Автоматизация в промышленности: Практикум. В 4 ч. Ч. III. Автоматизированный электропривод и моделирование механотронных модулей движения

Пашков Е.В. 
Круговой А.Н. 
Крамарь В.А. 
Беляева Л.Л. 
Альчаков В.В. 
 
 
 
 
 
 
Автоматизация 
в  промышленности:  
Практикум 
 
 
Часть III 
Автоматизированный электропривод   
и моделирование  механотронных  
модулей  движения 
 
 
 
Под редакцией заслуженного деятеля науки и техники Украины, 
д.т.н., проф. Пашкова Е.В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Севастополь,   2011 

 
 
 

УДК  62–83.001.57: 681 
ББК   31.291в6  
           П 22   
 
Рецензенты:  
В.Д. Ковалёв, 
д-р 
техн. 
наук, 
профессор, 
зав. 
кафедрой  
металлорежущих станков и инструментов Донбасской государственной машиностроительной академии; 
 
В.А. Кирияченко, канд. техн. наук, профессор, руководитель  
института Атомной энергетики Севастопольского национального 
университета ядерной энергии и промышленности 
 
Л.А. Краснодубец, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой  
технической кибернетики Севастопольского национального технического университета 

 
Научный редактор      В.К. Маригодов, д-р техн. наук, профессор 
 
Решение МОН Украины о присвоении грифа учебного пособия № 1/11 - 12115 от 
22.12.2011 г. 
 
Пашков Е.В. 
П 22  
Автоматизация в промышленности: Практикум. В 4 ч. Ч. III. Автоматизированный электропривод и моделирование механотронных модулей движения 
/ Е.В. Пашков, А.Н. Круговой, В.А. Крамарь, Л.Л, Беляева, В.В. Альчаков; 
под ред. Е.В. Пашкова. — Севастополь: СевНТУ, 2011. — 225 с., ил. 
 
ISBN  978 – 617 – 612 – 011 – 7 
Изложены методические указания по проведению лабораторных работ, связанных с 
изучением автоматизированных электроприводов и их элементов, входящих в состав автоматизированных технологических комплексов и механотронных систем предприятий машиностроительной и приборостроительной отраслей промышленности, а также позволяющих изучать способы создания моделей исполнительных двигателей механотронных модулей движения и исследовать их динамические характеристики с применением современных 
прикладных программ.   
Для студентов технических вузов машиностроительных и приборостроительных специальностей, а также для слушателей отделений переподготовки и повышения квалификации в области автоматизации производственных процессов. 
 
Пашков Є.В. 
П 22  
Автоматизація у промисловості: Практикум. В 4 ч. Ч. ІІІ. Автоматизований електропривод і моделювання механотронних модулів руху /  
Є.В. Пашков, О.М. Круговий, В.О. Крамарь, Л.Л. Бєляєва, В.В. Альчаков; за 
ред. Є.В. Пашкова. — Севастополь: СевНТУ, 2011. — 225 с., іл. 
 
ISBN  978 – 617 – 612 – 011 – 7 
Викладені методичні вказівки по проведенню лабораторних робіт, які пов'язані з вивченням автоматизованих електроприводів і їх елементів, що входять до складу автоматизованих технологічних комплексів і механотронних систем підприємств машинобудівної і 
приладобудівної галузей промисловості, а також, що допомагають вивчати способи створення моделей виконавчих двигунів механотронних модулів руху і дослідити їх динамічні 
характеристики із застосуванням сучасних прикладних програм. 
Для студентів технічних ВНЗ машинобудівних і приладобудівних спеціальностей, а 
також для слухачів відділень підготовки і підвищення кваліфікації у галузі автоматизації 
виробничих процесів. 
УДК  31.291в6 
ББК 62–83.001.57: 681 
ISBN 978 – 617 – 612 – 011 – 7 
 
 
 
                          
                                                                                                            СевНТУ,  2011 

Содержание 
3

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Предисловие....................................................................................................................5 
Список сокращений.......................................................................................................6 
 
Глава I 
Автоматизированный электропривод .......................................................................7 
1.1. Теоретический раздел ......................................................................................7 
1.1.1.  Структура автоматизированного электропривода промышленных систем ................................................................................7 
1.1.2. Основные понятия и определения........................................................13 
1.1.3. Электроприводы с двигателями постоянного тока.............................17 
1.1.3.1. Конструктивные особенности и способы регулирования..............................................................................................17 
1.1.3.2.  Способы возбуждения ДПТ ........................................................18 
1.1.3.3.  Механические характеристики ДПТ ..........................................19 
1.1.3.4.  Способы регулирования частоты вращения ДПТ .....................20 
1.1.3.5.  Пуск ДПТ ......................................................................................21 
1.1.3.6.  Реверсирование ДПТ....................................................................23 
1.1.3.7.  Способы торможения ДПТ..........................................................23 
1.1.3.8.  Управление ДПТ с помощью тиристорных преобразователей.......................................................................................24 
1.1.3.9.  Реверсирование тиристорных электроприводов .......................28 
1.1.4.  Электродвигатели переменного тока ..................................................29 
1.1.4.1. Конструкция, способы регулирования выходных параметров асинхронных двигателей.............................................29 
1.1.4.2. Регулирование частоты вращения АД.........................................32 
1.1.4.3.  Пуск асинхронного двигателя.....................................................33 
1.1.4.4.  Торможение АД............................................................................34 
1.1.5.  Приведение нагрузок, действующих в электроприводе, к 
валу электродвигателя ........................................................................35 
1.1.6.  Электромеханическая система позиционирования на базе 
шагового двигателя .............................................................................36 
1.1.6.1. Шаговые двигатели.......................................................................37 
1.1.6.2. Гибридные шаговые двигатели....................................................38 
1.1.6.3. Принцип управления шаговым электродвигателем...................39 
1.1.6.4. Программа параметризации WinPISA.........................................41 
1.1.7.  Сервоприводы .......................................................................................43 
1.1.7.1. Структура сервосистем позиционирования................................43 
1.1.7.2. Электромеханические сервосистемы позиционирования на базе двигателей переменного тока..............................44 
1.1.7.2.1. Исполнительный серводвигатель.....................................46 
1.1.7.2.2. Сервоусилитель..................................................................46 
1.1.7.2.3. Резольвер ............................................................................47 
1.1.7.2.4. Тахогенераторы..................................................................49 
1.1.7.2.5. Программа параметризации серводвигателя 
"Wmemoc"..........................................................................55 
1.2. Лабораторные работы ....................................................................................57 
Лабораторная работа №1 – Л.1.  
«Исследование разомкнутого электропривода постоянного тока» ..................57 
Лабораторная работа №1 – Л.2. 
«Исследование замкнутого  электропривода постоянного тока» .....................62 
Лабораторная работа №1 – Л.3. 
«Исследование  разомкнутого электропривода переменного тока».................67 
Лабораторная работа №1 – Л.4. 
«Исследование замкнутого электропривода переменного тока»......................71 

 
Содержание 
4

Лабораторная работа №1 – Л.5. 
«Исследование следящего электропривода с серводвигателем переменного тока»..................................................................................................76 
Лабораторная работа №1 – Л.6. 
«Исследование линейного следящего электропривода с асинхронным электродвигателем и частотным преобразователем»..............................83 
Лабораторная работа №1 – Л.7. 
«Исследование регулируемого электропривода на базе двигателя 
постоянного тока и тиристорного преобразователя»......................................87 
Лабораторная работа №1 – Л.8. 
«Исследование сервопривода линейных перемещений с аналоговым управлением»..............................................................................................92 
Лабораторная работа №1 – Л.9. 
«Исследование сервопривода линейных перемещений серводвигателем и цифровым управлением от контроллера» ........................................103 
Лабораторная работа № 1 – Л.10. 
«Исследование электромеханической системы позиционирования 
на базе шагового двигателя» ...........................................................................112 
 
Глава II 
Моделирование механотронных модулей движения ..........................................126 
2.1. Теоретический раздел ..................................................................................126 
2.1.1. Механотроника и механотронные системы.......................................126 
2.1.2. Моделирование и виды моделей ........................................................128 
2.1.3. Этапы построения и реализации комплексных моделей..................129 
2.1.4. Построение комплексной модели типового линейного 
гидропривода 
ММД 
с 
использованием 
библиотеки 
SimScape пакета Matlab.......................................................................130 
2.1.5. Разработка пользовательской библиотеки исполнительных 
пневматических элементов на основе математических 
моделей .................................................................................................136 
2.1.6. Моделирование 
динамических 
систем 
при 
помощи 
Simulink.................................................................................................140 
2.1.7. Обозреватель разделов библиотеки Simulink....................................141 
2.1.8. Подсистемы (Subsystem) .....................................................................144 
2.1.8.1 Маскирование подсистем............................................................145 
2.1.8.2 Маскирование подсистемы серводвигателя..............................149 
2.1.9. Применение языка VRML в задачах комплексного моделирования.............................................................................................152 
2.2. Лабораторные работы ..................................................................................157 
Лабораторная работа №2 – Л.1.  
«Создание и исследование моделей функциональных элементов 
ММД на базе стандартных блоков пакета Matlab/Simulink»...........................157 
Лабораторная работа №2 – Л.2. 
«Разработка и исследование модели ММД на основе типового гидропривода»...........................................................................................................164 
Лабораторная работа №2 – Л.3. 
«Исследование динамических характеристик гидравлического цилиндра ММД с помощью пользовательских блоков и библиотек 
Matlab/Simulink»..................................................................................................170 
Лабораторная работа №2 – Л.4. 
«Разработка трехмерных визуальных моделей исполнительных 
двигателей ММД» ...............................................................................................175 
 
Приложения ................................................................................................................185 
Библиографический список.....................................................................................224 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Апробация в учебном процессе учебных пособий «Электропневмоавтоматика в производственных процессах» и «Промышленные механотронные системы 
на основе пневмопривода», рекомендованных к изданию МОН Украины и выпущенных «Издательством СевНТУ» соответственно в 2003 и 2007 году, показала 
необходимость существенной переработки методических указаний для проведения 
лабораторных и практических занятий по дисциплинам тех направлений обучения, 
для которых эти учебные пособия были подготовлены. 
Данная книга, являющаяся третьей частью учебного пособия  «Автоматизация в промышленности: лабораторный практикум », подготовлена коллективом 
авторов в соответствии с учебными планами  таких направлений обучения, как 
6.050202 – Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии, 6.050702 
– Электромеханика, 6.050201 – Компьютерные науки, 6.050102 – Компьютерная 
инженерия, т.е. для тех инженерных специальностей, которые требуют привития 
студентам знаний, умений и навыков в области разработки, проектирования и 
практического применения в промышленном производстве автоматизированных 
систем на базе механотронных модулей движения. 
Необходимость подготовки лабораторного практикума во многом обусловлена, с одной стороны, происходящим переоснащение промышленного производства на основе новых видов компьютеризированного технологического оборудования и приборов, отвечающих принятым международным стандартом ISO, а с 
другой – уменьшением возможности студентов проходить  производственные 
практики на предприятиях, оснащенных современным технологическим оборудованием. 
Структура лабораторного практикума ориентирована на привитие студентам навыков организации и проведения научных исследований с использованием 
современных методик и специального программного обеспечения, без чего невозможна дальнейшая эффективная работа современного инженера, в арсенале знаний и умений которого должны быть качества и исследователя, и конструктора, и 
менеджера, и эксплуатационника. 
Учебное пособие состоит из предисловия, двух глав с библиографическими 
списками и приложений. 
Первая глава содержит 10 лабораторных работ и выделенных в отдельный 
общий раздел теоретических частей каждой работы, посвященных исследованию 
эксплуатационных характеристик автоматизированных электроприводов технологического оборудования. 
Вторая глава включает 4 четырехчасовые лабораторные работы и также выделенные в отдельный общий раздел теоретические части каждой из работ, посвященные моделированию исполнительных двигателей автоматизированных приводов, входящих в состав механотронных модулей движения. 
Особенностью лабораторного практикума является использование при проведении исследований современных прикладных программ, позволяющих моделировать автоматические системы, к каким относятся  механотронные модули движения технологического оборудования на основе различных приводных двигателей. 
Учитывая большое количество параметров, характеризующих работу механотронных модулей движения, которые можно изменять и измерять, а также  
практически неограниченный диапазон изменения этих параметров, представленные в книге прикладные программы позволяют моделировать системы и происходящие в них процессы с режимами, которые значительно превышают возможности 
реального оборудования. 

Предисловие   

 
6

Такое существенное преимущество вместе с возможностью изменения 
большого числа выходных характеристик модулей движения, делает предлагаемый  программный продукт важнейшим средством освоения и закрепления теоретического материала, получаемого студентами на лекциях. 
Наряду с этим, полное эффективное использование лабораторного оборудования и прикладных программ невозможно без соответствующего учебнометодического сопровождения выполняемых лабораторных исследований, изложенного  в теоретических разделах каждой из двух глав пособия.      
Предисловие, разделы 1.1.1, 1.1.7.1, 1.1.7.2.4  главы I и Приложения А, Е, Ж 
написаны Пашковым Е.В;  разделы 1.1.2 – 1.1.5, раздел 1.2 (лаб. работы № 1–Л.1 – 
№ 1–Л.7) и Приложения Б, В, Г, Д написаны Круговым А.Н.; разделы 1.1.5 – 
1.1.7.4 и раздел 1.2 (лаб. работы № 1–Л.8 – № 1–Л.10) – Беляевой Л.Л; глава II – 
Крамарем В.А. и Альчаковым В.В. 
 
Авторы выражают глубокую признательность ассистентам Светличному П.Л. 
и Нотченко Г.В, инженерам Абрамовой Е.Н. и Балаканову Э.О. за помощь, оказанную при подготовке учебного пособия к изданию, а также рецензентам – доктору 
технических наук, профессору Ковалёву В.Д., кандидату технических наук, профессору Кирияченко В.А., доктору технических наук, профессору Краснодубцу 
Л.А., чьи полезные замечания и пожелания были учтены в процессе работы над 
рукописью. 
 
Особую благодарность  авторы выражают руководству концерна «Festo» 
(Германия), а также Представительства «ТЦІ Тренінг унд Консалтінг фюр Індустріє ГмбХ» (Украина) в лице генерального директора Осинского Ю.А., предоставивших материалы, нашедшие отражение в  практикуме. 
Учебное пособие может быть полезным для инженерно-технологических 
работников, сотрудников НИС и КБ, а также заводских отделов, занимающихся 
проектированием, исследованием и эксплуатацией средств автоматизации. 
 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 
 
АД  
– 
асинхронный электродвигатель; 
АТГ 
– 
асинхронный тахогенератор переменного тока; 
ВАХ  
– 
вольт-амперная характеристика; 
ВМП  
– 
вращающееся магнитное поле; 
ДПТ  
– 
двигатель постоянного тока; 
ИО  
–  
исполнительный орган; 
ИУУ  
–  
информационно-управляющее устройство; 
МП  
–  
магнитное поле; 
ОВ  
–  
обмотка возбуждения; 
ОС  
–  
обратная связь; 
ПК  
–  
персональный компьютер; 
ПЛК  
–  
перепрограммируемый логический контроллер; 
ПМ  
–  
передаточный механизм; 
РЦК  
–  
разрешающий цифровой  конвертор; 
СТГ 
– 
синхронный тахогенератор переменного тока; 
ТГ 
– 
тахогенератор;  
ТГП 
– 
тахогенератор постоянного тока; 
ТП  
–  
тиристорный преобразователь; 
ЦАП  
– 
цифро-аналоговый преобразователь; 
ШД  
–  
шаговый двигатель; 
ШИМ  
–  
широтно-импульсная модуляция. 

Г л а в а  I  

Автоматизированный электропривод 
 
 
1.1. Теоретический раздел 
 
1.1.1. Структура автоматизированного электропривода промышленных 
систем  
 
Автоматизированным электроприводом называется электромеханическая 
система (рисунок 1.1), состоящая из информационно-управляющего устройства 
ИУУ, преобразующего ПУ, электродвигателя ЭД, передаточного механизма ПМ и 
элементов обратной связи ОС, предназначенных для приведения в движение 
исполнительных органов ИО рабочих машин и управления их движением [5]. 

а)

  
б) 
Рисунок 1.1 – Структурная схема (а) и граф выбора состава (б)  
автоматизированного электропривода 

 
Глава 1 
8

Электродвигательные  устройства представляют собой электродвигатели 
постоянного или переменного тока и служат для преобразования электрической 
энергии в механическую.  
Преобразующие устройства регулируют напряжение, силу тока, частоту 
или 
скважность 
напряжений, 
прикладываемых 
к 
электродвигателю. 
Передаточные механизмы изменяют параметры  движения (скорость или 
частоту вращения, момент и вид движения (вращательное в поступательное или 
наоборот). 
Информационно-управляющие 
устройства 
обрабатывают 
задающие, 
сигналы 
обратных 
связей 
и 
вырабатывают 
управляющие 
сигналы 
для 
преобразующих устройств, а также выполняют функции различных защит. 
Передаточные механизмы для вращательного движения представляют собой 
редукторы или мультипликаторы, которые не преобразуют вид движения, создаваемого ЭД, а для поступательного перемещения – механизмы преобразования 
вращательного движения в поступательное: рейка – шестерня; зубчатый ремень –

 шкивы, винт – гайка (скольжения, качения или бесконтактные). 
Так, например, фирмой  «Фесто» (Германия) выпускаются ПМ для преобразования вращательного движения приводного электродвигателя (шагового, асинхронного или синхронного) в поступательное движение выходного органа (каретки) четырех основных типов: DGE-… -SP-KF, (шпиндельные) с шариковой парой 
винт–гайка: DGE- … ZR-KF,  c зубчатым ремнем и шариковой направляющей качения для каретки: DGE-…   -ZR-RF, с зубчатым ремнем и роликовой направляющей качения для каретки;   DGEA-…ZR, консольные, с зубчатым ремнем [12]. 
На рисунке 1.2 показаны общий вид (а), комплектующие (сенсоры, демпферы, 
упоры и др.) и монтажные (планки, уголки, закладные гайки и др.) элементы (б), 
конструктивное исполнение (в) и схема (г) поперечного сечения ПМ типа  DGE- SPKF с шариковой винтовой парой и шариковой направляющей для каретки.  
В состав данного ПМ входят следующие комплектующие и монтажные элементы: 1 – аварийный буфер с держателем; 2 – комплект демпфера; 3 –  флажок 
переключения; 4 – скоба для датчика; 5 – индуктивный датчик положения; 6 – закладная гайка; 7 –  центрирующие штифты/втулки; 8 – переходник двигателя; 9 – 
муфта; 10 – переходной фланец двигателя; 11 – двигатель; 12 – заглушка профильного паза; 13 – датчик положения; 14 – штекерная розетка с кабелем; 15 – 
закладная гайка для паза; 16 – центральная опора; 17 – монтажные лапы. 
Вал приводного электродвигателя (на рисунке не показан), установленного с 
помощью переходника 1 на крышке 3, соединяется через муфту (на рис. не показана)    с хвостовиком 2 ходового винта 4, соединенного посредством гайки 5 с 
движком 6, размещенного в продольной прорези профильного корпуса 7 (см. рисунок 1.2, г), закрытой уплотнительной стальной лентой 8, предохраняющей шариковую винтовую пару от загрязнения. Лента закреплена на крышках корпуса с 
помощью фиксаторов натяжных устройств 9.  
При вращении ходового винта ПМ происходит перемещение движка 6 и механически связанной с ним каретки, установленной на шариковой направляющей 
качения (см. рисунок 1,2, г) закрепленной на одной из боковых плоскостей профильного корпуса и обеспечивающей высокую точность перемещения каретки. 
Каретка выполняет функцию ИО или служит для закрепления других ИО или инструмента. Так, например, в случае применения шпиндельного ПМ в составе манипулятора портального промышленного робота (рисунок 1.2, д)    каретка служит 
для закрепления на ней модуля вертикального перемещения схвата. 
Зубчато-ременные ПМ  типа  DGE-   ZR (рисунок 1.3) имеют два исполнения. 
ПМ типа DGE- ZR-KF(а) содержит в своей  конструкции шариковую направляющую каретки, а типа  DGE- ZR-RF(б) – роликовую. Конструкция первого ПМ (в) 
характеризуется внешним расположением шариковой направляющей  каретки 10, 

Автоматизированный электропривод 
9

 
Рисунок 1.2 – Шпиндельный ПМ типа DGE-SP-KF: общий вид (а), комплектующие 
монтажные элементы (б), конструкция (в, г) и пример применения (д)  

 
Глава 1 
10

 
Продолжение рисунка 1.2 
 
механически связанной с движком 7, размещенном в продольном пазу профильного корпуса 3, закрытого стальной лентой 4, предотвращающей  загрязнение приводных элементов, размещенных внутри корпуса.  В свою очередь движок соединен с подвижной в осевом направлении втулки 8 с натяжными устройствами 6 для 
закрепления концов плоского зубчатого ремня 5 и его натяжения. Передача крутящего момента  от приводного электродвигателя, устанавливаемого на одной из 
крышек 1 корпуса, например, правой с помощью переходника 11, осуществляется 
через вал 12 и  зубчатый шкив, аналогичный шкиву 2. Демпфирование ударных 
нагрузок, возникающих в конце перемещения втулки 8 с натяжными устройствами 6 обеспечивается полиуретановыми упорами3. 
Конструкция второго ПМ (г) характеризуется наличием рельсовых направляющих 4, размещенных внутри профильного корпуса 7.  Крутящий момент от 
приводного электродвигателя (шагового, асинхронного) передается через вал 11 
зубчатым шкивом 2, смонтированных на подшипниках качения внутри крышек 1 
и 10 , приводящих в движение плоский зубчатый ремень 3, концы которого закреплены в натяжных устройствах 5 в составе каретки 8, снабженной  установленными на эксцентриках роликами 6, перекатывающимися по рельсовым направляющим 4. Продольные профильные пазы 9, выполненные на наружных поверхностях 
корпуса 7, предназначены для установки сенсоров, например, герконов, срабатывающих при воздействии на них магнитного поля постоянного магнита на каретке. 
Пример использования ПМ рассмотренных типов в составе манипуляционного механизма портального промышленного робота приведен на рисунке 1.3,д. 
В отличие от ПМ типов DGE- ZR в которых выходным элементом является 
каретка, выполняющая функцию ИО, в ПМ типа DGEA-ZR (рисунок 1.4,а) выход-