducteur harmonique ou à l'encodeur. Dans de nombreux cas, les paramètres PID doivent être adaptés à la charge réelle et aux conditions mécaniques de l'articulation du robot.

Comment fonctionne la régulation PID dans l'actionneur à joint harmonique HPJM ?

La régulation PID détermine la sortie de contrôle en fonction de l'erreur entre la valeur commandée et la réponse réelle du système.

Les trois composantes de base sont :

P — Proportionnel

Le terme proportionnel réagit à l'amplitude de l'erreur de courant. Un gain proportionnel plus élevé rend généralement le système de commande plus sensible aux écarts de position ou de vitesse.

I — Intégrale

Le terme intégral accumule l'erreur au fil du temps et est principalement utilisé pour réduire l'erreur en régime permanent ou l'écart résiduel.

D — Dérivée

Le terme dérivé réagit au taux de variation de l'erreur et peut fournir un amortissement anticipé lors de changements dynamiques.

Dans l'architecture de contrôle HPJM, les boucles sont disposées en structure en cascade :

Boucle de courant → Boucle de vitesse → Boucle de position

La boucle de courant est la boucle la plus interne et contrôle directement le courant moteur et le couple électromagnétique. La boucle de vitesse contrôle la vitesse du moteur, tandis que la boucle de position contrôle la position finale.

Les paramètres de la boucle de courant sont calibrés avant la livraison et ne doivent généralement pas être modifiés par l'utilisateur.

Pour un réglage spécifique à l'application, les principaux paramètres à ajuster sont :

Boucle de vitesse P → Boucle de vitesse I → Boucle de position P → Boucle de position D

Pourquoi faut-il ajuster les paramètres PID en fonction de la charge ?

Un actionneur à joint harmonique peut être installé dans différentes applications robotiques avec des charges mécaniques très différentes.

Par exemple, un même actionneur HPJM peut présenter des caractéristiques dynamiques différentes lorsqu'il est installé dans :

• Une articulation de bras robotique

• Une articulation de robot humanoïde

• Un robot collaboratif léger

• Un mécanisme de tête rotative

• Un manipulateur robotique compact

La charge influe sur l'inertie, le frottement, la réponse en accélération et les caractéristiques de résonance mécanique de l'articulation complète.

Par conséquent, les paramètres PID qui fonctionnent bien dans une condition de charge donnée peuvent ne pas offrir les mêmes performances de positionnement dans une autre condition.

C’est pourquoi le réglage PID doit être effectué sous la charge de fonctionnement réelle ou représentative plutôt qu’en utilisant un seul ensemble de paramètres pour chaque application.

Comment régler la boucle de position de l'actionneur à joint harmonique HPJM ?

La boucle de position influe directement sur la façon dont l'articulation du robot réagit aux erreurs de position.

Boucle de position Gain P

Le gain proportionnel à la position détermine l'intensité de la réaction de l'actionneur à une erreur de position.

Si le gain de position P est trop faible, l'actionneur peut réagir lentement ou présenter une rigidité de positionnement insuffisante.

Si le gain de position P est trop élevé, l'actionneur peut corriger en permanence de petites erreurs de position et produire des oscillations ou des tremblements de positionnement autour de la cible.

Par conséquent, en cas de tremblement de positionnement, la réduction du gain P de position peut être l'un des paramètres à étudier.

La valeur appropriée dépend de la charge réelle, de la rigidité mécanique, des caractéristiques du réducteur et de la réponse souhaitée.

Boucle de position D Gain

Le gain de la dérivée de position réagit aux variations de l'erreur de position et peut influencer les caractéristiques d'amortissement de la boucle de position.

Un gain D excessivement élevé peut introduire des oscillations ou rendre la réponse articulaire instable, en particulier en présence de bruit de mesure ou de vibrations mécaniques.

Les positions P et D doivent donc être considérées ensemble plutôt que d'être ajustées indépendamment sans observer le mouvement qui en résulte.

Comment régler la boucle de vitesse de l'actionneur à joint harmonique HPJM ?

La boucle de vitesse constitue la couche intermédiaire entre la boucle de courant et la boucle de position.

Gain P de la boucle de vitesse

Le gain proportionnel à la vitesse détermine l'intensité de la réponse à une erreur de vitesse.

Si le gain est trop faible, l'actionneur risque de présenter une réponse en vitesse plus lente.

Si le gain est trop élevé, la boucle de vitesse peut devenir instable dans certaines conditions de fonctionnement.

Boucle de vitesse I Gain

Le paramètre d'intégrale de vitesse accumule l'erreur de vitesse au fil du temps et contribue à éliminer les écarts de vitesse persistants.

Cependant, une action intégrale excessive peut affecter le comportement de stabilisation de l'actionneur et augmenter le temps nécessaire à la stabilisation du système.

La boucle de vitesse doit donc être réglée en tenant compte de la charge mécanique réelle et des conditions de fonctionnement.

Séquence de réglage PID recommandée pour l'actionneur à joint harmonique HPJM

Un processus de réglage pratique ne devrait pas modifier plusieurs paramètres de manière aléatoire et simultanée.

La procédure de base est la suivante :

Arrêter l'actionneur → Modifier les paramètres PID → Enregistrer les paramètres → Réactiver l'actionneur → Tester le mouvement → Répéter si nécessaire

Avant de modifier les paramètres, l'actionneur doit être placé à l'arrêt ou désactivé.

Pour HPJM, les utilisateurs peuvent accéder aux paramètres PID via les interfaces de communication prises en charge ou le logiciel Magic.

Une séquence d'accordage typique est :

1. Vérifier l'installation mécanique et la charge

Assurez-vous que l'actionneur du joint harmonique est correctement installé et fonctionne dans les conditions de charge prévues.

2. Confirmer les paramètres de la boucle de courant

La boucle actuelle a été calibrée avant la livraison et devrait généralement rester inchangée.

3. Ajuster la boucle de vitesse

Ajustez les paramètres P et I de la boucle de vitesse en fonction de la réponse de l'actionneur sous la charge réelle.

4. Ajuster la boucle de position

Ajustez les positions P et D pour obtenir la réponse de positionnement souhaitée sans oscillation excessive.

5. Tester l'actionneur

Effectuez des mouvements de positionnement répétés et observez le dépassement, le comportement de stabilisation, les vibrations et les fluctuations de positionnement.

6. Enregistrez les paramètres

Une fois le fonctionnement stable obtenu, enregistrez les paramètres pour conserver les nouveaux réglages.

Cette approche séquentielle facilite l'identification du paramètre responsable d'un changement de comportement.

Réglage des paramètres PID via CAN, CANopen et EtherCAT

L'actionneur à joint harmonique HPJM permet d'accéder aux paramètres PID via différentes interfaces de communication.

Interface CAN

Via l'interface CAN, les utilisateurs peuvent lire et écrire les paramètres PID pertinents des boucles de vitesse et de position.

L'interface peut être utilisée pour :

• Lire les paramètres de la boucle de vitesse

• Lire les paramètres de la boucle de position

• Paramètres de boucle d'écriture

• Écrire les paramètres de la boucle de position

• Enregistrer les paramètres modifiés

Cela permet au contrôleur hôte ou au logiciel de mise en service d'ajuster l'actionneur en fonction des exigences de l'application.

Interface CANopen

Pour les systèmes basés sur CANopen, les paramètres PID sont accessibles via les index du dictionnaire d'objets correspondants.

L'interface HPJM comprend des objets pour les paramètres de boucle de vitesse et de boucle de position, permettant au contrôleur hôte de lire ou de modifier les valeurs correspondantes.

Interface EtherCAT

Pour les applications EtherCAT, les objets correspondants peuvent également être utilisés pour accéder aux paramètres PID.

Cela rend le HPJM adapté aux systèmes de commande de robots où l'actionneur doit être intégré dans une architecture de contrôle de mouvement centralisée basée sur EtherCAT.

Pour des informations détaillées sur l'index, le sous-index, les commandes et le format des données, les ingénieurs doivent se référer à la documentation du protocole de communication HPJM.

Comment enregistrer les paramètres PID après réglage ?

Modifier un paramètre PID ne signifie pas nécessairement que la nouvelle valeur a été enregistrée de manière permanente.

Une fois le processus de réglage terminé, les paramètres doivent être enregistrés à l'aide de la commande d'enregistrement correspondante.

Pour HPJM, l'opération d'enregistrement des paramètres peut être effectuée via l'interface de communication prise en charge.

Le flux de travail de base est le suivant :

Ajuster → Tester → Confirmer → Enregistrer

Ceci est particulièrement important lors de la mise en service, car sinon un paramètre qui semble fonctionner pendant les tests risque de ne pas être conservé après le redémarrage de l'actionneur.

Utilisation du logiciel Magic pour régler l'actionneur de joint harmonique HPJM

Pour les utilisateurs qui préfèrent une mise en service graphique plutôt que l'envoi direct de commandes CAN ou CANopen, le HPJM peut être réglé via le logiciel Magic.

La procédure générale est la suivante :

Étape 1 — Exécuter Magic Software en tant qu'administrateur

Faites un clic droit sur le logiciel Magic et sélectionnez « Exécuter en tant qu'administrateur ».

Étape 2 — Rechercher le moteur

Sélectionnez « Recherche de périphérique » dans le menu supérieur pour détecter l'actionneur HPJM connecté.

Étape 3 — Sélectionner le protocole de communication

Sélectionnez le protocole de communication approprié, tel que CAN ou CANopen, en fonction de la configuration réelle du système.

Étape 4 — Sélectionner le canal de communication

Sélectionnez le canal 1 ou le canal 2 en fonction de l'interface matérielle de l'analyseur.

Étape 5 — Sélectionnez le débit en bauds

Définissez le débit de communication en fonction de la configuration système réelle.

Étape 6 — Sélectionnez la plage d'identifiants

Configurez la plage d'identifiants de périphérique appropriée pour l'actionneur connecté.

Étape 7 — Vérifier que l'actionneur est arrêté

Activez brièvement le moteur si nécessaire pour la confirmation de la communication, puis désactivez-le et assurez-vous que l'actionneur est à l'arrêt avant de modifier les paramètres PID.

Étape 8 — Modifier et tester les paramètres PID

Ajustez les paramètres PID requis et activez l'actionneur pour les tests.

Observez la réponse de positionnement et répétez le processus de réglage si nécessaire.

Étape 9 — Enregistrer les paramètres

Une fois la réponse souhaitée obtenue, enregistrez les paramètres via le logiciel.

Que doivent vérifier les ingénieurs avant d'augmenter le gain PID ?

Le réglage PID ne doit pas être la première solution à tous les problèmes de positionnement.

Avant d'augmenter le gain, les ingénieurs doivent s'assurer que le système mécanique est correctement assemblé.

Les facteurs importants comprennent :

Installation mécanique :

Vérifiez la rigidité du montage, l'alignement de l'arbre, la fixation et la connexion de la charge.

Condition de charge :

Vérifiez que la charge et l'inertie réelles se situent dans la plage de fonctionnement prévue de l'actionneur.

État de la transmission :

Vérifiez la présence de frottements anormaux, d'interférences mécaniques ou de problèmes de transmission.

Commentaires de l'encodeur :

Vérifiez que le retour d'information de position est stable et exempt de bruit anormal.

Communication:

Vérifiez si la transmission des commandes et la communication de retour d'information fonctionnent correctement.

Mode de fonctionnement :

Assurez-vous que l'actionneur est testé dans le mode de commande prévu.

Si le système mécanique lui-même présente des vibrations excessives ou une instabilité, le simple fait d'augmenter le gain PID risque d'aggraver le problème.

Pourquoi la conception d'un actionneur à joint harmonique intégré est-elle importante pour le réglage PID ?

Les performances de contrôle d'une articulation de robot dépendent de bien plus que du servomoteur lui-même.

Un actionneur à joint harmonique intégré combine plusieurs composants qui influencent directement la réponse de commande, notamment le moteur, le réducteur harmonique, l'encodeur, l'électronique d'entraînement, les roulements et le boîtier mécanique.

Cette architecture intégrée permet d'associer ces composants pendant le développement au lieu de les sélectionner indépendamment et de les combiner lors de l'étape finale d'intégration du système.

Pour les fabricants de robots, cela peut simplifier la mise en service car l'actionneur a déjà été développé autour d'une architecture moteur-transmission-rétroaction définie.

Le réglage PID restant peut alors se concentrer principalement sur l'adaptation de l'actionneur à la structure et à la charge spécifiques du robot.

Ceci est particulièrement précieux pour des applications telles que les robots humanoïdes, les bras robotiques, les robots collaboratifs et autres systèmes robotiques multi-axes où chaque articulation peut subir des conditions d'inertie et mécaniques différentes.

Actionneur de joint harmonique HPJM : de l’étalonnage en usine au réglage spécifique à l’application

La série HPJM adopte une approche pratique du contrôle des articulations des robots.

La boucle de courant du moteur est calibrée avant la livraison, ce qui permet de définir une base prédéfinie pour la commande du moteur. Les utilisateurs peuvent ensuite ajuster les boucles de vitesse et de position en fonction des exigences réelles de leur application.

Cette approche permet d'adapter la même plateforme d'actionneur à joint harmonique à différentes charges mécaniques et applications robotiques sans obliger les utilisateurs à repenser l'ensemble de l'architecture de servocommande.

Pour les équipes d'ingénierie qui développent des articulations robotiques, l'essentiel n'est pas de rechercher un paramètre PID universel.

L'objectif est plutôt de trouver une combinaison de paramètres stable qui corresponde à :

Actionneur + Transmission harmonique + Structure mécanique + Charge + Profil de mouvement

Lorsque ces facteurs sont correctement ajustés, le HPJM peut assurer un positionnement stable et un mouvement réactif tout en minimisant les oscillations et les vibrations inutiles.

Conclusion

Les vibrations de positionnement dans une articulation de robot sont souvent un problème systémique plutôt qu'un problème causé par un seul composant.

Pour l'actionneur à joint harmonique HPJM, la boucle de courant est calibrée avant la livraison, tandis que les boucles de vitesse et de position peuvent être ajustées en fonction de la charge réelle et des conditions d'application.

Un processus de réglage pratique doit se concentrer sur la relation entre les paramètres P/I de la boucle de vitesse et P/D de la boucle de position, tout en tenant compte de l'installation mécanique, de l'inertie de la charge, des caractéristiques de transmission, du retour d'information de l'encodeur et des performances de communication.

Que le HPJM soit intégré via CAN, CANopen, EtherCAT ou le logiciel Magic, l'approche recommandée consiste à effectuer des modifications de paramètres contrôlées, à tester l'actionneur dans des conditions représentatives et à enregistrer les paramètres une fois les performances stables atteintes.

Pour les ingénieurs développant des robots humanoïdes, des bras robotisés, des robots collaboratifs et d'autres systèmes robotiques de précision, un réglage PID approprié peut aider l'actionneur à joint harmonique à atteindre un meilleur équilibre entre la précision du positionnement, la vitesse de réponse et la stabilité du mouvement.