Тюнинг мотора: Тюнинг двигателя: основные способы модернизации ДВС

Тюнинг двигателя: основные способы модернизации ДВС

Тюнингом называется доработка двигателя в целях увеличения его мощности и эффективности. Модернизация происходит за счет замены заводских деталей, установки новых механизмов и улучшения уже имеющихся систем.

Двигатели современных автомобилей с электронным блоком управления подвергаются также чип-тюнингу – корректировке программы бортового компьютера. Такой метод позволяет повысить мощность агрегата без наддува на 10 %, с наддувом – на 30-40 %.

Достичь наилучших результатов форсирования двигателя можно только в специализированных сервисных центрах, оборудованных профессиональным инструментом и качественными запчастями.

Каждый автомобиль имеет свои конструктивные нюансы, поэтому индивидуальный подход к ТС – залог его оптимальной доработки. По большому счету, в улучшении параметров нуждаются только двигатели гоночных автомобилей, в остальных случаях тюнинг не всегда целесообразен, так как требует больших затрат при спорных результатах.

Далее в статье освещены основные способы модернизации двигателя, отмечены важные моменты, которые необходимо соблюдать при проведении работ, даны общие рекомендации по тюнингу.

Основные способы тюнинга двигателя

Существует два основных способа повышения мощности двигателя:

• Снижение массы движущихся частей
• Установка новых элементов

Так, к примеру, стандартные детали двигателя заменяют на облегченные (поршни, шкивы, маховик и пр.), вместо механических систем устанавливают электрические. Некоторые автовладельцы (особенно это касается водителей гоночных автомобилей) в целях снижения веса снимают с ТС все навесное оборудование.

Рассмотрим наиболее распространенные методы совершенствования двигателя подробнее.

Смена головки блока цилиндров

Сегодня существует множество вариантов головок блока цилиндра, предназначенных специально для тюнинга двигателя. Их соединительные разъемы и патрубки имеют такую же конструкцию, как и стандартные ГБЦ, поэтому при их установке сложностей не возникает.

Помимо специальных головок, выпускаются модифицированные модели для конкретных автомобилей. Стоят они дешевле тюнинговых, однако также привносят новые возможности для двигателя.

Современные ГБЦ с вертикальным и горизонтальным вихрем увеличивают скорость поступления воздуха и в улучшают общие характеристики воздушного потока.

Расточка блока цилиндров

Процедура расточки цилиндров помогает увеличить общий объем двигателя. Операция по увеличению сечения гильз изнутри осуществляется только на специализированном высокоточном станке, позволяющем сохранить их правильную геометрию.

Для расточенных цилиндров подбираются бОльшие по диаметру поршни, так как только идеальное совмещение этих деталей обеспечивает необходимый уровень компрессии двигателя.

Тюнинг клапанов двигателя

Клапаны двигателя пропускают и выпускают воздушный поток. Временем открытия клапанов управляет распределительный вал, а степенью – толкатель.

Впускные клапаны не должны иметь острых углов и «заусенцев», препятствующих прохождению воздуха, поэтому эти элементы должны быть тщательно отполированы. Важно, чтобы клапаны размещались в посадочных местах плотно и без зазоров.

Увеличить количество поступающего воздуха можно путем расширения впускных отверстий или установки большего количества клапанов (16, 20, 24, 32 и т.д.). Последний способ наиболее актуален, так как увеличенные отверстия и большие клапаны уменьшают скорость воздушного потока на низких оборотах, что негативно отражается на крутящем моменте.

Помимо увеличения количества клапанов, устанавливают специальные тюнинговые клапанные пружины.

Замена штатного распредвала

Не менее популярный способ тюнинга, чем расточка блока цилиндров.

Распределительный вал управляет открытием и закрытием клапанов двигателя. Время открытия задается профилем кулачков вала.

В отличие от обычных распредвалов, тюнинговые имеют более высокие и широкие кулачки, позволяющие клапанам подниматься выше и находится в открытом состоянии дольше. Это способствует подаче большего количества топливно-воздушной смеси.

Существует несколько видов модернизированных распределительных валов для умеренной, быстрой и спортивной езды:

• Mild Road Cams: подходят практически для всех автомобилей, улучшают приемистость и мощность двигателя
• Fast Road Cams: идеальны для скоростных автомобилей, увеличивают мощность двигателя, однако нестабильно работают на холостом ходу
• Competition Cams: предназначены для спортивных автомобилей; эффективно повышают мощность двигателя, однако увеличивают расход топлива, обладают неровным холостым ходом и быстро изнашиваются

Спортивные распредвалы непригодны для использования в городских условиях, так как характеризуются максимальной отдачей в области почти предельных частот вращения двигателя (2-3 тыс. оборотов).

Доработка топливной системы

Для повышения мощности двигателя очень важно увеличить количество топливно-воздушной смеси, поступающей в камеру сгорания. Сделать это можно путем доработки топливной системы автомобиля: установки более производительного насоса, топливной рампы с мощными инжекторами, усовершенствования топливного регулятора.

После проведения этих мероприятий обычно требуется использовать бензин с максимальным октановым числом.

Использование строкер-китов

Многие компании производят готовые комплекты (поршни, кольца, шатуны, подшипники и коленвал) для механического тюнинга двигателя. В основном, эти наборы ориентированы на американские восьмицилиндровые двигатели. Их использование изменяет длину хода поршня, увеличивает крутящий момент и в результате добавляет силовому агрегату 10-15 % объема.

Все детали строкер-китов изготавливаются по передовым спортивным технологиям, поэтому имеют больший запас прочности и износостойкости.

В зависимости от оборотистости двигателя существует несколько базовых вариантов строкер-китов с деталями разной высоты, ширины, углом поворота кулачка и прочими характеристиками.

Повышение компрессии двигателя

Повысить компрессию в цилиндрах можно разными способами. Одним из них является использование так называемых высококомпрессионных поршней. Обычно они выполнены из алюминиевого сплава с добавлением кремния, имеют увеличенное компрессионное кольцо и выпуклость на днище.

Высококомпрессионные поршни создают более высокое давление, чем стандартные, чем ускоряют процесс сгорания топлива и повышают мощность двигателя. В процессе работы они выдерживают очень большие нагрузки и температуры, поэтому могут использоваться для комплектации автомобилей с самыми мощными двигателями.

Снизить износ дорогостоящих высококомпрессионных и стандартных поршней помогает их обработка специальными антифрикционными покрытиями с дисульфидом молибдена и графитом.

Ранее они наносились только на заводе-изготовителе, сейчас их применение не ограничено промышленными рамками – защитные составы доступны в компактном и удобном аэрозольном формате.

По-настоящему уникальным средством для восстановления изношенного заводского покрытия является MODENGY Для деталей ДВС. Оно защищает детали при «масляном голодании» и перегреве, предотвращает появление задиров на сопряженных поверхностях и максимально снижает их износ.

Состав используется для юбок поршней, вкладышей распредвалов, дроссельных заслонок, шлицевых соединений, штоков клапанов.

Покрытие наносится после предварительного очищения и обезжиривания поверхностей Специальным очистителем-активатором MODENGY, сохнет при комнатной температуре и не требует возобновления в дальнейшем.

Уровень компрессии двигателя можно увеличить не только с помощью применения специальных поршней, но и путем шлифовки головки блока цилиндров. При этом стандартная прокладка ГБЦ меняется на тюнинговую (выдерживающую избыточное давление).

Различные методы повышения давления не следует применять в двигателях с турбонаддувом – для них свойственна малая компрессия, в противном случае возникает риск детонации и повреждения силового агрегата.

Установка турбокомпрессора или турбонагнетателя

Принудительно закачать во впускной коллектор больше воздуха и создать тем самым более высокое давление могут 2 устройства: турбокомпрессор и турбонагнетатель.

Турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя только при достижении нужного числа оборотов. Промежуток времени от старта двигателя до этого момента называется турболагом.

Турбонагнетатель начинает свою работу сразу, однако при этом отнимает около 30 % мощности силового агрегата.

Установка прямоточного глушителя

Чтобы выхлопные газы легче отделялись от двигателя с турбокомпрессором, устанавливается глушитель без катализатаров, с ровными изгибами или вообще без них. Он оказывает наименьшее сопротивление газам, и при комплексном подходе к тюнингу выхлопной системы прибавляет 15-20 % к мощности двигателя.

Установка дополнительного радиатора

Мощный модернизированный двигатель испытывает экстремальные нагрузки и температуры, поэтому требует более совершенной системы охлаждения.

Именно поэтому, чтобы продлить срок службы силового агрегата после доработки, желательно установить отдельный масляный радиатор и тосольный радиатор большего размера.

Общие рекомендации

Затраты на тюнинг практически не ограничены, поэтому, прежде, чем приступать к доработке двигателя, определитесь с конкретными целями.

Перед покупкой запчастей для тюнинга обязательно проконсультируйтесь у квалифицированных специалистов, а лучше доверьте им весь процесс.

Внимательно относитесь к автомобилю после тюнинга, не пренебрегайте советами мастеров, вовремя меняйте масло и проходите диагностику.

Помните, что в некоторых случаях замена двигателя целесообразнее его доработки.

Тюнинг двигателя — какие способы бывают, плюсы и минусы.

У этого поста — 4 комментария.

Содержание:

• Тюнинг бензинового двигателя.
• Тюнинг дизельного мотора.
• Тюнинг двигателя скутера.

Абсолютно все мировые производители двигателей внутреннего сгорания, используемых для автомашин, вносят в его конструкцию больший запас резервных возможностей. С изобретения Фордом конвейерной сборки автомашин, их конструкция утратила индивидуальные черты, стала усредненной в расчете на среднего автолюбителя. Поэтому любой серийный двигатель можно тюнинговать и добиться индивидуального прироста мощности.

Тюнинг бензинового двигателя.

Смысл тюнинга любого двигателя заключается в увеличении его мощности и КПД. Самый доступный и распространённый способ прибавить лошадей — расточка цилиндров. Данная процедура увеличивает камеру сгорания топлива и как следствие увеличивает силовые возможности движка. Плюсы — мероприятие доступное, недорогое, эффективное. Расточка значительно усиливает двигатель. Минусы — стенки цилиндров становятся тоньше, что негативно сказывается на общем моторесурсе. Снижается надёжность мотора, неоправданно увеличивается расход топлива.

Следующий по популярности вид тюнинга — установка турбины. Этот дополнение к двигателю значительно увеличивает не только мощность, но и КПД силового агрегата. Присутствуют недостатки – турбина эффективно работает на оборотах, превышающих 3000 об/мин.

Также существует способ прибавить мощность мотора, без изменений внутренних деталей. Речь идёт о чип-тюнинге. Данный способ, возможно, реализовать только на современных двигателях, имеющих электронные блоки управления. Например, к карбюраторным автомобилям это не относится. Чип-тюнинг выполняется квалифицированными мастерами, ведь изменению подлежит электроника, управляющая двигателем. Пожалуй, это самый безопасный вид тюнинга, ведь мощность движка увеличивается за счет скрытых возможностей мотора. Чип-тюнинг способен на десять процентов прибавить силовые возможности двигателя. Недостаток данной процедуры один — не качественная прошивка блока управления, которая может привести к различным проблемам, вплоть до выхода из строя электронного блока управления.

Фанаты тюнинга прибегают к ещё одному эффективному дополнению — установка закиси азота. Азот осуществляет прирост мощности на 500 лошадей. Пожалуй, это самый крутой вид тюнинга, придуманный и реализованный на сегодняшний день. Недостаток один — мощность движка увеличивается только при впрыске азота в камеры сгорания.

Тюнинг дизельного мотора.

Дизеля не остались в стороне. Их также активно тюнингуют, просто изменения, вносимые в двигатель, имеют свои особенности. Одной из новинок тюнинга дизелей является система совокупного впрыска Common Rail. Данное устройство формирует давление топлива непосредственно для каждого цилиндра. Производительность мотора увеличивается до 30%. Недостаток один — система дорогая и требует качественной настройки.

Следующий вид тюнинга — турбонадув. Данная конструкция нагнетает дополнительный воздух в камеры сгорания, за счёт чего достигается увеличение мощности. Турбонадув требует своевременного техобслуживания и должного ухода, что трудно отнести к недостатку.

Дизельный двигатель, как и бензиновый можно чиповать. Чип-тюнинг дизеля заключается в установке дополнительного электронного контролера, который имеет способность изменять характеристики системы впрыска. Подобный чип может не только раскрыть скрытые возможности движка, но и сделать его более экономичным. Недостаток один — чип требует тонкой настройки.

Тюнинг двигателя скутера.

Скутера, которые буквально заполонили улицы городов, также активно тюнингуются владельцами. Люди снимают ограничители скорости, ставят карбюраторы с повышенным размером диффузора, меняют обычный глушитель на резонансную трубу, заменяют вариатор спортивным, экспериментируют с системой зажигания, форсируют двигателя. В общем владельцы транспортных средств не жалеют ни энергии, ни денег для реализации своих идей.

Другие похожие статьи:

Настройка серводвигателя

— ракетостроение или прогулка в парке?

В этой статье мы даем обзор настройки серводвигателя на основе ПИД-регулятора (пропорционального, интегрального и дифференциального) и представляем два метода ручной настройки, которые хорошо работают для большого количества систем. Мы также показываем, что «оптимальные» параметры различаются в зависимости от приложения и целей производительности даже для одних и тех же настроек двигателя и усилителя.

История о двух серводвигателях

Существует два типа серводвигателей, обычно используемых для позиционирования: щеточный двигатель постоянного тока, в котором для коммутации двигателя используются механические щетки, и бесщеточный двигатель постоянного тока, также известный как двигатель BLDC, также известный как Синхронный двигатель переменного тока, также известный как двигатель с постоянными магнитами, который электронно коммутируется внешней схемой.

В отличие от шаговых двигателей, которые перемещаются с дискретными шагами положения, серводвигатели не имеют встроенного определения того, где они находятся, и поэтому для управления их положением требуется устройство обратной связи, такое как квадратурный энкодер.

Контур сервопривода (технически контур сервопривода положения) предназначен для перемещения двигателя в определенное место. Он делает это, сравнивая требуемое положение от генератора траектории в любой момент с фактическим положением двигателя и применяя непрерывную корректирующую команду двигателя.

Сервосхемы требуют, чтобы параметры усиления устанавливались пользователем для соответствия различным нагрузкам машины и условиям работы. Чем оптимальнее настроены эти параметры, тем точнее мотор будет отслеживать нужное положение при различных профилях движения.

I ПИД-регулятор, следовательно, я

Теоретики и инженеры разработали ряд схем компенсации сервоприводов за многие годы, но подавляющим фаворитом для позиционирования двигателя является ПИД-контур, что означает «пропорциональный, интегральный, производный».

Как выяснилось, существует несколько различных реализаций цифрового контура ПИД, и эти контуры ПИД подключаются к усилителям разных типов. Чтобы обосновать обсуждение, мы сосредоточимся на контуре положения ПИД-регулятора, показанном на рисунке 1, и подключим выход этого контура к усилителю в режиме крутящего момента, также называемому усилителем в режиме тока. На сегодняшний день это наиболее распространенная общая конфигурация ПИД-регулятора положения и стандартного усилителя.

Рис. 1: ПИД-регулятор положения

Для контура положения ПИД-регулятора необходимо определить три значения: пропорциональный коэффициент усиления (Kp), интегральный коэффициент усиления (Ki) и дифференциальный коэффициент усиления (Kd). Современные поставщики движений предоставляют множество дополнительных опций, в том числе ограничение интеграла, программируемое время производной, коэффициенты прямой связи, смещение двигателя, фильтры зоны нечувствительности и фильтрацию в частотной области, такую ​​как режекторные фильтры или полосовые фильтры. Некоторые из этих концепций будут рассмотрены позже.

Что такое PID и что на самом деле означают эти термины? Причина, по которой ПИД-контур так популярен, заключается в том, что его составные части, P, I и D, можно описать и понять интуитивно.

Член P называется пропорциональным членом, потому что он обеспечивает пропорциональную восстанавливающую коррекцию выходной команды усилителя. При представлении ошибки сервопривода, которая для контура положения представляет собой разницу между желаемым (управляемым) положением и фактическим (измеренным) положением, член P действует как пружина. Чем больше ошибка положения сервопривода, тем больше корректирующая команда восстановления двигателя.

Член I является интегральным (или интегрированным) членом, поскольку он интегрирует во времени ошибку сервопривода положения. Почему это может быть полезно? Поскольку, если доступен только термин P (пропорциональный), может быть трудно достичь точного заданного положения из-за сил или механических проблем, таких как сила тяжести, заедание, блокировка двигателя или другие факторы. Член I накапливается со временем и может привести сервопривод «через горб» в конечное желаемое положение.

Вклад члена D вычисляется путем вычитания предыдущей ошибки сервопривода из текущей ошибки положения сервопривода. Он имеет два основных практических эффекта; он обеспечивает усиление прямой связи всякий раз, когда скорость профиля увеличивается или уменьшается, и обеспечивает коэффициент сопротивления общего назначения, тем самым подавляя колебания.

Поворот ручки на «11»

Итак, как лучше установить эти значения? Начнем с того, что стало, без сомнения, наиболее распространенным подходом к быстрой настройке контура положения. Называемый методом пошаговой реакции, этот подход основан на реакции двигателя на мгновенное изменение заданного положения (шага).

Чтобы заставить этот метод работать, или, если уж на то пошло, любой метод ручной настройки, нам нужно средство отслеживания положения для отображения результатов наших перемещений.

Как минимум, нам нужно отобразить желаемое положение (положение, заданное генератором траектории) и фактическое положение (фактическое измеренное положение двигателя). На рис. 2 показан пример снимка экрана такой системы трассировки, в данном случае относительно сложной системы трассировки, предоставляемой программным обеспечением PMD Pro-Motion® . Вы можете использовать этот или аналогичный сторонний продукт, что-то, что вы разрабатываете сами, или теоретически вы можете даже просто использовать осциллограф.

Рисунок 2: Средство отслеживания желаемого и фактического положения

Если возможно, вы также хотите отобразить команду двигателя (заданное значение крутящего момента для выхода усилителя контуром ПИД), потому что для всех этих процедур мы хотим избегайте запуска двигателя с насыщенной командой. Насыщение вызывает заводнение и, следовательно, искажает точность наших значений PID.

Вот основной подход, используемый для настройки переходной характеристики:

• Инициализируйте параметры I и P равными нулю и установите параметр D равным небольшому ненулевому значению
• Увеличивайте P от нуля до тех пор, пока система не выйдет за пределы диапазона и не покажет недостаточно демпфированную реакцию
• Увеличивайте D до тех пор, пока колебания не станут «критически затухающими»

Повторяйте с шага 2 и увеличивайте P и D до тех пор, пока не найдете самые высокие практические значения, которые все еще могут генерировать движение с критическим демпфированием

На рисунках 3a, 3b и 3c показаны приблизительные следы переходных характеристик с недостаточным, избыточным и критическим демпфированием.

Рис. 3a: Переходная характеристика с недостаточным демпфированием

Рисунок 3b: Реакция на скачок с избыточным демпфированием

Рис. 3c: Реакция на скачок с критическим демпфированием

вы можете отступить на P и D, чтобы успокоиться. Чуть позже мы поговорим о подходах «получить свой пирог и съесть его», когда речь идет о том, чтобы придать двигателю наибольшую «крутизну» сервопривода, сохраняя при этом тихий двигатель.

Мое королевство за маленькую ошибку расчета

Очевидно, что в этом обсуждении отсутствует Ki, ​​интегральный коэффициент усиления. Этот срок вычисляется из суммы текущей и всех предыдущих ошибок сервопривода.

Как мы должны установить этот «исторический» параметр выхода PID? Прежде всего, мы хотим, чтобы интегральный член был как можно меньше. Это связано с тем, что историческое завершение является прямым фактором нестабильности сервопривода или, как выражается в терминах сервоанализа, потери запаса по фазе.

С другой стороны, использование интегрального члена может устранить последний бит ошибки в системе, часто доводя ошибку сервопривода до +/- 1 такта или даже до нуля импульсов для конечного положения двигателя. Таким образом, некоторое количество Ки может принести большую пользу для точности нашей системы.

В дополнение к настраиваемому пределу Ki, коммерческие контроллеры обеспечивают настраиваемый интегральный предельный показатель, или сокращенно Ilim. Илим ограничивает общий вклад интегрального члена, эффективно уменьшая его «память». Это очень полезная функция для уменьшения перерегулирования, которое может произойти из-за зависания.

Хороший начальный подход состоит в том, чтобы максимальный вклад члена I (Ki и Ilim, работающие вместе) составлял 10-25% от максимального вклада члена P (пропорционального). Чтобы во всем этом разобраться, вам, возможно, придется обратиться к руководству вашего контроллера или немного поэкспериментировать, чтобы увидеть, как Kp, Ki и Ilim влияют на выходную команду двигателя.

Нам нужно обойти

Вы можете потратить некоторое время на повторение значений P, D и I, но это не займет много времени, чтобы почувствовать эффект изменения параметров — когда вы должны увеличить, когда вы должны вернуться выключено, и когда вы достигли пика. К сожалению, бывают случаи, когда вы гоняетесь за своим хвостом. Увеличение D приводит к изменению оптимального значения P, что, в свою очередь, приводит к изменению оптимального значения D и т. д.

Почему это происходит? Ответ связан с тем, как перекрываются частотные области различных терминов P, I и D. Члены с более высокими частотами, особенно производный член, влияют на все частоты от низких до высоких. Низкочастотные термины, такие как интеграл, влияют только на низкую частоту. А П где-то посередине.

Для настройки таким образом, чтобы свести к минимуму эти взаимодействия, было бы лучше, если бы мы могли сначала настроить высокочастотную составляющую, затем перейти к значению среднего диапазона и закончить низкочастотной частью.

Вы находитесь в зоне

Это именно то, что делает «настройка на основе зон», второй метод ручной настройки, который мы представим. «На основе зон» относится к частотным зонам терминов P, I и D и взято из превосходной книги Джорджа Эллиса «Руководство по проектированию систем управления», выходящей уже в четвертом издании.

Так как же это работает? В этом методе мы строим зависимость скорости от времени, и желаемый профиль будет ступенчатой ​​функцией скорости (а не положения). Вот подход шаг за шагом:

• Установите профиль таким образом, чтобы он мгновенно ускорялся между нулевой и фиксированной скоростью и возвращался к
• Оставив члены P и I равными нулю, увеличивайте D до тех пор, пока график фактического профиля скорости не будет точно соответствовать желаемому профилю скорости. Не беспокойтесь о том, совпадают ли позиции назначения, на данном этапе вы только исследуете различия в скорости (ошибку скорости). На рис. 4 показана репрезентативная хорошо настроенная скорость в зависимости от времени.
• Теперь настройте свой профилировщик так, чтобы вы использовали движения с ускорениями и скоростями, типичными для вашего приложения, и измените средство захвата, чтобы оно отображало желаемое положение, фактическое положение и ошибку положения.

  Увеличивайте P до тех пор, пока ошибка сервопривода не будет минимизирована. В какой-то момент, когда вы увеличиваете P, движение может иметь сильное превышение или стать нестабильным, и в этот момент вы должны уменьшить это значение как минимум на 25% для конечного значения.

• Как и прежде, доработать, введя интеграл, необходимый для посадки двигателя с требуемой точностью, но не настолько, чтобы ввести

Зональная настройка имеет ряд преимуществ по сравнению с настройкой переходной характеристики. Во-первых, он менее итеративен, поскольку настраивает параметры ПИД-регулятора в порядке частотной характеристики. Таким образом, он должен быстрее приходить к набору параметров управления. Во-вторых, это позволяет вам использовать реальные профили движения с рампами, а не нереалистичные мгновенные скачки положения.

Рис. 4: Настройка на основе зон

Во всех случаях, независимо от того, используется ли ступенчатая характеристика или ручная настройка на основе зон, проверьте движение как в положительном, так и в отрицательном направлении, чтобы убедиться, что параметры усиления хорошо работают в обоих направлениях. .

Сохраняйте реальность

Было бы ошибкой полагать, что один набор параметров ПИД-регулятора оптимизируется для всех применений системы управления движением. Некоторые системы должны иметь очень безопасные, консервативные параметры сервопривода. Другие могут иметь агрессивные параметры, которые оптимизируют определенную характеристику, такую ​​как время передачи от точки к точке. Другие подчеркивают очень маленькие ошибки во время движения, а третьи должны работать без слышимого шума.

Вас также может заинтересовать: Шум серводвигателя и способы его устранения и замедлить нагрузку. В зависимости от механики вашей конкретной машины эти силы могут оказывать большое влияние на работу сервопривода из-за эффекта, известного как отраженная инерция. Как правило, двигатели с большим редуктором имеют относительно небольшую отраженную инерцию, а двигатели с прямым приводом или с минимальным редуктором имеют большую отраженную инерцию.

Планирование усиления — это общий термин для описания стандартного подхода к решению таких сложных условий. Общая идея состоит в том, чтобы переключать различные наборы параметров усиления, когда машина работает в разных режимах или несет разные нагрузки.

Легко увлечься планированием усиления, но, как минимум, вы можете счесть выгодным разработать более агрессивный «подвижный» набор сервоусилений и более тихий, менее агрессивный «постоянный» коэффициент усиления, используемый для удержания оси на месте . Многие контроллеры предоставляют программно доступный флаг «в движении», упрощающий запуск в этом или других условиях, таких как определенные значения положения, скорости, ускорения или времени.

Другим важным методом повышения реальной производительности является упреждение. Feedforward не оказывает динамического влияния на стабильность системы и поэтому является своего рода «бесплатным обедом» для улучшения производительности оси. Как указывалось в нашем предыдущем обзоре Torque Feedforward Deep Dive , знание веса системы или кинематики движения можно использовать для прямой подачи команды крутящего момента двигателя, которая снижает нагрузку на ПИД-регулятор, тем самым позволяя использовать менее агрессивные значения сервопривода.

Вас также могут заинтересовать: Упреждение в движении

 

Автонастройка в каждом потенциометре

Большинство методов ручной настройки основаны на субъективных оценках, таких как «передемпфирование» или «недостаточное демпфирование». Автоматическая настройка машины, называемая «автонастройкой», обещает сделать этот процесс более научным и, безусловно, менее трудоемким.

Методы автонастройки, как правило, используют академические методы настройки. Из них наиболее известна Zeigler-Nichols (ZN). В отличие от ручных методов, описанных выше, этот метод предполагает наличие определенной математической модели для описания контролируемого процесса, а затем выполняет тесты, которые преобразуются с помощью ряда правил в параметры ПИД-регулятора.

Однако, как мы узнали из предыдущих разделов, значения автоматической настройки, как правило, не соответствуют реальным условиям работы машины. Так что относитесь к параметрам автонастройки как к первоначальному предложению и планируйте ручную оптимизацию оттуда.

Часто задаваемые вопросы

Еще один метод повышения производительности вашей машины — частотная фильтрация. В той мере, в какой сервоконтур является системой динамического отклика, мы можем помещать различные виды фильтров на входные или выходные сигналы сервоконтура, чтобы сделать их менее подверженными колебаниям.

Наиболее распространенная реализация такого фильтра известна как биквадратный фильтр, показанный на рис. 5. При выборе правильных значений для A1, A2, B0, B1 и B2 этот фильтр может функционировать как множество функций фильтрации, включая режекторный фильтр, полосовой фильтр и фильтр высоких или низких частот.

Рисунок 5. Биквадратная фильтрация

Если вы не знакомы с использованием биквадратичного фильтра, существует ряд ресурсов, предоставляющих информацию, включая веб-сайт www. octave.org . На этом веб-сайте есть инструмент, который позволяет вам вычислять значения для A1, A2 и т. д. на основе характеристик частотной фильтрации, которые вы хотите использовать в своей системе.

Для большинства инженеров, которые серьезно погружаются в схемы частотной фильтрации, такие как биквадратная фильтрация, настройки управления для этой фильтрации будут построены на основе подробной характеристики механической системы с использованием инструментов частотного анализа, таких как диаграммы Боде. Хотя эти инструменты и не для слабонервных, они легко доступны у большинства поставщиков движений и добавляют числовой анализ к тому, что в противном случае могло бы быть интуитивно понятным процессом. Графики Боде и понимание того, как их использовать и интерпретировать, являются сложной темой, выходящей за рамки этой статьи, но чтобы узнать больше, вам может быть интересна статья ниже, Механическая резонансная частота .

Вас также могут заинтересовать: Механическая резонансная частота

 

В порядке предосторожности будьте осторожны, чтобы не иметь нереалистичных ожиданий в отношении того, что может сделать частотный фильтр. Механика стареет и меняется со временем, а машины несколько меняются даже прямо с завода. Если вы обнаружите улучшение от режекторного фильтра или какого-либо другого фильтра, убедитесь, что это улучшение применяется в полевых условиях в реальных условиях и с течением времени.

В лабораторию!

Какой была бы хорошая статья по настройке серводвигателей без вращающихся двигателей и графиков?

Чтобы проиллюстрировать различные аспекты этой статьи, мы подключили плату Prodigy/CME к бесколлекторному двигателю постоянного тока и отобразили полученные данные с помощью программного пакета PMD ProMotion .

Ниже приведены ссылки на несколько видеороликов, демонстрирующих простое движение с недостаточным демпфированием, чрезмерным демпфированием и критическим демпфированием для одиночной оси движения без нагрузки, отвечающей на команду отклика на шаг.

 

Underdamped Single Motion Axis

 

Overdamped Single Motion Axis

 

 

Critically Damped Single Motion Axis

 

 

PMD Products That Support Servo Двигатели

Компания PMD уже более двадцати пяти лет производит интегральные схемы, обеспечивающие расширенное управление движением щеточных и бесщеточных двигателей постоянного тока. С тех пор мы также встроили эти микросхемы в модули plug and play и платы управления движением. Несмотря на различия в упаковке, все эти продукты управляются C-Motion, простым в использовании языком управления движением PMD, и идеально подходят для использования в медицинских, лабораторных, полупроводниковых, роботизированных и промышленных приложениях управления движением.

ИС серии MC58113

ИС серии MC58113 являются частью популярного семейства ИС управления движением Magellan от PMD и обеспечивают расширенное управление положением для шаговых двигателей, BLDC и щеточных двигателей постоянного тока. Стандартные функции включают в себя автонастройку, профилирование s-образной кривой, FOC (Field Oriented Control), управление высоким/низким переключаемым сигналом, прямой энкодер, ввод импульсов и направления и многое другое. Независимо от того, используются ли они для автоматизации лабораторий, управления насосами, систем наведения или автоматизации общего назначения, семейство ИС MC58113 является идеальным решением для вашей следующей конструкции машины.

Узнать больше >>

 

Цифровые приводы ION

Цифровые приводы ION сочетают в себе одноосную интегральную схему Magellan IC и сверхэффективный цифровой усилитель в компактном прочном корпусе. В дополнение к расширенному управлению серводвигателем, ION обеспечивают S-образное перемещение от точки к точке, управление питанием i2T, загружаемый код пользователя и ряд функций безопасности, включая обнаружение перегрузки по току, перенапряжению и перегреву. ION — это простые в использовании устройства plug and play, которые мгновенно запустят ваше приложение.

Подробнее >>

 

Платы управления движением Prodigy

Платы Prodigy®/CME Machine-Controller обеспечивают высокоэффективное управление движением для медицинских, научных, автоматизированных, промышленных и роботизированных приложений. Доступные в конфигурациях с 1, 2, 3 и 4 осями, эти платы поддерживают щеточные двигатели постоянного тока, бесщеточные двигатели постоянного тока и шаговые двигатели, а также позволяют загружать написанный пользователем код на языке C и запускать его непосредственно на плате. Машинный контроллер Prodigy/CME имеет на борту Усилители Atlas , устраняющие необходимость во внешних усилителях. Для создания полностью функционирующей системы необходимы только один высоковольтный источник питания, двигатели и кабели. Варианты интерфейса хоста включают Ethernet UDP и TCP, CANbus, RS-232 и RS-485.

Узнать больше >>

 

Программное обеспечение Pro-Motion Analysis

Pro-Motion — это простой в использовании тренажер PMD на базе Windows и программа анализа движения. Он предлагает готовые возможности, которыми сможет поделиться вся ваша команда разработчиков. Пошаговый мастер управления осями позволяет разработчикам быстро и легко настраивать контур положения, контур тока и параметры мотора управления, ориентированного на поле. Опытные пользователи могут получить доступ к полному пакету анализа движения с построением диаграммы Боде и автоматической настройкой.

Подробнее >>

 

Вас также может заинтересовать:

• Механическая резонансная частота 
• Мобильная и портативная автоматизация требует легкой, эффективной и прохладной работы
• Двигатели и приводы для медицинских устройств
• Улучшение перекачки жидкостей за счет оптимизированной обратной связи
• Поле-ориентированное управление (FOC) — глубокое погружение

 

Что такое настройка сервопривода и почему она важна?

25 февраля 2019 г. By Danielle Collins 1 Комментарий

В отличие от шаговых двигателей, которые полагаются на четные импульсы тока для постепенного вращения двигателя, серводвигатели работают с непрерывным током для достижения заданного положения, скорости или крутящего момента. Точное количество тока, подаваемого на двигатель, определяется сервоконтроллером на основе информации, предоставленной энкодером относительно фактического состояния системы (положение, скорость или крутящий момент). Контроллер отправляет эти команды тока сервоприводу (также называемому усилителем), который подает на двигатель точный ток, необходимый для корректировки любых различий между заданным значением (положением, скоростью или крутящим моментом) и фактическим значением.

---

Когда мы говорим о «точности» в линейной системе, мы обычно имеем в виду точность позиционирования и повторяемость механического привода (например, винтового или ременного). Но независимо от того, насколько точна механическая система, если серводвигатель не получает надлежащую величину тока, он не может создать необходимый крутящий момент (слишком большой или слишком маленький), чтобы привести механическую систему в заданное положение.

---

Настройка сервопривода с помощью ПИД-контуров

Настройка сервосистемы включает регулировку коэффициентов усиления в контроллере движения, чтобы свести к минимуму время отклика сервосистемы, время установления и перерегулирование. Целью настройки сервопривода является минимизация (но не обязательно устранение) ошибки между заданным положением (или скоростью, или крутящим моментом) и достигнутым фактическим значением.

Наиболее распространенным типом контура управления или алгоритма, используемого для настройки сервопривода, является ПИД-контур, где «P» относится к пропорциональному усилению, «I» относится к интегральному усилению, а «D» относится к дифференциальному усилению. Усиление — это, по сути, отношение выходного сигнала к входному, и в контуре сервоуправления коэффициент усиления определяет, как — и в какой степени — контроллер пытается исправить ошибки, обнаруженные устройством обратной связи.

Усиления ПИД-регулятора используются при настройке сервопривода, чтобы определить, насколько система пытается исправить ошибки между заданным положением и фактическим положением.
Изображение предоставлено: Performance Motion Devices, Inc.

Величина пропорционального усиления в контуре управления определяет, какая восстанавливающая сила применяется для преодоления ошибки между заданным значением и фактическим значением. Пропорциональное усиление умножается на ошибку и генерирует вклад в выходной сигнал для следующего периода времени. Термин «пропорциональный» используется потому, что величина восстанавливающей силы прямо пропорциональна величине ошибки в любой момент времени.

Интегральное усиление используется для «подталкивания» системы к нулевой ошибке в конце перемещения. Интегральное значение коэффициента усиления увеличивается со временем — отсюда и термин «интегральный». Однако, поскольку интегральное усиление увеличивается в конце перемещения, это может привести к перерегулированию или колебаниям системы. И если интегральное усиление слишком низкое, система будет иметь большое время отклика. Интегральное усиление в основном используется, когда система подвергается статическим нагрузкам крутящего момента.

Прирост производной пропорционален скорости изменения (производной) ошибки. Он часто используется в сочетании с пропорциональным усилением, чтобы уменьшить перерегулирование и обеспечить демпфирование. Но слишком высокое усиление производной может сократить время отклика системы и вызвать колебания.

---

Коэффициенты прямой связи для высокодинамичных приложений

Описанные выше коэффициенты ПИД-регулятора представляют собой реактивные поправки к поведению системы с течением времени. Для высокодинамичных приложений или для лучшего отклика другой тип усиления, называемый усилением с прямой связью, работает вне контура обратной связи и обеспечивает упреждающий подход к исправлению ошибок путем прогнозирования команд, необходимых для достижения нулевой ошибки (вместо ожидания ошибка в разработке). Усиления с прямой связью классифицируются как с прямой связью по скорости или с прямой связью по ускорению.

Поскольку команды прямой связи работают вне контура обратной связи, они не вызывают колебаний или нестабильности.