Электропривод мехатронных систем

 
 
 
 
 
А. В. Баранов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

УДК 621.865.8 
ББК 31.291+34.4 
Б24 
 
 
Рецензенты: 
кафедра технологии машиностроения Костромского государственного 
технологического университета; 
ведущий специалист СГИ ПАО «ОДК-Сатурн», доктор технических наук, 
профессор Л. Б. Уваров 
 
 
 
 
 
 
 
Баранов, А. В. 
Б24  
Электропривод мехатронных систем : учебное пособие / А. В. Баранов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 144 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2006-8 
 
Рассмотрен комплекс вопросов по теории электропривода, а также по применению его для автоматизации производственных процессов. Представлены электромеханические свойства электродвигателей, аппаратура и основные схемы ручного 
управления электродвигателями, расчет основных параметров электроприводов, а также устройства и схемы дискретного автоматического управления. Рассмотрены регулируемый и следящий электроприводы. 
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств», «Проектирование 
технологических машин и комплексов» и «Машиностроение». Может быть полезно 
специалистам по разработке, производству и эксплуатации электронных устройств 
мехатронных систем. 
 
 
 
УДК  621.865.8 
ББК   31.291+34.4 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2006-8 
” Баранов А. В., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 
 

ʽ̛̣̣̖̦̖̐̌̏ 
 
Введение ....................................................................................................................... 5 
 
Глава 1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СТАНКОВ .................................................................. 8 
1.1. Двигатели постоянного тока ............................................................................ 8 
1.2. Асинхронные трехфазные электродвигатели 
............................................... 19 
1.3. Специальные типы электродвигателей 
......................................................... 26 
1.4. Электромагнитные механизмы станков 
........................................................ 33 
 
Глава 2. АППАРАТУРА И ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ                                  
РУЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ .............................. 39 
2.1. Электрические аппараты управления ........................................................... 39 
2.2. Основные схемы управления ......................................................................... 42 
2.3. Элементы и схемы защиты электродвигателей станков ............................. 48 
2.4. Бесконтактное управление двигателями ...................................................... 55 
 
Глава 3. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ            
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СТАНКОВ ..................................................................... 59 
3.1. Требования к приводам станков .................................................................... 59 
3.2. Расчет требуемой мощности электродвигателей 
......................................... 60 
3.3. Особенности выбора двигателей для приводов станков                                
с бесступенчатым регулированием скорости 
...................................................... 69 
3.4. Расчет времени переходных процессов ........................................................ 74 
 
Глава 4. УСТРОЙСТВА И СХЕМЫ ДИСКРЕТНОГО 
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ........................................................... 78 
4.1. Общая структура автоматической системы ................................................. 78 
4.2. Автоматизация в зависимости от положения 
............................................... 78 
4.3. Управление в зависимости от скорости 
........................................................ 81 
4.4. Управление в зависимости от времени 
......................................................... 84 
4.5. Управление в зависимости от нагрузки 
........................................................ 90 
4.6. Порядок проектирования электросхемы станка .......................................... 92 
 
Глава 5. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД СТАНКОВ ...................... 93 
5.1. Структура регулируемого привода ............................................................... 93 
5.2. Силовые усилители электроприводов 
........................................................... 93 
3 
 

5.3. Обратные связи в регулируемом приводе .................................................... 99 
5.4. Динамика регулируемого электропривода 
................................................. 101 
 
Глава 6. СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД СТАНКОВ ............................... 108 
6.1. Структурная схема следящего привода ...................................................... 108 
6.2. Характеристики следящего привода ........................................................... 110 
6.3. Настройка следящего привода 
..................................................................... 115 
6.4. Следящий привод с комбинированным управлением 
............................... 118 
 
Глава 7. ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ                                                     
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМИ АСИНХРОННЫМИ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ .................................................................................... 121 
7.1. Основы векторного управления асинхронными двигателями ................. 121 
7.2. Образование электромагнитного момента ................................................. 123 
7.3. Построение структурной схемы векторного управления 
асинхронным двигателем .................................................................................... 127 
7.4. Области применения частотно-регулируемого электропривода ............. 130 
 
Заключение 
............................................................................................................... 135 
 
Библиографический список 
.................................................................................... 136 
 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
..................................................................................................... 137 
Приложение 1 ....................................................................................................... 137 
Приложение 2 ....................................................................................................... 139 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 

ʦ̛̖̖̦̖̏̔ 
 
Мехатроника – это область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и 
производство качественно новых механизмов, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями (рис. 1).  
 
 
Рис. 1. Мехатроника: формирование 
 
Синергия означает усиливающий эффект взаимодействия двух или более факторов, характеризующийся тем, что совместное действие этих факторов 
существенно превосходит простую сумму действий каждого из них. При этом 
конкурентоспособными на мировом уровне будут лишь те системы, где будут 
сосредоточены самые передовые решения и в области механики, и в области 
электроники с электротехникой, и в области компьютерной техники. 
Развитие мехатроники осуществляется на базе объединения сведений из 
ряда разнородных и обособленных областей: прецизионной механики, электротехники, микроэлектроники, информационных технологий, силовой электроники 
и других научно-технических дисциплин. Считается, что результат их совместного использования можно назвать «истинно мехатронным» только тогда, когда 
его компоненты образуют систему, обладающую принципиально новыми свойствами, которых не наблюдается у составляющих ее частей.  
Основной целью мехатроники, как научно-технической дисциплины, является разработка принципиально новых функциональных узлов, блоков и модулей, реализующих двигательные функции, которые используются как основа 
5 
 

для подвижных интеллектуальных машин и систем. В связи с этим, предметом 
мехатроники становятся технологические процессы проектирования и выпуска 
систем и машин, способных реализовать требуемый двигательный функционал.  
Начиная c 1930-х годов, в некоторых зарубежных странах и в СССР для 
названия систем обеспечения требуемых движений посредством электричества 
применяется термин «электрический привод» (сокращенно электропривод).  
С развитием электрических приводов и возможностей их применения в индустриально-производственных и транспортных системах, стала очевидна необходимость полной интеграции составляющих элементов электропривода: механики, электрических машин, силовой электроники, микропроцессорной техники и программного обеспечения для наиболее полного использования возможностей электропривода и обеспечения им прецизионного движения.  
Так как наиболее полное развитие данные тенденции получили в Японии, а с термином «электрический привод», как самостоятельной технической 
системой, там знакомы не были, для описания данных систем в Японии был 
введен термин «мехатроника». Непосредственным автором является японец 
Тецуро Мори, старший инженер компании «Yaskawa Electric», а сам термин 
появился в 1969 году.  
Термин состоит из двух частей: «меха-», от слова «механика», и «-троника», от слова «электроника». Сначала данный термин был торговой маркой 
(зарегистрирована в 1972 году), но после его широкого распространения компания отказалась от его использования в качестве зарегистрированного торгового знака.  
Из Японии мехатроника распространилась по всему миру. Из иностранных изданий термин «мехатроника» попал в Россию и стал широко известен.  
Сейчас под «мехатроникой» понимают системы электропривода с исполнительными органами относительно небольшой мощности, обеспечивающие 
прецизионные движения и имеющие развитую систему управления. Сам термин «мехатроника» используется, прежде всего, для отделения от общепромышленных систем электропривода и подчеркивания особых требований к мехатронным системам. Именно в таком смысле мехатроника как область техники 
известна в мире.  
Также широко используются связанные понятия: мехатронный модуль и 
мехатронная система. Мехатронный модуль – это функционально и конструктивно самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих 
его элементов, имеющих различную физическую природу. К элементам различной физической природы относят механические, электротехнические, элек6 
 

тронные, цифровые, пневматические, гидравлические, информационные и т. п. 
компоненты. Мехатронная система – это совокупность нескольких мехатронных модулей и узлов, синергетически связанных между собой, для выполнения 
конкретной функциональной задачи. 
Обычно мехатронная система является объединением собственно электромеханических компонентов с силовой электроникой, которые управляются с помощью различных микроконтроллеров (микроконтроллер – микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами), ПК или других вычислительных устройств. При этом система в истинно мехатронном подходе, 
несмотря на использование стандартных компонентов, строится как можно 
более монолитно, конструкторы стараются объединить все части системы воедино без использования лишних интерфейсов между модулями. В частности, 
применяя встроенные непосредственно в микроконтроллеры АЦП (аналогоцифровые преобразователи), интеллектуальные силовые преобразователи и т. п. 
Это уменьшает массу и размеры системы, повышает ее надежность и дает некоторые другие преимущества. Любая система, управляющая группой приводов, 
может считаться мехатронной.  
Многие современные системы являются мехатронными или используют 
элементы мехатроники, поэтому постепенно мехатроника распространяется все 
шире. Сегодня мехатроника проникла всюду, начиная от бытовой техники, 
станков с ЧПУ и робототехники, заканчивая оружием и космической авиацией. 
Так как под «мехатроникой», прежде всего, понимают системы электропривода, остановимся более подробно на основах работы электрических приводов станков с ЧПУ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 

ʧʸʤʦʤ 1. ˑʸʫʶ˃ˀʽʺʫˈʤʻʰˋʫˁʶʰʫ ˁʦʽʱˁ˃ʦʤ 
ˑʸʫʶ˃ˀʽʪʦʰʧʤ˃ʫʸʫʱ ˁ˃ʤʻʶʽʦ 
 
1.1. ʪʦʰʧʤ˃ʫʸʰ ʿʽˁ˃ʽ˔ʻʻʽʧʽ ˃ʽʶʤ 
 
В станках применяются электродвигатели постоянного тока, в основном, 
с независимым возбуждением. Этот двигатель, схема которого приведена на 
рис. 2, имеет две обмотки. Обмотка 1 расположена на статоре. При подключении ее к источнику постоянного напряжения Uв по ней начинает протекать 
ток Iв, который создает магнитный поток ). 
  
 
Рис. 2. Электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением 
 
На якоре находится обмотка 2, подключаемая к напряжению Uя через щеточно-коллекторный узел 3, который при вращении якоря так переключает выводы этой обмотки, что ее плоскость всегда параллельна силовым выводам 
магнитного потока. По ней протекает ток Iя, который взаимодействует с магнитным потоком и создает крутящий момент М, направление которого определяется по правилу левой руки, а величина: 
 
   
я
мФI
c
M  
,                                                      (1) 
где cм – коэффициент, зависящий от числа витков якорной обмотки, ее диаметра и длины. 
 
8 
 

Под действием этого момента якорь разгоняется. При этом витки его обмотки пересекают магнитные силовые линии, в них наводится э.д.с., направление которой определяется по правилу правой руки, а величина равна: 
 
 
 
 
Фn
с
Е
е
 
 
 
                                
 (2) 
где n – частота вращения якоря (с-1), а cе – коэффициент, зависящий от тех же 
параметров, что и cм. 
Эта э.д.с. обычно направлена против напряжения на якоре, поэтому ее часто называют «противо-э.д.с.». 
В соответствии со вторым законом Кирхгофа приложенное к якорю напряжение расходуется на преодоление э.д.с. и падение напряжения на сопротивлении якорной обмотки rя: 
я
я
я
r
I
E
U

 
. 
 
 
                          (3) 
Подставим значения э.д.с. и тока из выражений (1) и (2): 
я

 
  
             
                   (4) 
Ф
c
Mr
Фn
с
U
е
я
м
и найдем частоту вращения двигателя: 
я
я 
 
.                                              (5) 
М
Ф
c
с
е
r
Ф
с
U
n
2
м
e
Это выражение, описывающее зависимость частоты вращения от нагрузки, называется механической характеристикой двигателя (рис. 3). В этом выражении можно выделить два слагаемых. 
 
 
Рис. 3. Механическая характеристика двигателя 
 
9 
 

Первое: 
я
0  
                                                        (6) 
Ф
с
U
n
е
представляет собой частоту, с которой вращался бы якорь при полном отсутствии нагрузки, в том числе и отсутствии трения внутри двигателя. 
Второе слагаемое: 
я
 
'
                                                 (7) 
М
Ф
c
с
r
n
2
м
e
представляет собой падение частоты вращения под действием нагрузки.  
Важным параметром механической характеристики является ее жесткость, т. е. степень зависимости частоты вращения от нагрузки. Если эта зависимость слабая, т. е. частота вращения двигателя мало изменяется при изменении нагрузки, то характеристику называют «жесткой». Если же зависимость сильная, т. е. 'n велико, то характеристику называют «мягкой». Для станков в большинстве случаев желательны жесткие механические характеристики, обеспечивающие стабильность режимов резания. Мн – номинальный момент двигателя. Обычно это такой крутящий момент, длительно развивая который двигатель перегревается по отношению к окружающей среде на допустимую величину. Номинальному моменту соответствуют: 'nн, номинальный ток 
якоря – Iян, номинальная частота вращения – nн и номинальная мощность двигателя: 
н
н
н
н
н
1
,
0
30
ʌ
n
М
n
М
N
|
 
.                                            (8) 
Двигатель может кратковременно развивать крутящий момент значительно больший номинального. Однако при этом усиливается искрение в коллекторно-щеточном узле, возникает опасность его обгорания. Чтобы этого не произошло, момент двигателя при работе не должен превышать максимально допустимой величины Мм. Эта величина зависит от частоты вращения двигателя 
и с ее увеличением уменьшается. Для очень кратковременных процессов допустимым является пусковой момент Мп. 
Механическую характеристику двигателя можно менять, изменяя напряжение на якоре, величину магнитного потока, а также включением дополнительного сопротивления в цепь якоря. Механическая характеристика, определенная при номинальных значениях напряжения на якоре, магнитного потока и 
без дополнительного сопротивления в якорной цепи, называется «естественной», а все остальные – «искусственными». 
10