Điều khiển vị trí và Điều khiển vận tốc vs Điều khiển mô-men xoắn

Xin ai đó có thể giải thích cho tôi sự khác biệt giữa Điều khiển vị trí, Điều khiển vận tốc và Điều khiển mô-men xoắn? Cụ thể, tôi đang nghĩ về một cánh tay robot. Tôi hiểu rằng điều khiển vị trí cố gắng kiểm soát vị trí của các bộ truyền động, sao cho tín hiệu lỗi là sự khác biệt giữa vị trí hiện tại và vị trí mong muốn. Kiểm soát vận tốc sau đó đang cố gắng kiểm soát vận tốc của từng bộ truyền động và kiểm soát mô-men xoắn đang cố gắng kiểm soát mô-men xoắn của mỗi bộ truyền động.

Tuy nhiên, tôi không hiểu tại sao những thứ này không giống nhau. Nếu bạn muốn gửi một cánh tay robot đến một vị trí nhất định, thì bạn có thể sử dụng điều khiển vị trí. Nhưng để di chuyển một thiết bị truyền động đến một vị trí nhất định, bạn cần phải cung cấp cho nó một vận tốc. Và để cho nó một vận tốc, bạn cần phải cho nó một mô-men xoắn. Do đó, cho dù lỗi là ở vị trí, vận tốc hoặc mô-men xoắn, nó dường như luôn quay trở lại chỉ là lỗi trong mô-men xoắn. Tôi đang thiếu gì?

Mô-men xoắn tương tự như lực cho các hệ quay, trong đó:

Ở đâu $\alpha$ là gia tốc góc và $I$ là thời điểm quán tính. $m$ và $a$ lần lượt là khối lượng và gia tốc tuyến tính.

Vì vậy, theo một cách nào đó, bộ điều khiển vị trí, bộ điều khiển vận tốc và bộ điều khiển gia tốc (mô-men xoắn) là tất cả các cách thực hiện khác nhau vì mỗi phần là tích phân của vị trí tiếp theo - là tích phân của vận tốc và vận tốc là tích phân của sự tăng tốc.

Trường hợp khác nhau là cách bạn áp dụng bộ điều khiển. Điều này thường phụ thuộc vào những gì bạn quan tâm. Ví dụ, bạn đang cố kiểm soát vị trí, như trong động cơ servo? Bạn đang cố gắng để điều chỉnh tăng tốc, như trong thang máy bệnh viện?

Thông thường bạn sẽ có một số đặc điểm kỹ thuật bạn đang cố gắng đáp ứng. Sau đó, với thông số kỹ thuật của bạn, bạn có thể sử dụng các hướng dẫn PID điển hình để xây dựng bộ điều khiển cho khía cạnh cụ thể đó. Đó là, nếu bạn làm việc ở "cấp độ" cụ thể đó: vị trí, vận tốc hoặc gia tốc, thì bạn có thể thiết kế cho một thời gian tăng, vượt quá và giảm xóc cụ thể.

Sự khác biệt là bạn đang thiết kế vượt quá tốc độ , hoặc vượt quá vị trí .

Nói chung tôi sẽ nói đầu ra của bộ điều khiển đi vào điện áp động cơ, vì vậy trong khi đầu ra của bộ điều khiển luôn giống nhau (vôn động cơ) thì đầu vào và mức tăng là khác nhau, với mong muốn đạt được một bộ thông số vận hành khác nhau.

Tôi sẽ đóng lại bằng cách chỉ ra rằng đầu ra của bộ điều khiển động cơ là điện áp đầu cuối bởi vì đó là cách người ta điều chỉnh dòng điện động cơ. Dòng điện động cơ, lần lượt, tạo ra mô-men xoắn thông qua hằng số mô-men xoắn động cơ .

Vì vậy, cuối cùng, mọi bộ điều khiển đều điều chỉnh mô-men xoắn của động cơ, nhưng với các mục tiêu cuối cùng khác nhau - điều khiển gia tốc, vận tốc hoặc vị trí của động cơ. Một lần nữa, những gì bạn đang cố kiểm soát phụ thuộc vào ứng dụng và sẽ ảnh hưởng đến lợi nhuận bạn chọn.

Tôi sẽ có một chút khác biệt với Chuck .

Điều khiển mô-men xoắn là gì?

Đối với tôi, Torque Control là về việc thực hiện di chuyển với một mô-men xoắn được xác định rõ ràng, thay vì coi mô-men xoắn chỉ là phương tiện đến cuối điều khiển Vị trí hoặc Vận tốc.

Thông thường khi bạn di chuyển robot, bạn chỉ định vị trí và tốc độ, với robot được phép sử dụng bất kỳ và tất cả mô-men xoắn tối đa, cần thiết để đạt được hai mục tiêu đó.

Khi bạn chỉ định di chuyển với thành phần Mô-men xoắn, bạn đang nói rằng bạn muốn sử dụng mô-men cụ thể đó cho di chuyển đó. Thật dễ dàng để minh họa điều này với một ví dụ.

Ví dụ: nhặt một quả trứng

Hãy nói rằng bạn muốn robot của bạn cầm một quả trứng. Trứng là một hình cầu mỏng manh có kích thước thay đổi (hơi).

Không có điều khiển mô-men xoắn

Lý tưởng nhất là bạn sẽ phải biết hướng của quả trứng và kích thước chính xác dọc theo trục kẹp. Sau đó, bạn phải đóng dụng cụ kẹp nhỏ hơn một chút so với kích thước trục kẹp đó và dựa vào lỗi giữa vị trí được yêu cầu và thực tế để áp dụng lượng lực chính xác để kẹp trứng an toàn.

Hiệu ứng bậc hai này rất mong manh và có thể dẫn đến việc trứng bị rơi khi động cơ bắt đầu già và cung cấp ít mô-men xoắn hơn hoặc bắt đầu nghiền nát trứng nếu các thông số của PID được điều chỉnh để (nói) cải thiện độ chính xác của vị trí hoặc vận tốc.

Vì trứng không đồng đều, nếu bạn không thể đo kích thước trục kẹp cho từng quả trứng, thì bạn sẽ cần phải tìm ra vị trí kẹp thỏa hiệp.

Trứng quá nhỏ và lớn sẽ bị phá vỡ bởi lực tác dụng, trứng quá lớn và nhỏ sẽ không được kẹp chặt. Nếu có đủ sự thay đổi giữa những quả trứng nhỏ nhất và lớn nhất, có thể không có vị trí thỏa hiệp nào sẽ không nghiền nát hoặc làm rơi một số quả trứng.

Với điều khiển mô-men xoắn

Với điều khiển mô-men xoắn, bạn có nhiều điều khiển tốt hơn, dễ dự đoán hơn. Bạn đang chỉ định mô-men xoắn là hiệu ứng thứ tự đầu tiên và có quyền kiểm soát trực tiếp trên nó.

Thông thường, bạn sẽ bắt đầu bằng cách di chuyển dụng cụ kẹp mà không cần Torque Control chỉ lớn hơn quả trứng lớn nhất, sau đó di chuyển dụng cụ kẹp với Torque Control thành nhỏ hơn quả trứng nhỏ nhất. Ngay khi đạt được giới hạn mô-men xoắn, động cơ sẽ ngừng chuyển động và trứng sẽ được kẹp với lực chính xác cần thiết.

Tại sao không sử dụng điều khiển Torque mọi lúc?

Bạn thường chỉ sử dụng Torque Control khi bạn thực sự cần nó bởi vì Torque Control trực tiếp có nghĩa là từ bỏ quyền kiểm soát vị trí và vận tốc.

Bạn có thể tiến gần đến Điều khiển mô-men xoắn trực tiếp bằng cách áp dụng giới hạn Mô-men xoắn cho di chuyển Vị trí / Vận tốc tiêu chuẩn, nhưng bạn phải cẩn thận, vì giới hạn mô-men xoắn phải cao hơn mô-men xoắn tối thiểu cần thiết để đạt được những chuyển động đó.

Áp dụng giới hạn mô-men quá thấp có thể dễ dàng gây ra các lỗi sau (vị trí thực tế nằm sau vị trí yêu cầu, dẫn đến kiểm soát kém) và thậm chí có thể ngăn robot di chuyển đến vị trí đích của nó (nếu giới hạn mô-men xoắn thấp hơn mô-men xoắn yêu cầu để thực hiện di chuyển, do ma sát, ma sát hoặc trọng lực để đặt tên nhưng một vài yếu tố có thể).

Biến chứng

Có một số tình huống mà bạn cần áp dụng một lực nhỏ hơn lực của hệ thống. Bởi vì ma sát tĩnh sẽ ngăn chặn lực cần thiết được áp dụng, nên thực tế sẽ không có lực nào được áp dụng. Đây có thể là trường hợp với một số động cơ ổ đĩa trực tiếp chẳng hạn. Trong trường hợp đó, hệ thống Điều khiển mô-men xoắn của bạn có thể cần có thể áp dụng nhanh một lực cao hơn để vượt qua ma sát tĩnh, nhưng sau đó nhanh chóng trở lại Mô-men xoắn yêu cầu, do đó lực dư thừa không được áp dụng.

Phần kết luận

Điều khiển mô-men xoắn là một kỹ thuật quan trọng đối với một số ứng dụng, nó là thứ mà cơ thể chúng ta coi là quyền, nhưng hệ thống Robot phải được cấu hình rõ ràng cho.

Tôi nghĩ câu trả lời của Mark Booth là tốt nhất. Đã nói về sự khác biệt ứng dụng giữa các chế độ, mà không đi vào lý thuyết hoặc làm mất tập trung từ câu hỏi ban đầu.

Nếu tôi có thể mở rộng thêm một chút để làm rõ hơn:

Mỗi chế độ sử dụng phương thức được chỉ huy làm hình thức điều khiển CHÍNH, và nó chỉ kiểm soát các tham số khác bằng cách giới hạn.

Như Mark đã đề cập ở trên, bạn có thể sử dụng CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ với GIỚI HẠN về mô-men xoắn và vận tốc .... bộ điều khiển sẽ cố hết sức để đến vị trí đó trong giới hạn được cung cấp, nhưng không nỗ lực để đáp ứng bất cứ điều gì được chỉ định bởi vận tốc hoặc giới hạn mô-men xoắn. Do đó, bạn có thể đến vị trí chỉ huy của mình với tốc độ 10in / giây mặc dù giới hạn của bạn được đặt ở mức 40in / giây.

Về cơ bản, bất kể bạn chọn chế độ nào, lệnh di chuyển sẽ cố gắng đáp ứng tiêu chí đó trước và sẽ bỏ qua hai tiêu chí kia (ngoài giới hạn).

Nếu VELOCITY là điều quan trọng nhất bạn cần kiểm soát, chẳng hạn như băng tải ... thì hãy sử dụng Chế độ vận tốc. Nếu Mô-men xoắn là quan trọng, chẳng hạn như không xé một trang web hoặc làm quá tải một cái gì đó, thì hãy sử dụng Chế độ mô-men xoắn.

Tôi nghĩ nơi khó hiểu là giữa chế độ VELOCITY và chế độ VỊ TRÍ. Có thể cho rằng, bạn có thể điều khiển một băng tải bằng cách sử dụng VỊ TRÍ VỊ TRÍ và chỉ cần đặt giới hạn cho tốc độ mà lệnh chuyển động có thể sử dụng. Cuối cùng, sau khi đạt được tốc độ, băng tải của bạn sẽ di chuyển với vận tốc được chỉ định trong DI CHUYỂN VỊ TRÍ. Tuy nhiên, nếu bạn cần điều chỉnh tốc độ của mình một chút, thì VỊ TRÍ VỊ TRÍ làm cho điều này trở nên khó khăn. Bây giờ bạn phải tìm một vị trí mới để di chuyển đến và tăng hoặc giảm giới hạn về "tốc độ tối đa" của bạn. Điều này dễ dàng hơn nhiều nếu bạn chỉ sử dụng điều khiển VELOCITY, vì vị trí của một băng tải về cơ bản là theo chu kỳ và vô hạn. Bạn chỉ có thể điều chỉnh tăng hoặc giảm tốc độ của lệnh vận tốc của mình và bạn KHÔNG THỰC SỰ CẨN THẬN nơi vị trí của băng tải. Cụ thể là

Với ví dụ "robot trứng" ở trên, điều khiển mô-men xoắn của bạn quan tâm đến việc giữ mô-men xoắn ở một giá trị cụ thể, nhưng nó không quan tâm vị trí của dụng cụ kẹp ở đâu, hoặc vận tốc là gì.

Điều đó cũng gây nhầm lẫn cho tôi, nhưng khi bạn đang sử dụng một ứng dụng, chỉ cần nghĩ về NHỮNG GÌ QUAN TRỌNG NHẤT đối với bạn và sử dụng nó làm phương pháp kiểm soát của bạn. Tất cả họ về cơ bản sẽ làm điều tương tự, nhưng đó là một "thứ tự ưu tiên" cho những gì nó quan tâm nhất.