HONPINE HPJM 谐波关节电机：位置模式与速度模式——如何选择合适的控制模式？

您好，我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。在与客户合作时，我经常遇到的一个问题是：谐波关节电机的位置模式和速度模式有什么区别？

这两种模式都广泛应用于机器人运动系统，但适用于不同的控制需求。模式选择不当可能会影响运动精度、运行效率和系统安全。

本文将以 HONPINE HPJM 谐波关节电机为例，介绍位置模式和速度模式的工作原理、两者的区别，以及分别适用的应用场景。

1. 机器人关节电机的位置模式是什么？

位置模式控制电机移动到指定的目标位置，通常采用三环闭环控制架构：

位置环 → 速度环 → 电流环

外层位置环使用 PID 控制器，将目标位置与实际位置进行比较。目标位置通常以编码器计数值（cnt）表示，对应特定的角位置。

位置控制器为内层速度环生成速度指令。随后，电机控制器根据配置的运动曲线管理加速和减速，驱动关节转向目标角度。

到达目标位置后，控制器通过闭环控制保持指令位置。

跟随误差监测：控制器监测目标位置与实际位置之间的差值。如果跟随误差超过设定阈值，电机可根据驱动器的保护配置触发故障代码 0x8611（跟随误差）并停止运行。

此功能尤其适用于关节必须到达指定角度并保持位置的应用。

2. 机器人关节电机的速度模式是什么？

速度模式直接控制电机的转速，通常采用双环闭环控制架构：

速度环 → 电流环

与位置模式不同，速度模式不通过启用的位置环来指令目标角度。相反，控制器接收目标转速指令，电机侧指令单位为 0.01 Hz。

电机根据给定指令调节转速；只要电机处于使能状态且收到非零速度指令，就会持续旋转。

在此模式下：

电机控制的是转速，而非目标角位置。

关节到达特定角度时，电机不会自动停止。

电机不会通过外层位置环主动校正位置跟随误差。

因此，无法以与位置模式相同的方式提供跟随误差保护。

重要提示：速度模式并不意味着电机没有保护。但是，如果机械负载发生卡滞，电机可能会按照电流限制和保护设置继续输出转矩。上位控制器必须实现适当的电流监测、堵转检测和行程限位保护。

3. 何时应使用位置模式？

当机器人关节需要到达指定角度、在设定位置之间移动或保持目标姿态时，通常优先选择位置模式。

典型应用包括人形机器人、康复外骨骼、协作机械臂、云台系统和往复运动机构。

人形机器人关节：髋、膝、踝、肩和肘

应用需求：

在行走、下蹲、起立及其他动作过程中，每个关节都必须移动到目标角度并保持所需姿态。

推荐模式：位置模式

上位运动规划器计算每个关节的目标角度，并将其转换为相应的编码器计数值（cnt），再将这些位置指令发送至 HPJM 电机。

电机内部的三环控制系统管理关节向各目标位置运动的过程，包括加速、减速和位置保持。

这样，主控制器便可专注于协调机器人的整体运动，而不必在外部实现每个关节的底层位置环。

保护注意事项：

如果关节发生机械卡滞或遇到过大阻力，跟随误差可能超过设定阈值，触发 0x8611 跟随误差故障并使电机停止；前提是相关保护功能已启用且配置正确。

调试建议：

对于下蹲和起立等高负载动作，应避免将位置环 Kp 增益设得过高，以免引发振动或振荡。

一种实用的调试顺序是先优化速度环 Kp 和 Ki 增益，再调整位置环增益。如果控制器支持且应用有此需求，还可以调整位置环 Kd。

加速度设置也应与关节惯量相适应。加速度过大可能会增加跟随误差并触发故障，尤其是在关节承载较大惯性负载时。

康复外骨骼关节：步行辅助和康复训练

应用需求：

外骨骼需要引导用户肢体移动到指定关节角度、保持目标姿态，并在出现异常阻力时作出安全响应。

推荐模式：位置模式

控制器根据康复程序设定目标关节角度，随后由电机驱动关节移动到指定位置。

安全注意事项：

如果用户抵抗运动，或外部负载过大，位置跟随误差可能超过设定阈值并触发故障。

不过，仅依靠跟随误差保护不足以确保人机交互安全。康复外骨骼还应配备适当的转矩或力限制、机械行程限位、急停装置和独立安全机制。

协作机器人和小型机械臂

应用需求：

机器人需要在设定位置之间移动、执行取放操作，并保持指定的关节姿态。

推荐模式：位置模式

上位控制器向关节电机发送目标位置。可以配置多个目标位置，以实现简单的点到点运动。

例如，在电机基本调试过程中，可以反复指令电机移动到不同目标位置，进行正向和反向定位测试。

位置模式适用于要求关节重复定位并具有明确运动终点的应用。

云台系统和往复运动执行器

应用需求：

机构需要旋转到指定角度、停止并保持在该位置，然后再开始下一次运动。

推荐模式：位置模式

控制器发送目标编码器计数值（cnt），电机移动到对应角位置后，通过闭环控制保持该位置。

位置模式的局限：

对于要求以指定速度连续无限旋转的应用，位置模式通常不是首选。

对于减速比高的电机，工程师还必须注意编码器计数值与实际输出角度之间的换算。对于双编码器配置，必须区分电机侧和输出侧编码器读数，并确认适用的单圈或多圈计数方式。

4. 何时应使用速度模式？

当机构需要以指定速度连续旋转，或由上位控制器负责位置和轨迹控制时，通常优先选择速度模式。

在这种配置中，电机调节自身转速，主控制器则处理外部反馈并确定所需的速度指令。

重要安全注意事项：速度模式不具备与位置模式相同的位置跟随误差监测功能。如果机械系统发生卡滞，电机可能会在设定限值内继续输出转矩。因此，上位控制系统必须实现适当的行程限位、堵转检测和电流阈值监测。

移动机器人驱动轮

应用需求：

机器人关节电机也可用作移动机器人车轮的驱动电机。车轮需要以指定速度旋转，以驱动机器人前进、后退或沿转弯路径行驶。

推荐模式：速度模式

主控制器向电机发送目标转速指令，电机侧指令单位为 0.01 Hz。

电机负责保持指令转速，上位控制器则负责机器人的位置和运动控制。

例如，主控制器可以利用 IMU 和车轮编码器或里程计的反馈，计算所需的车轮转速并估算机器人的运动状态。

保护注意事项：

如果车轮被障碍物卡住，速度模式不会自动生成位置跟随误差故障。电机可能会继续按照电流限制输出转矩。

因此，上位控制器应监测电机电流及其他相关反馈信号。如果电流超过设定阈值或检测到堵转，系统应根据其安全策略降低或停止电机输出。

耐久性测试和连续旋转测试台

应用需求：

在疲劳测试、耐久性测试或长时间性能评估期间，关节电机需要以恒定速度持续旋转。

推荐模式：速度模式

设定固定目标转速，并让电机在所需测试时长内持续运行。

这些应用主要要求转速稳定，而非移动到特定目标位置，因此适合使用速度模式。

测试系统还应配备适当的温度监测、过载保护和急停功能。

5. 速度模式适用于力控制和阻抗控制吗？

不一定。

HONPINE HPJM 电机支持电流模式，以及位置和速度控制模式。对于涉及力控制、转矩控制或阻抗控制的应用，通常比起速度模式，电流模式更适合作为起点。

在电流模式下，控制器直接调节电机电流。由于电机转矩与电机电流相关，因此电流模式可为制定转矩相关控制策略提供基础。

对于阻抗控制和更高级的力控制应用，工程师可能还需要额外的反馈信号，例如输出侧转矩传感，以及外部控制算法。

速度模式仍可用于某些控制架构，但不应将其视为基于电流的转矩控制的直接替代方案。

6. 位置模式与速度模式：主要区别

7. 结论：根据应用选择控制模式

位置模式和速度模式针对不同的运动控制需求设计，两者并不存在绝对的优劣之分。

如果机器人关节需要到达特定角度、执行点到点运动或保持规定姿态，通常更适合使用位置模式。

如果电机需要以指定速度持续旋转，同时由上位控制器管理机器人的位置和运动，通常更适合使用速度模式。

对于力控制和阻抗控制应用，电流模式可能提供更适合的基础。

为 HONPINE HPJM 谐波关节电机选择控制模式时，工程师应综合考虑运动目标、机械负载、控制架构、反馈配置和安全要求。

联系 HONPINE，了解更多关于 HPJM 谐波关节电机、控制模式、技术规格以及机器人应用集成方案的信息。