АМЛЕБЕДЕВ
R Т. ОРЛОВА
АВ.ПАЛЬЦЕВ
СЛЕДЯЩИЕ
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
СТАНКОВ ЦПУ
МОСКВА
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ
1988

ББК 31.291
ЛЗЗ
УДК/62—83:681.513.3/:621.9.06
Рецензент инж. Л. В. Драницкий
Лебедев А. М и.др,
ЛЗЗ Следящие электроприводы станков с ЧПУ/А. М.
Лебедев, Р. Т. Орлова, А. В. Пальцев. — М.: Энер-
гоатомиздат, 1988. — 223 с: ил
ISBN 5 283-00582-8
Изложены требования к следящим электроприводам станков с ЧПУ,
проведены обзор и анализ существующих силовых схем и структур
преобразователей, а также технических характеристик современных
приводов и двигателей постоянного тока. Даны методика и примеры
расчета следящего привода. Показано применение в приводах
аналоговых интегральных микросхем. Изложена общая методика наладкн
и поиска неисправностей следящих приводов станков.
Для инженерно-технических работников, специализирующихся
в области разработки и обслуживания следящих приводов.
_, 2302050000-326 „„„
Л ТГГ777Г77 203~87 ББ* 31-291
051(01)-88
ISBN 5-283-00582-8
© Энергоатомиздат, 1988

ПРЕДИСЛОВИЕ
Современный уровень автоматизации предполагает
широкое внедрение станков с числовым программным
управлением (ЧПУ). Высокий темп технического
развития на современном этапе приводит к быстрым
изменениям как механической части станка, так и его
электрооборудования и систем ЧПУ. Поэтому стала возможной
реализация ряда методов управления, носивших ранее
чисто теоретический характер. Наряду с этим появились
и новые более эффективные методы управления
электроприводами. Применение в станках с ЧПУ
автоматизированных электроприводов обеспечивает расширение
технологических возможностей станков, рост
производительности, увеличение точности и чистоты обработки.
Теоретический анализ традиционных методов
управления тиристорным электроприводом постоянного тока
для станков с ЧПУ наиболее полно изложен в книге
«Динамика вентильного электропривода постоянного тока»
под ред. А. Д. Поздеева (М.: Энергия, 1975). Отдельные
вопросы рассмотрены в книгах С. В. Демидова и Б. Б. По-
лещука «Быстродействующий тиристорный
электропривод с питанием от высокочастотного источника» (М.:
Энергия, 1977), В. М. Киселева «Фазовые системы
числового программного управления станками» (М.:
Машиностроение, 1976), В. Л. Сосонкина и др. «Программное
управление станками» (М.: Машиностроение, 1981),
А. М. Лебедева и др. «Тиристорный следящий
электропривод» (М.: Энергия, 1972) и в других работах. К
настоящему моменту взгляды на некоторые технические
решения, а также некоторые теоретические положения
изменились.
Предлагаемая -вниманию читателей книга не
претендует на глубину и строгость теоретических положений
и имеет направленность прикладного характера. В ней
1*
3

содержатся сведения о современных электроприводах
и электродвигателях, методике их расчета и выбора,
практические рекомендации по наладке и эксплуатации
серийных электроприводов, а также рассматриваются
тенденции развития перспективных транзисторных
электроприводов переменного тока. Актуальность книги
определяется ее практической направленностью, а также
содержащимися в ней информативными материалами по
современным электроприводам, выпускаемым в СССР,
в странах, входящих в Интерэлектро, и ведущими
фирмами капиталистических стран. Необходимость
публикации этих материалов диктуется широким оснащением
отечественных станков с ЧПУ комплектными
электроприводами производства НРБ, ЧССР, ПНР, СРР, что
определено специализацией производства в рамках
международного сотрудничества стран СЭВ.
В книге использован опыт проектирования и
эксплуатации электроприводов, созданных в ЭНИМС, ВНИИР,
НИИКЭ, НИИ завода «Электромашина», а также опыт
пуска и обслуживания станков с ЧПУ и
автоматизированных участков, изготовленных на заводе «Станкокон-
струкция».
Авторы отдают дань глубокого уважения своему
учителю и руководителю канд. техн. наук В. А. Найдису,
вклад которого в развитие отечественного станочного
широкорегулируемого электропривода неоценим. Под его
руководством были созданы первые в СССР тиристорные
электроприводы, при его содействии началась
разработка первых в СССР высокомоментных электродвигателей.
В. А. Найдисом была создана школа приводчиков в
отечественном станкостроении.
Авторы благодарны инж. Л. В. Драницкому за
советы и рекомендации, данные при рецензировании
рукописи, инж. С. А. Саванову — за большой творческий труд
по редактированию книги и инж. И. А. Гачику за его
помощь в подготовке материалов к § 7.1 и 7.2.
Все замечания по содержанию книги авторы примут
с признательностью. Их следует направлять в адрес
Энергоатомиздата: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая
наб., 10.
Авторы

Глава первая
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИВОДОВ
СОВРЕМЕННЫХ СТАНКОВ С ЧПУ
1.1. ОСОБЕННОСТИ СТАНКОВ С ЧПУ
Станки с ЧПУ широко внедряются в производство,
непрерывно растет их выпуск, совершенствуется
качество и расширяются технологические возможности. Многие
станкостроительные заводы полностью перешли на
выпуск только станков с ЧПУ и роботов.
В 50—60-х годах станки с ЧПУ применялись главным
образом в авиационной и судостроительной
промышленности для обработки деталей сложной формы. С 70-х
годов станки с ЧПУ работают практически во всех
отраслях промышленности.
Большинство станкостроительных фирм мира
демонстрируют на промышленных выставках только станки
с ЧПУ, роботы с ЧПУ, роботизированные комплексы
и гибкие производственные модули и системы, состоящие
из станков с ЧПУ, роботов, погрузочно-разгрузочных
систем, автоматизированных складов с управлением от
ЭВМ. Столь бурное развитие производства и внедрения
станков с ЧПУ обусловлено их существенными
преимуществами по сравнению с универсальными станками.
К этим преимуществам относятся: возможность
обработки объемных деталей сложной формы; постоянство
качества обработки; существенное повышение
производительности труда; экономия рабочей силы, особенно
квалифицированной; возможность автоматизации
производства и создание гибких производственных систем.
Станки с ЧПУ отличаются от универсальных станков
не только применением систем ЧПУ и датчиков
положения, но также и конструктивно .
5

В станках с ЧПУ конструкция выполняется более
жесткой, сокращены и упрощены кинематические цепи.
В механизмах главного движения, как правило,
применяется электромеханическое регулирование скорости
с двух-трехступенчатой коробкой скоростей и широкоре-
гулируемыми электроприводами. В большинстве станков
применение только электрического регулирования не
обеспечивает нужных технологических режимов ввиду
ограниченности диапазона регулирования при
постоянной мощности; однако в ряде моделей станков небольшой
и средней мощности уже находит применение чисто
электрическое регулирование главного привода, в Частности
так называемый мотор-шпиндель, представляющий собой
электромеханическое устройство, объединяющее в себе
шпиндельный узел и электродвигатель.
В станках средних размеров электродвигатели
подачи устанавливаются непосредственно на ходовой винт,
в станках малых и больших размеров электродвигатели
подачи часто устанавливаются на ходовой винт через
одноступенчатую зубчатую либо ременную передачу, что
позволяет снизить момент на валу двигателя и
уменьшить его габаритные размеры. Иногда двигатели
устанавливаются через передачу 1:1 по конструктивным
соображениям удобства встройки его в механизм станка.
Упрощение кинематики станков с ЧПУ стало
возможным благодаря применению большого числа
независимых регулируемых электроприводов, увеличению их
установленных мощностей и моментов.
Расширение технологических возможностей станков
с ЧПУ, создание многоцелевых станков стало возможным
как за счет применения специализированных систем ЧПУ
и необходимых измерительных устройств, так и за счет
расширения диапазонов регулирования, быстродействия
и точности установленных электроприводов.
Значительное расширение и усложнение
электрической и электронной частей станков с ЧПУ потребовало не
только повышения требований к надежности этих
комплектующих изделий, но также и применения
специальных диагностических устройств, обеспечивающих
оперативный контроль и ремонт оборудования.
6

1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИВОДОВ СТАНКОВ
Привод включает в себя механические,
электрические, гидравлические, электронные и другие узлы,
обеспечивающие движение рабочего органа станка. В
зависимости от назначения различают приводы главного
движения, подач и вспомогательные приводы.
Главный привод непосредственно обеспечивает
процесс резания.
Приводы подач обеспечивают перемещение
заготовки или режущего инструмента в зоне резания.
Вспомогательные приводы обеспечивают
вспомогательные перемещения заготовок, деталей, режущего
инструмента, вращение инструментальных магазинов,
поворотных и наклонных столов, движение палет, тележек,
перегружателей, подачу СОЖ и смазки, вентиляцию
и т. д.
В соответствии с назначением к каждому приводу
предъявляются различные конкретные требования.
Для главного привода требуется регулирование
примерно с постоянной мощностью (P=const), так как
силовое резание выполняется при меньших частотах
вращения шпинделя, а при высоких частотах вращения
шпинделя производится чистовая обработка с меньшими
усилиями резания. Анализ технологических режимов
станков различных групп показывает, что диапазон
регулирования частот вращения шпинделя не превышает
D^IOO. При наличии режима ориентации шпинделя
диапазон регулирования расширяется до D^IOOO.
Однако требуемая мощность привода при ориентации
незначительна и существенно меньше мощности резания.
Для привода подач требуется регулирование чв
основном с постоянным моментом (Af=const). В
механизмах подач основное усилие затрачивается на
преодоление сил трения при перемещении узла станка. Приводы
подач должны обеспечивать сверхширокий диапазон
регулирования D^ 10000, так как в станках с ЧПУ
минимальная подача определяется дискретностью управления
и обратной связи. Только при отработке приводом
каждой дискреты могут быть обеспечены высокая точность
и малая шероховатость при обработке. Кроме того,
приводы подач должны иметь высокие скорости быстрого
хода и высокое быстродействие при разгоне-торможении
и при сбросе-набросе нагрузки.
7

Вспомогательные приводы не участвуют в процессе
резания. В этих приводах не требуется широкого
диапазона регулирования (D<10), не всегда требуется
высокое быстродействие, часто необходимы плавный разгон
и торможение.
В поворотных устройствах (магазинах, столах)
с большим собственным моментом инерции и невысоким
передаточным отношением, когда приведенный к валу
двигателя момент инерции механизма значительно
превышает собственный момент инерции двигателя,
основное усилие затрачивается в переходных режимах на
разгон и торможение маховых масс, при
установившемся движении нагрузка на привод в этих режимах
близка к холостому ходу. Режим работы
вспомогательных приводов, как правило,
повторно-кратковременный.
В рассмотренных механизмах станков с ЧПУ могут
быть применены различные виды приводов:
механический, гидравлический, пневматический и электрический.
Механический привод — довольно громоздкий,
он не обеспечивает плавности регулирования, создает
повышенный шум, усложняет и утяжеляет конструкцию
станка, затрудняет сборку, ремонт и обслуживание
станка. Однако при помощи механического привода легко
выполнить регулирование с постоянной мощностью во
всем диапазоне регулирования, поэтому механический
привод до сих пор сохраняется в механизмах главного
движения станков с ЧПУ. Даже там, где применяются
регулируемые электроприводы в механизмах главного
движения, в большинстве станки сохраняют двух-трех-
ступенчатую коробку скоростей.
Гидравлический привод обеспечивает
регулирование в широком диапазоне, не требует преобразования
вращательного движения в поступательное в механизмах
подач, имеет высокое быстродействие и достаточно
малые габаритные размеры двигателя, однако требуемая
для гидропривода гидростанция имеет большие
габаритные размеры, создает повышенный шум. Кроме того,
гидроприводу сопутствуют течи в маслопроводах.
Гидроприводы нуждаются в тщательном уходе.
Гидродвигатели имеют ограниченные мощности и моменты. В силу
своих эксплуатационных недостатков гидроприводы
в станках с ЧПУ повсеместно вытесняются
электроприводами, более простыми в изготовлении и обслуживании.
8

Пневматический привод применяется только
в механизмах станков с малыми усилиями и в роботах.
Электрический привод обеспечивает удобство
регулирования скорости в широком диапазоне с
высокой точностью и быстродействием. Электродвигатели
постоянного и переменного тока, выпускаемые
промышленностью, имеют широкий ряд мощностей, моментов и
скоростей. Электроприводы технологичны в изготовлении,
достаточно просты и надежны в эксплуатации.
1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Регулируемый электропривод — это
электромеханическая система, обеспечивающая изменение скорости в
заданном диапазоне регулирования с определенной
точностью и быстродействием. В состав электропривода
входят: электродвигатель; силовой преобразователь,
питающий электродвигатель; регуляторы, обеспечивающие
требуемое качество регулирования; датчики обратных
связей.
Электроприводы классифицируются:
по назначению — главного движения, подач и
вспомогательные;
по способу регулирования — с постоянным моментом,
с постоянной мощностью, двухзонные;
по роду тока исполнительного двигателя —
постоянного и переменного тока;
по схеме силового преобразователя — управляемые
выпрямители (одно- и многофазные), широтно-импульс-
иые преобразователи;
по структуре системы автоматического
регулирования— одноконтурные и многоконтурные;
по способу управления — аналоговые (с аналоговым
задатчиком и аналоговым датчиком основной обратной
связи), цифро-аналоговые (с цифровым задатчиком,
цифровым датчиком основной обратной связи и
аналоговыми регуляторами), цифровые (с цифровыми задатчика-
ми, датчиками обратных связей и цифровым
формированием закона управления скоростью двигателя).
Основными параметрами, по которым выбирают электропривод
и сравнивают электроприводы между собой, являются:
номинальный вращающий момент на валу электродвигателя
MhomJ
9

номинальная механическая мощность на валу электродвигателя
* ном>
номинальная угловая скорость соНом («ном);
максимальная угловая скорость сота* (птах)\
диапазон регулирования — отношение максимальной скорости
к минимальной, при которой сохраняются все параметры
электропривода по стабильности при изменении нагрузки, напряжения сети,
температуры окружающей среды, реверсе двигателя и по
неравномерности ВраЩеНИЯ £> = СО max/СО min\
чувствительность — минимальный сигнал управления,
отрабатываемый электроприводом с7утм (в следящем приводе станка с ЧПУ
этот сигнал должен быть меньше напряжения управления,
соответствующего одной дискрете);
перегрузочная способность в установившемся и переходном
режимах Рчас/Яном; Мтах/Мвоы)
динамические характеристики по управляющему воздействию —
времена пуска и торможения tn, t? и по нагрузке — время
восстановления скорости tB и динамическое изменение скорости Аса;
энергетические характеристики: КПД г\ и коэффициент
мощности cos <p;
удельные массогабаритные показатели — Р/т, кВт/кг; P/V,
кВт/дм3, М/m, Н'М/кг; M/V, Н-м/дм3;
надежность — наработка на отказ, вероятность безотказной
работы, срок службы, ремонтопригодность;
стоимость и экономичность обслуживания.
Механические и электрические параметры электропривода
постоянного тока связаны между собой известными соотношениями,
математически описывающими различные способы регулирования
скорости:
Рмех = Ма>\ РЭл = UI; со = (U - /Д)/сФ;
М = с1Ф; с = рп(2па),
где Рмех — механическая мощность на валу электродвигателя; РЭл —
электрическая мощность двигателя; М — вращающий момент на
валу двигателя; со — скорость двигателя; U — напряжение двигателя;
/ — ток двигателя (действующее значение); Ф — поток возбуждения
двигателя; с — конструктивная постоянная двигателя; р — число пар
полюсов двигателя; п — число активных проводников в пазу; а —
число параллельных ветвей обмотки.
Регулирование скорости двигателя постоянного тока
производится изменением двух электрических
параметров— напряжения на якоре U и потока возбуждения Ф.
Зависимость предельной мощности и предельного
вращающего момента на валу двигателя от скорости при
ю

регулировании напряжения и потока представлена на
рис. 1.1.
В зоне / скорость регулируется от соном до 0
изменением напряжения на якоре от UU0M до 0 при постоянном
предельном моменте и снижении мощности
пропорционально скорости от Яном до 0. Поток возбуждения
номинальный.
В зоне // скорость регулируется от соНом до a'max
ослаблением магнитного потока от ФНОм до Фщгп при
постоянной предельной мощности и снижении вращающего
момента с ростом скорости. Напряжение на якоре
остается почти постоянным.
/JP1
Рис. 1.1. Зависимость
предельной мощности и
предельного вращающего
момента на валу двигателя от
скорости при регулировании
напряжения на якоре и
потока возбуждения
I
В зоне I и II привод может длительно работать с
номинальным током.
В зоне /// регулирование возхможно при дальнейшем
ослаблении магнитного потока и снижении тока якоря.
В этой зоне происходит дальнейшее снижение
вращающего момента и мощности двигателя.
Соответственно способам регулирования различают
три вида регулирования скорости привода: при
постоянном моменте Af=const (зона /), при постоянной
мощности Я=сопб1 (зона //), двухзонное (зоны I и II).
Характеристики привода и двигателя в зоне /// приводятся
в проспектах. Работа в зоне III позволяет полнее
использовать возможности электропривода, так как в
большинстве станков на механизмах главного движения при
максимальных скоростях шпинделя при обработке
происходит снижение требуемых момента и мощности привода.
Физически электродвигатель является механизмом
постоянного момента и регулировать его скорость можно
только либо с номинальным предельным моментом,
определяемым номинальным током якоря, номинальным
j1 ''НОМ
/ /
/р
к
''ном
//
Гч
N
11

потоком возбуждения и габаритными размерами
электродвигателя, либо с моментом, меньшим номинального,
за счет ослабления потока возбуждения и снижения
тока якоря. Регулирование с постоянной мощностью в
зоне // получается автоматически, так как по мере
ослабления потока возбуждения падает вращающий момент
и пропорционально растет скорость.
1.4. ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОПРИВОДАМ СТАНКОВ
Требования к электроприводам определяются
технологией обработки, конструктивными особенностями
станка, режущим инструментом, функциональными
возможностями системы ЧПУ .
Основные технологические требования заключаются
в обеспечении: необходимых технологических режимов
обработки с использованием современного режущего
инструмента; максимальной производительности;
требуемой точности обработки; высокой чистоты
обрабатываемой поверхности (снижение шероховатости);
повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии
(стабильности).
При всем многообразии станков требования,
предъявляемые к приводам станков, определяются, главным
образом, не тем, к какой группе относится станок, а для
какого движения предназначен привод: главного
движения, подачи или вспомогательного, так как именно это
определяет мощность и момент, способ регулирования
скорости, диапазоны регулирования, необходимую
плавность регулирования, требования к динамическим
характеристикам, к жесткости механических характеристик
и стабильности скорости.
Расширение технологических возможностей станков,
и в первую очередь многоцелевых станков
(обрабатывающих центров), обеспечило возможность проведения на
одном станке различных технологических режимов:
фрезерование, сверление и растачивание или точение,
сверление и растачивание и т.д., а освоение нового
твердосплавного и керамического инструмента существенно
повысило режимы обработки.
Расширение технологических режимов обработки на
одном станке с использованием современного режущего
инструмента привело к усложнению установленных
электроприводов, увеличению установленной мощности дви-
12

гателя главного движения, вращающих моментов
двигателей подач, расширению диапазонов регулирования
скорости главного привода, рабочих подач и установочных
перемещений, увеличению быстродействия всех приводов
при управляющем и возмущающем воздействиях,
ужесточению требований к стабильности и равномерности
вращения электродвигателей всех приводов.
Требование повышения производительности также
привело к увеличению мощности и максимальной
скорости привода главного движения; к увеличению скорости
быстрого хода приводов подач; увеличению
максимальных рабочих подач; снижению времен разгона и
торможения, позиционирования приводов подач и
вспомогательных перемещений и ориентации шпинделя.
Удовлетворение требованиям снижения
шероховатости и повышения точности при обработке и
позиционировании ужесточило требования к электроприводам по
значению погрешностей в установившихся и переходных
режимах при различных возмущающих воздействиях, по
расширению диапазона регулирования и увеличению
чувствительности электроприводов по входному воздействию
и нагрузке, по повышению равномерности движения,
особенно при малых скоростях, по увеличению
быстродействия при возмущении по нагрузке и при реверсе под
нагрузкой на малой скорости.
Для обеспечения повторяемости размеров деталей
в обрабатываемой партии и высокой точности
позиционирования необходимо иметь высокостабильный
привод с высокой равномерностью перемещения и
апериодическим переходным процессом при изменении
скорости.
Очень важным требованием к электроприводам
станков с ЧПУ, особенно при их работе в
автоматизированном производстве, является обеспечение их высокой
надежности как относительно сохранения параметров, так
и безаварийности и ремонтопригодности. Повышению
надежности работы электроприводов в значительной
степени способствуют наличие технологических запасов по
параметрам отдельных электронных элементов и
схемным решениям, корректный монтаж
электрооборудования, своевременное проведение профилактических
мероприятий и установка необходимой системы диагностики,
позволяющей быстро определять и устранять
неисправности.
13

Появление низкоскоростных высокомоментных
двигателей умеренных габаритов позволило существенно
сократить механическую часть коробки подач, а в ряде
случаев полностью ее исключить, установив исполнительный
двигатель непосредственно на ходовой винт.
Исключение коробки подач привело к повышению
мощности механической передачи, повышению КПД
и снижению момента инерции электромеханического
привода. В станках возросла составляющая от резания в
общей нагрузке приводов подач. В большинстве
современных станков нагрузка на двигатель при рабочих подачах
без резания составляет не более 20—30 % номинальной.
Рост составляющей от сил резания в общей нагрузке
на привод подачи увеличил колебание нагрузки на
электроприводе подачи при резании, что ужесточило
требования к статической и динамической жесткости привода
подачи.
Увеличение скорости быстрых перемещений и
снижение скорости установочных перемещений привели к
значительному увеличению диапазона регулирования.
Максимальная рабочая подача современных многоцелевых
станков составляет 30—50 % скорости быстрых
перемещений.
Полный диапазон регулирования подач в станках
фрезерной, расточной и токарной групп составляет 100—
10 000, а в карусельных расширяется до 30 000—40 000.
Теоретически диапазон регулирования привода подачи
каждой оси в станках с ЧПУ при контурном
фрезеровании бесконечен (например, при обработке окружности).
Реально минимальная подача ограничена
чувствительностью электропривода.
Скорость быстрых перемещений зависит от
характеристик механической части привода, возможностей
системы ЧПУ (в частности, от максимальной частоты сиг-
пала управления приводом от системы ЧПУ), дискретности
управления, максимальной угловой скорости
приводного электродвигателя, коэффициента редукции
передачи от двигателя к механизму и других ограничений,
вносимых системой ЧПУ.
Минимальная скорость привода определяется
технологическими требованиями, дискретностью управления
и чувствительностью электропривода. Особо высокие
требования предъявляются к динамическим
характеристикам привода по управляющему и возмущающему воз-
14

действиям. Неудовлетворительные динамические
свойства регулируемого электропривода, особенно
при возмущении по нагрузке, являются причиной
повышенной шероховатости поверхности, поэтому весьма
важно обеспечить высокое быстродействие привода при
сбросе и набросе нагрузки, а также реверсе двигателя
под нагрузкой на самых малых скоростях.
Стабильность позиционирования и обработки в
значительной степени зависит от стабильности
электромеханической системы приводов подач, которая определяется
стабильностью ее звеньев, и в первую очередь
электропривода, датчика положения и системы ЧПУ.
Стабильность характеристик электропривода при достаточно
большом коэффициенте усиления определяется
стабильностью нуля входного усилителя регулятора и
стабильностью датчика скорости — тахогенератора. Наибольшая
относительная нестабильность имеет место при малых
скоростях, когда полезный сигнал соизмерим с дрейфом
нуля усилителя и падением напряжения в щеточном
контакте тахогенератора.
Другим фактором, влияющим на стабильность, а
следовательно, и на идентичность параметров при
обработке партии деталей, является характер переходного
процесса по управляющему воздействию в замкнутых
системах следящего и регулируемого электроприводов. При
апериодическом переходном процессе при движении в
одну сторону не происходит раскрытия люфтов в
механических узлах, а также отсутствует влияние гистерезиса,
что приводит к существенному повышению стабильности
и точности позиционирования и обработки.
В соответствии с проведенным анализом
сформулированы качественные требования к станочным
электроприводам подач. Количественные оценки определены в гл. 2.
Установка во всех станках сверхточных,
сверхбыстродействующих и сверхстабильных электроприводов
сопряжена со значительными техническими трудностями и
необоснованно высокими экономическими затратами.
В станках с контурной и контурно-позиционной систе:
мами ЧПУ (классы станков ФЗ и Ф4) в механизмах
подач применяются следящие электроприводы (в станках
выпуска 60-х годов применялись разомкнутые
электроприводы с шаговыми двигателями или
электрогидравлические приводы с шаговыми двигателями). В станках
с позиционными системами ЧПУ в механизмах подач
15

(класс Ф2) могут применяться и следящие и
регулируемые электроприводы без непрерывной обратной связи по
положению. В станках с цифровой индикацией (класс
Ф1), как правило, применяются регулируемые
электроприводы без обратной связи по положению.
Однако для расширения диапазона регулирования
в этих и других станках в механизмах подач возможна
установка так называемых автономных электроприводов
с датчиками положения, установленными
непосредственно на двигателях, с введением в преобразователе
устройств для обработки сигналов датчиков и замыкания
системы по пути.
В механизмах главного движения в большинстве стан-
коз установлены регулируемые электроприводы без
обратной связи по положению, в отдельных станках
применяются специальные системы ориентации шпинделя
либо от мощного двигателя главного привода, либо от
специального маломощного двигателя со следящим
приводом, аналогичным приводам подач. (Подобное
решение принято в токарном обрабатывающем центре модели
1П420МФ4.) Очень небольшое количество станков имеет
следящий электропривод главного движения от
основного электродвигателя (фрезерно-расточно-сверл ильные
обрабатывающие центры модели 6907МФ4).
В настоящее время разработаны и согласованы
между странами СЭВ единые технические требования к
электроприводам главного движения и подач станков
сЧПУ.
*5. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
К ЭЛЕКТРОПРИВОДАМ ПОДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ С ЧПУ
Электроприводы должны отвечать требованиям
стандарта СЭВ СТ СЭВ 3573-82.
Классификация. Электроприводы подачи
подразделяются по следующим признакам:
по способу выполнения силового преобразователя
(виду силовых полупроводниковых приборов); тиристор-
ные на основе реверсивных управляемых выпрямителей;
транзисторные (транзисторно-тиристорные) на основе
реверсивных широтйо-импульсных преобразователей; по
компоновке конструкции (числу приводов, выполненных
1б

в едином конструктиве): однокоординатные,
многокоординатные.
Требования к составу электроприводов. В состав
электропривода входят:
1) электродвигатель постоянного тока с
возбуждением от постоянных магнитов со встроенным датчиком
скорости, встроенным электромагнитным тормозом,
датчиком температурной защиты и датчиком пути;
2) полупроводниковый преобразователь, включающий
силовой блок, обеспечивающий преобразование
напряжения переменного тока в постоянное; регуляторы,
обеспечивающие регулирование скорости двигателя в широком
диапазоне с высокой точностью; блоки питания, защиты
и диагностики;
3) силовой трансформатор (автотрансформатор) для
согласования напряжения питающей сети с
напряжением электродвигателя, ограничения тока короткого
замыкания в приводе и снижения влияния помех или токоог-
раничивающий реактор, ограничивающий ток короткого
замыкания;
4) коммутационные реакторы для снижения
взаимного влияния приводов при многокоординатном исполнении
и питании их от одного силового трансформатора (или
через токоограничивающие реакторы);
5) уравнительные или сглаживающие реакторы для
ограничения уравнительных токов при совместном
управлении выпрямительной и инверторной группами
тиристоров и для сглаживания пульсаций тока якоря
двигателя, чем обеспечивается снижение нагрева и улучшение
коммутации двигателя;
6) автоматический выключатель для отключения
привода от сети в аварийных режимах.
Состав электропривода может меняться в
зависимости от конкретного типа электропривода и способа
выполнения силового преобразователя.
Требования к питающей сети. Питание
электропривода производится от трехфазной промышленной сети
переменного тока напряжением 220, 380, 440, 500 В
частотой 50 (60) Гц.
Должна быть предусмотрена возможность заземления
электрооборудования. Электроприводы должны
обеспечивать работу при отклонениях: напряжения питающей сети
ца —15-^-4-10% номинального значения; частоты
питающей сети на ±2 % номинального значения и кратко-
2—894
17

временных провалах мгновенных значений питающего
напряжения, характеризуемых произведением (y-AU) ^400,
где у— угол коммутации, град; AU— падение
напряжения при провале в процентах мгновенного значения,
причем максимальное значение провала мгновенного
значения питающего напряжения не должно превышать 100 %,
а его длительность 40 °.
Требования по устойчивости к внешним воздействиям.
Электроприводы предназначены для работы в следующих
условиях:
1) на высоте над уровнем моря не более 1000 м;
2) при температуре окружающего воздуха: для
электродвигателя и тахогенератора от 5 до 40 °С, для
полупроводникового преобразователя от 5 до 45 °С и до 55 °С
с соответствующим уменьшением допустимого
длительного тока;
3) при максимальной относительной влажности
воздуха 80 % при температуре 30 °С;
4) в невзрывоопасной окружающей среде, не
содержащей агрессивных газов и паров в концентрациях,
разрушающих металлы и изоляцию;
5) в закрытых стационарных помещениях при
отсутствии непосредственного воздействия солнечной
радиации.
Составные части электропривода, устанавливаемые
в отдельно стоящие шкафы, должны допускать
вибрацию с частотой от 1 до 35 Гц при ускорении не более
4,9 м/с2 (0,5 g), а устанавливаемые на станке —
вибрацию до 60 Гц при ускорении не более 9,8 м/с2 (g).
Требования к основным техническим параметрам
электропривода. Сигнал управления, соответствующий
максимальной скорости, — аналоговый ±10 В.
Электропривод обеспечивает возможность управления
по одному или более входам с сопротивлением не менее
2 кОм.
При отсутствии гальванической связи между
силовой цепью электропривода и цепью управление
сопротивление между ними должно быть не менее
20 кОм.
Момент электропривода в продолжительном режиме
работы (SI) M0f Н-м, при скорости, равной нулю, должен
быть не менее значений, указанных ниже: 0,35; 0,47; 0,7;
1,0; 1,3; 1,7; 2,3 (2,1); 3,5; 4,7; 7,0; 10; 13; 17; 23 (21); 35;
47; 70; 100; 130; 170.
18

Максимальные скорости электроприводов в
зависимости от М0 изменяются следующим образом:
М0% Н-м
0,35—7.
10—100.
100—170
птах* РаД/мин
2000—300Э
1500—2000
1000—2003
В переходных режимах электроприводы должны
допускать в течение времени не более 0,2 с значения
максимального момента не менее указанных в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Диапазон скорости
От Птах ДО 0,5nma3c
Менее 0,5 птах до 0,25 птаХ
Менее 0,25птах до 0
Максимальный момент электропривода
с транзисторным
преобразователем
с тиристорным
преобразователем
От М0 ДО 2,5 М0
зм0
ЗМп
От М0 до 3 М0
От ЗМ0 до 4М0
От 4 М0 до б М0
Во всех режимах работы, включая изменение
нагрузки и переходные режимы ускорения и замедления,
среднеквадратичное значение вращающего момента
электродвигателя не должно превышать момента М0,
определяемого длительно допустимым по нагреву током двигателя.
Момент при вращении на максимальной скорости
должен быть не менее 0,5 М0 в течение 1 мин.
Электроприводы должны обеспечивать момент М0 в режиме S1
по СТ СЭВ 1346-78 в диапазоне скоростей от 0 до 0,25
максимальной.
Значения допустимых погрешностей скорости и
коэффициента неравномерности при различных диапазонах
регулирования приведены в табл. 1.2. Для
электроприводов с максимальной частотой вращения более 1000 об/
/мин при частоте вращения 0,1 об/мин погрешности
должны быть: As ^35 %; Ам<15 %; ДР = ±15 %; йн<0,35.
Суммарная погрешность скорости Д2 —сумма мак*
симальных абсолютных значений погрешностей при
изменении нагрузки от 0,15 М0 до М0, напряжения сети от 0,9
до 1,1 номинального, температуры окружающей среды от
(20±5) °С до 45°С и собственном нагреве
электропривода до установившейся температуры при половине
длительного момента:
\ы+\м+ы-
2*
19

Таблица 1.2
Скорость

электродвигателя в долях
птах
1
0,5
0,1
0,01
0,001
0,0001
Погрешность скорости относительно
установленной, %, не более
суммарная
Л2
1,5
2
7,5
10
15
25
при
изменении нагрузки
±0,1
±0,5
±1,0
±3,0
±7,5
±10,0
при реверсе
ЛР
±0,1
±0,5
±1,0
±2,5
±5,0
±10,0
Коэффициент
неравномерности
вращения k
не более
0,05
0,05
0,1
0,1
0,15
0,25
Погрешность скорости при изменении нагрузки
определяется при изменении нагрузки от 0,15 М0 до М0,
номинальном напряжении питающей сети и температуре
окружающей среды (20±5) °С:
+ Л„= "0,15M0-*0,5M0 10QO/o;
П0,5М0
по,ш0
Погрешность скорости при изменении температуры
определяется при изменении температуры окружающей
среды от (20±5)°С до 45°С и предварительном нагреве
электропривода до установившейся температуры при
номинальном напряжении питающей сети и нагрузке,
равной 0,5 М0:
А,= *45O-n20° юо о/0,
п20°
Погрешность скорости при изменении напряжения
сети определяется при изменении напряжения питающей
сети от 0,9 t/ном до 1,1 £/ном, номинальном напряжении
и температуре окружающей среды (20±5)°С:
п\ли ~~пи
+ Д„ = __ном ном юоо/о;
пи
^ном
— Д^ = 'аС/"ом ^ном ШОо/о#
пи
^ном
20

Погрешность скорости при изменении направления
вращения (реверсе) определяется при холостом ходе
электропривода, номинальном напряжении питающей сети
и постоянной температуре окружающей среды (20±5)°С:
Д 2|/гп'~~|/гл1 100%,
Р |лп1 + |/1л1
где \пп\ и \пл\ — абсолютные значения скорости при
фиксированном постоянном задающем напряжении
соответственно для вращения электродвигателя вправо и влево.
Коэффициент неравномерности вращения
электродвигателя определяется отношением разности максимальной
и минимальной мгновенных значений частот вращения
к средней заданной скорости двигателя электропривода
с дополнительной инерционной массой (/ДОп=/дв). Все
измерения производятся при холостом ходе:
fta = (C"^n)/V
Минимальное среднее значение углового ускорения
электропривода с дополнительной инерционной массой
при скорости 0,5 Птах должно быть не менее значений,
указанных в табл. 1.3.
Среднее значение углового ускорения, рад/с2,
электропривода определяется отношением скорости 0,63ята*/2 ко
времени t от момента подачи ступени управляющего
напряжения, соответствующего частоте вращения птах/2,
до достижения данной скорости по формуле
е __ 0»63/гтах 2я
2т 60 '
Таблица 1.3

Длительный момент
Моч Н-м
0,35
0,47
0,7
1,0
1,3
1,7
2,3
3,5
4,7
7,0

Дополнительный момент
инерции УД(Ш,
КГ • М2
1,5
1,8—2,0
1,8—2,5
1,8—3,0
2—5
5-7
7-12
10—20
15—30
20—60

Минимальное
угловое
ускорение е,
рад/с2
5000
4500
4500
4С00
4000
4000
3500
3000
3000 1
3000

Длительный момент
М0, Нм
1
10
13
17
23
35
47
70
100
130
170

Дополнительный момент
. инерции УДоп,
кг • м2
30—110
100—150
150—220
150—320
300—500
500—640
800—1000
1000—1250
1400
1500

Минимальное угло*
вое
ускорение е,
рад/с2
1800
1700
1700
1700
1350
1250
1100
1000
900
750
21

Полоса пропускания замкнутого контура
регулирования скорости при наличии дополнительной инерционной
массы в соответствии с табл. 1.3 и при амплитуде
управляющего напряжения 0,1 В должна быть не менее 20 Гц
для тиристорных и 40 Гц для транзисторных
электроприводов. Полоса пропускания замкнутого контура
регулирования скорости определяется диапазоном частот, в
котором сдвиг по фазе первых гармоник сигналов тахо-
генератора и задатчика скорости не превышает 90°
или снижение амплитуды выходного сигнала не более
ЗдБ.
Электропривод имеет датчик скорости с крутизной
характеристики не менее 0,02 В-мин-1 с высокой
линейностью и симметричностью характеристики.
Фазовый или импульсный датчик пути, встраиваемый
или пристраиваемый к электродвигателю, выполняется
бесконтактным и имеет погрешность не более 5' на
полный оборот датчика. ,
Электромагнитный тормоз, встраиваемый в
электродвигатель, должен быть безлюфтовым,
растормаживаться при подаче на него напряжения и иметь момент не
менее 0,5 Mq. Время переходного процесса при включении
тормоза определяется от момента снятия напряжения до
достижения 0,9 М0\ время переходного процесса при
отключении тормоза определяется от момента подачи
напряжения до достижения 0,1 М0. Время переходного
процесса (включения и отключения) тормоза не более 0,1 с.
Напряжение питания тормоза 24 В постоянного или 110 В
переменного тока.
Объем преобразователя без аппаратуры защиты
силовых цепей определяется выпрямленным током в
соответствии с табл. 1.4. За номинальный выходной ток
преобразователя принимается среднее значение длительно
допустимого тока на выходе преобразователя. За
максимальный выходной ток преобразователя принимается
максимальный средний ток на выходе преобразователя,
Таблица 1.4
Номинальный ток преобразователя, А
До 25
До 100
До 200
Объем преобразователя в одноксорди-
натном исполнении, дм3, не более
15
40
90
22

который может быть обеспечен кратковременно в течение
0,2 с при переходных процессах.
Предельные габаритные размеры преобразователей
следует выбирать из следующих предпочтительных
значений: ширина 1/з В, или2/з5, или В, где В=483мм;
высота /ш, где п — целое число, и=44,45 мм; глубина не
более 500 мм.
Перерегулирование при скачкообразной подаче на
вход управляющего напряжения — не более 20 % при
частоте вращения 0,5 птах. Диапазон регулирования
скорости электропривода 1000 или 10 000. Диапазон
регулирования определяется отношением максимальной
скорости электропривода к минимальной, при которой
сохраняются технические параметры в соответствии с табл. 1.2.
Требования к системам защиты. Электроприводы
снабжены аппаратурой защиты, сигнализации и
индикации рабочих и аварийных режимов. Электроприводы
термически и динамически устойчивы при всех
аварийных режимах в течение времени срабатывания
установленных в них защитных аппаратов. Электроприводы
имеют следующие виды защит: от коротких замыканий,
токовых перегрузок, перенапряжений, исчезновения
вентиляции (в системах с принудительным охлаждением);
исчезновения напряжения сети; неправильного
чередования фаз (при необходимости).
Требования к конструкции. Силовой трансформатор,
токоограничивающий реактор, сглаживающие,
уравнительные и коммутационные реакторы, силовой
преобразователь выполнены в виде самостоятельных
конструктивных элементов, предназначенных для размещения в
шкафах одностороннего или двустороннего обслуживания,
выполненных в соответствии с СТ СЭВ 834-77.
Степень защиты электродвигателей с естественной
вентиляцией не ниже IP44 по ГОСТ 14255-69 (СТ СЭВ
592-77). Электродвигатели с принудительным
охлаждением имеют степень защиты не ниже IP22. Эти
электродвигатели должны снабжаться фильтрами очистки
охлаждающего воздуха. Степень защиты датчиков угла
поворота и частоты вращения после их встройки в
электродвигатель не ниже IP44. Степень защиты силовых
преобразователей, трансформаторов, реакторов IP00.
Исполнение электродвигателей — М3001, М3011,
М3031 в соответствии с СТ СЭВ 246-76.
Уровень вибрации электродвигателей соответствует
23

классу вибрации N или R по СТ СЭВ 2412-80. Оценка
уровня вибрации производится при п = 0,5 птах-
Допустимые пределы уровня шума для
электродвигателей соответствуют классу 1 или 2 по СТ СЭВ 1348-78.
Оценка уровня шума производится при « = 0,5 птах.
Допуски на концентричность центрирующей заточки,
на перпендикулярность опорного фланца по отношению
к валу и на биение свободного конца вала
электродвигателя должны соответствовать классу повышенной
точности.
Силовые преобразователи выполняются в одно-, двух-
и трехкоординатном вариантах с питанием от одного
силового трансформатора.
Конструктивно узлы электроприводов размещаются
в шкафах с односторонней установкой и обслуживанием
в соответствии с СТ СЭВ 834-77.
Силовой преобразователь, трансформатор и реакторы
должны иметь болт заземления с металлическим
покрытием в соответствии с СТ СЭВ 2308-80.
Требования к надежности. Наработка на отказ
комплектного электропривода не менее 4000 ч. Срок службы
не менее 10 лет.
1.6. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
К ЭЛЕКТРОПРИВОДАМ ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО
ТОКА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ С ЧПУ
Электроприводы должны отвечать требованиям
стандарта СЭВ СТ СЭВ 3572-82.
Классификация. Электроприводы главного движения
постоянного тока классифицируются по следующим
признакам:
по способу выполнения силового преобразователя: ти-
ристорные на основе управляемых вентилей,
транзисторные (транзисторно-тиристорные) на основе широтно-им-
пульсных преобразователей;
по способу регулирования скорости: изменением
напряжения на якоре электродвигателя (однозонные),
изменением напряжения на якоре электродвигателя и тока
возбуждения (двухзонные);
по наличию реверса скорости электродвигателя:
реверсивные, нереверсивные; по способу реверса:
реверсивные электроприводы с реверсом тока якоря
электродвигателя при питании от двухкомплектного преобразовате-
24

ля, реверсивные электроприводы с реверсом тока
возбуждения электродвигателя.
Если главный привод должен работать в следящем
режиме (с обратной связью по положению), то
электропривод должен быть выполнен с реверсом тока якоря
электродвигателя, питаемого от двухкомплектного
преобразователя. В противном случае чувствительность
электропривода при разнополярных возмущениях будет
недостаточна для обеспечения устойчивости следящего
привода.
Требования к составу электроприводов. В состав
электропривода входят: электродвигатель постоянного тока
с независимым возбуждением или возбуждением от
постоянных магнитов (двигатель может комплектоваться
датчиком скорости, вентилятором и другими
устройствами); полупроводниковый преобразователь; блок питания
обмотки возбуждения двигателя; трансформатор или то-
коограничивающие реакторы; автоматический
выключатель.
Требования к питающей сети по устойчивости к
внешним воздействиям и управлению соответствуют
аналогичным требованиям приводов подач.
Значения допустимых погрешностей скорости и
коэффициента неравномерности при различных скоростях
электропривода должны соответствовать приведенным
в табл. 1.5. Суммарная погрешность, погрешности при
изменении напряжения сети, температуры, направления
вращения и коэффициент неравномерности главного
привода определяются аналогично определению этих
погрешностей в приводах подач. Погрешность при изменении
нагрузки определяется при изменении нагрузки на ±0,4/НОм
по отношению к 0,6 /ном при номинальном напряжения
Таблица 1.5
Скорость
электропривода в до-
лях птпах
1
0,1
0,01
0,001
Погрешность скорости относительно
установленной, %, не более
суммарная
10
10
15
25
при изменении
нагрузки Д.,
м
2
2
5
10
при реверсе
2
2
5
10
Коэффициент

неравномерности k , не
более
0,1
0,1
0,2
0,3
25

питающей сети и температуре окружающей среды
(20±5)°Сг
П, — п0.61
+ АМ = -11й! '-2SSL. 100 %;
П°'6'ном
^0 fi/ — ^0 II
— Ам= ном ном 100%.
Л°-6'ном
Время возврата скорости к диапазону допуска по табл.
1.5 при ступенчатом приложении нагрузки от тока
холостого хода до /ном в реверсивных электроприводах
составляет от 0,1 до 1 с при скорости не менее номинальной.
Преобразователи без аппаратуры защиты силовых
цепей должны иметь конструктивные исполнения в
зависимости от номинального выпрямленного тока в
соответствии со следующими данными:
Номинальный ток преобразо- Суммарный объем
преобразователя, Л вателей, дм3
До 63 40
От 63 до 200 90
От 200 до 400 200
Свыше 400 300
Габаритные размеры преобразователя для приводов
главного движения выбираются аналогично приводам
подач.
При паяном максимальный ток электропривода,
допустимый в течение не более 10 с при переходных
процессах, должен быть не менее 2/ном.
Диапазон регулирования скорости электропривода:
200, 500 и 1000. Если главный привод должен работать
в следящем режиме, диапазон регулирования должен
быть увеличен до 10 000 и более, но без удовлетворения
параметрам табл. 1.5 при Z)>1000.
В требованиях к системам защит в главном приводе
добавляется защита от обрыва тока возбуждения.
Требования к конструкции и надежности приводов
главного движения и подач идентичны.
Элементы и узлы электроприводов могут
конструктивно выполняться в виде выемных блоков или съемных
панелей. Однотипные блоки или панели должны быть
взаимозаменяемыми.
26

Расчеты и экспериментальные проверки следящих
приводов на станках с ЧПУ показали, что перечисленные
общие требования нуждаются в корректировке, особенно
в части диапазона регулирования, равномерности
вращения, динамических параметров по управляющему и
возмущающему воздействиям. Конкретные значения
характеристик приводов приведены в гл. 2, качественные
требования к приводам станков можно сформулировать
так:
минимальные габариты электродвигателя при
высоких значениях вращающего момента и мощности;
высокая максимальная скорость;
значительные перегрузки привода в кратковременном
и повторно-кратковременном режимах работы;
широкий диапазон регулирования;
высокая стабильность характеристик, и в первую
очередь усилителя и тахогенератора;
высокое быстродействие при апериодическом
характере переходных процессов разгона и торможения;
высокое быстродействие при набросе и сбросе
нагрузки и при реверсе под нагрузкой на самых малых
скоростях;
высокая равномерность движения при различной
нагрузке на всех скоростях вплоть до самых малых;
высокая надежность и ремонтопригодность;
удобство конструктивной установки двигателей на
станке и встройки преобразователей в шкафы и ниши
станков;
малые габаритные размеры и расход активных
материалов;
небольшой расход дефицитных материалов;
простота наладки и эксплуатации;
малая энергоемкость;
высокая унификация узлов и отдельных элементов;
высокая экономичность и малая стоимость.
Как видно из перечисленных, а также многих других
требований, совмещение всех их в одном устройстве
принципиально невозможно. Поэтому при проектировании
и применении станочных электроприводов в каждом
конкретном случае удовлетворение одним требованиям
достигается в ущерб другим.
В силу этого конкретный выбор электроприводов
станков возможен только при наличии достаточно полной
информации по современным и перспективным элёктропри-
27

водам, а также при правильном формулировании
требований к приводам и расчете основных параметров
механизма и привода.
Глава вторая
СЛЕДЯЩИЕ ПРИВОДЫ ПОДАЧ
2.1. СТРУКТУРА СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА
Следящий привод представляет собой сложную мио-
гоконтурную систему автоматического регулирования,
замкнутую по положению. В состав этой системы входят
регулируемый электропривод с двигателем и датчиком
скорости, система управления приводом и питания
датчиков положения от УЧПУ, механическая передача,
охваченная обратной связью по положению. Механическая
передача, не охваченная обратной связью, не является
внутренним звеном следящего привода и оказывает на
него внешнее возмущающее воздействие в виде
дополнительного статического момента нагрузки и
дополнительного момента инерции. При наличии зазоров в
механической передаче следящему приводу приходится работать
в режиме не только возмущения по нагрузке, но также
и с переменным моментом инерции, что в ряде случаев
может привести к появлению автоколебаний в системе
регулирования. Все внутренние звенья следящего привода
оказывают .взаимное влияние друг на друга и должны
рассматриваться как составные части системы
автоматического регулирования.
Ниже приводится упрощенная интерпретация
основных понятий теории автоматического регулирования,
помогающая ее использовать в инженерной практике при
проектировании, эксплуатации, наладке и ремонте
следящих приводов.
Система автоматического регулирования является
системой, замкнутой по выходному параметру. Ее общая
схема представлена на рис. 2.1.
Для стабилизации выходного параметра ЛВЫх при
различных возмущениях объекта регулирования ОР
в систему вводятся жесткие и гибкие отрицательные
обратные связи. Сигнал на входе объекта регулирования
28

Лвх равен разности сигналов управления Лу и обратной
связи Л0,с от датчика обратной связи ДОС. Например,
при любом незапрограммированном возмущении объекта
регулирования, вызывающем увеличение выходного
параметра, растет сигнал отрицательной обратной связи,
что приводит к снижению входного сигнала, а
следовательно, уменьшению выходного параметра (до тех пор,
пока фазовый сдвиг между входным и выходным
сигналами не превышает 180°). Таким образом автоматически
поддерживается значение выходного параметра на
заданном уровне с определенной точностью.
Рис. 2.1. Общая схема системы автоматического регулирования
Введение положительной обратной связи вызывает
неустойчивость системы регулирования, так как при
любом незапрограммированном возмущении, вызывающем
рост выходной величины Лвых растет сигнал обратной
связи Л0,с и растет входной сигнал, что вызывает
дальнейшее увеличение выходной величины до
максимального значения, ограниченного насыщением системы.
Наиболее просто анализ динамических характеристик
системы автоматического регулирования проводится
методом гармонической линеаризации, или методом
гармонического баланса. Этот метод дает удовлетворительные
результаты для линейных и линеаризованных систем
и может с достаточной для инженерных расчетов
точностью использоваться для станочных приводов.
Метод гармонического баланса заключается в
исследовании поведения системы автоматического
регулирования при подаче на ее вход гармонического
синусоидального сигнала, частота которого изменяется от 0,
соответствующего установившемуся режиму, до значения, при
котором выходной сигнал становится существенно
меньше входного. Метод гармонического баланса является
одним из основных методов исследования системы
автоматического регулирования в переходных режимах.
Кривая любой формы математически записывается в виде
29

z
и
Чых1
t^p
Uc ^»
// cot
а)
^6xt
Л _. _. *■►
\\^8b>xf
^ Xa6i,ix2
Рис. 2.2. Графическое изображение входных и выходных
гармонических сигналов (а) и векторов (б)
ряда Фурье с определенным числом членов этого
гармонического ряда.
На рис. 2.2, а дано графическое изображение одной
из гармоник входного Авх и выходного Авых сигналов
в виде синусоид и векторов, смещенных на угол со/=ф.
Анализ параметров системы автоматического
регулирования проводится по дифференциальным
уравнениям, амплитудно-фазочастотным характеристикам
(АФЧХ), передаточным функциям и переходным
характеристикам, между которыми существует строго
определенная связь.
Дифференциальные уравнения являются аналитическим
описанием физических процессов, происходящих в системе
автоматического регулирования.
Для двигателя постоянного тока с независимым возбуждением
приводимая ниже система уравнений выражает законы нарастания
тока i в якоре при приложении к нему напряжения и, создания
в двигателе электромагнитного момента М и разгона двигателя на
холостом ходу под действием этого момента до установившейся
скорости со:
di
и — e + iR + L — ; е = ссо; М = а;
dt
cfco
M = J—; TM=JR/c*;
dt
тэ = ш,
(2.1)
где / — момент инерции двигателя; Тм, Тд —
и электромагнитная постоянные времени.
Совместное решение уравнений (2.1) дает
циальное уравнение двигателя постоянного тока
электромеханическая
общее дифферен-
со + Гм
dm
It
+ ^м Тэ
d*«>
(2.2)
30

Левая часть выражения (2.2) представляет собой входной
сигнал — напряжение на якоре двигателя, а правая — выходной
сигнал— скорость и ее производные с соответствующими
коэффициентами.
Исследование системы автоматического регулирования по
дифференциальным уравнениям весьма затруднительно в связи со
сложностью решения дифференциальных уравнений.
Метод АФЧХ — графическое представление об основных
электрических величинах, таких, как ток и напряжение (ЭДС),
являющихся векторами, определенным образом ориентированными на
U
1
JCDC
а)
UtfT&c \
Рис. 2.3. Принципиальная схема (а) и векторная диаграмма RLC-
цепи (б)
(2.3)
плоскости. Фазовый сдвиг между ними зависит от параметров
электрической цепи. Геометрический сдвиг по фазе отдельных векторов
аналитически выражается введением комплексного переменного. Так,
индуктивное, емкостное и полное сопротивления цепи в комплексном
виде выражаются следующим образом:
XL = /coL; Xc = I //©С;
Z = /?+/o)L+ 1/усоС,
Графически все электрические величины изображаются на
комплексной плоскости с действительной осью абсцисс и мнимой осью
ординат.
Общее уравнение последовательной электрической RLC-цепя
в комплексной форме (графически изображено на рис. 2.3)
£/ = /(/? + /cdL + 1//шС). (2.4)
Амплитудно-фазочастотная характеристика — это комплексный
коэффициент усиления разомкнутой системы, представляющий собой
отношение выходного сигнала к входному в функции частоты
входного сигнала
31

*ряв (/»Г= АвЫх №>) ГА*х (А») = Л И ^~/ф(№>• (2-5)
Передаточная функция — это инженерная математическая
запись АФЧХ, полученная заменой мнимой переменной /<в
действительным оператором р. Например, сопротивление, индуктивность
и емкость в операторном виде записываются следующим образом:
X, = рЦ Хг= 1/рС;
' (2.6)
PC; \
Z = R + pL+l/pC,
а передаточная функция разомкнутой системы
^раз (Р) = (р)Мвх(р)- (2.7)
Аналогичная операция может быть проведена и с
дифференциальными уравнениями, где оператор р заменяет символ
дифференцирования d/dt. При этом дифференциальные уравнения заменяются
алгебраическими, порядок которых равен высшему порядку
производной соответствующего дифференциального уравнения. В
операторном виде дифференциальное уравнение двигателя выглядит
следующим образом:
(/=— (1+Тмр + ТмТэр*). (2.8)
С
Передаточная функция двигателя постоянного тока с
независимым возбуждением
w U(p) 1+Тмр + ТыТвр*
Знаменатель передаточной функции является
характеристическим уравнением, по корням которого можно судить об устойчивости
системы регулирования и характере переходных процессов.
Переходная характеристика — это зависимость выходного
сигнала от реального параметра времени. Именно эта характеристика
интересует проектировщика, исследователя и наладчика станка
с ЧПУ.
Различные математические описания системы
регулирования (с помощью дифференциальных уравнений,
АФЧХ, передаточных функций и т. д.) помогают
наиболее просто косвенным путем определить вид реальной
переходной характеристики, способ получения желаемой
переходной характеристики, а также вид и параметры
необходимого корректирующего устройства.
Рассмотрим, что дает охват отдельных звеньев и
системы автоматического регулирования в целом
обратными связями.
32

Амплитудно-фазочастотная характеристика замкнутой
системы (рис. 2.1)
^з (/со) =
^о.р (/ю)
(2.10)
1 + ^о.р (/А>) *о,с '
где k0,c — коэффициент обратной связи.
При достаточно высоком коэффициенте усиления
систем регулирования, что имеет место во всех
современных приводах, для низких и средних частот
управляющего сигнала выражение (2.10) упрощается, так как W0tP
&о,с»1. Тогда
W3=l/kos, (2.11)
т. е. поведение замкнутой системы не зависит от
параметров объекта регулирования и полностью
определяется коэффициентом обратной связи.
Рис. 2.4. Разгон разомкнутого и замкнутого приводов
Таким образом, весьма эффективно охватывать
обратными связями нестабильные, нелинейные и инерционные
узлы системы регулирования. Физически введение
отрицательной обратной связи обеспечивает форсировку
отработки входного сигнала вследствие соответствующего
усиления. Полный эффект форсировки проявляется в
линейной области работы, снижается при вступлении в
действие нелинейных факторов и полностью исчезает при
насыщении.
Как видно из рис. 2.4, при подаче на вход сигнала
Авх, соответствующего получению на выходе сигнала
3-894
33

Авых=к0,рАвх, где k0,p — коэффициент усиления объекта
регулирования, в разомкнутой системе разгон будет
происходить по кривой 1.
В замкнутой системе требуемый сигнал управления
существенно больше Лвх и равен
ЛВХ2 » kQ с ЛВЫХ1 = kQQ kop ABXV (2.12)
В установившемся режиме
4к1 =* ^вХ2 — А>,с = К,с ^о.р ^bxi — А>,о • ^2- №)
Однако в переходных режимах сигнал обратной связи
отстает от управляющего вследствие инерционности
объекта регулирования. Так, при пуске в первый момент
времени Ло,с=з0, и к приводу прикладывается
форсированный в коэффициент усиления &0,с&о,р раз сигнал
Этот сигнал должен был бы обеспечить разгон
привода по кривой 2 до величины ЛВЫх2, которая в k=k0tcko,v
раз больше, чем ЛВЫхь но этого не происходит из-за
роста по мере разгона привода сигнала обратной связи.
Реально процесс разгона пойдет по кривой 3 или 4 с
временем переходного процесса t'<U<£.tv.
Из приведенных рассуждений видно, что введение
отрицательной обратной связи увеличивает
быстродействие объекта регулирования. Введение положительной
обратной связи оказывает обратное воздействие на привод
и снижает его быстродействие.
Рассмотрим связь между АФЧХ и переходной
характеристикой при различных положениях вектора сигнала
обратной связи относительно сигнала управления на
комплексной плоскости (рис. 2.5, 2.6).
Если вектор сигнала обратной связи А0,с\ совпадает
по направлению с вектором сигнала управления (ф1 = 0),
то выходной сигнал повторяет входной с постоянным
коэффициентом пропорциональности (рис. 2.6,а).
Если векторы сигнала обратной связи А0)С2 и Л0,сз
отстают от управляющего сигнала на углы 0<ф2<90°,
<р3=90°, то векторы-составляющие (проекции вектора
сигнала обратной связи на действительную и мнимую оси
координат) не изменяют своего направления, что
соответствует апериодической переходной характеристике
(апериодический переходный процесс) — рис. 2.6, б.
Если угол сдвига векторов сигналов управления и обратной
34

связи 90°<ф4<180°, действительная составляющая
вектора Л0,с4 изменяет свое направление, что вызывает
колебания в кривой переходной характеристики; мнимая
-Re
А +Н
*к
А
/ \
Л0,СЦ i
1
*V = 0
**Г^\
f Д0,С5
'-/П7
Лр.СГ *tf
jaw ■ .$^i ^
^^^0,С2
Рис. 2.5. Графические положения вектора обратной связи
А\
i
j
Лбых
^6х \
1
f
•^
Л »
а)
Рис. 2.6. Переходные
характеристики привода при
различных значениях ф:
а — ф=0;
<Ф<180°
б — 0<ф<90°; в — 90° <
составляющая сохраняет при этом свой знак, что
приводит к успокоению этих колебаний.
Таким образом, при 90°<ф4<180° переходная
характеристика является колебательной, а ее колебания
затухающие (рис. 2.6, в).
При ф5=180°, мнимая составляющая А0,съ
становится равной 0, а знак обратной связи меняется на обрат-
3*
35

ный. Именно поэтому ср—180° — критический угол
сдвига между сигналами управления и обратной связи,
соответствующий границе устойчивости. Если при ф=180°
коэффициент усиления системы регулирования ky =
= Ао,с£о,р=1, то сигнал на входе равен сигналу на
выходе и в системе возникают незатухающие колебания.
При фб>180° и действительная и мнимая
составляющие Л0,сб изменяют свои направления и система
регулирования становится неустойчивой. В переходной
характеристике появляются расходящиеся колебания,
амплитуда которых ограничена насыщением привода.
Для исследования устойчивости и качества системы
автоматического регулирования используются АФЧХ
W(j&)> которые строятся для систем регулирования,
представленных типовыми звеньями. Наибольшее
практическое применение нашли логарифмические АФЧХ
(ЛАФЧХ), которые показывают, устойчива ли система,
каковы ее динамические свойства, а также позволяют
определить вид и параметры корректирующих звеньев
для обеспечения желаемого характера переходных
процессов.
Логарифмические АФЧХ представляют собой
зависимости модуля А и фазы ф от угловой частоты
управляющего сигнала ю, построенные в логарифмическом
масштабе для разомкнутого электропривода. По оси
ординат откладываются величины 20 lgЛ и ф, а по оси
абсцисс — частота (в логарифмическом масштабе).
Величину 20 lg Л обозначим L((o). Таким образом,
изменению модуля Л в 10 раз соответствует изменение наклона
L(co) на 20 дБ/дек.
Точка пересечения L((o) с осью абсцисс
соответствует модулю Л = 1. Частота управляющего сигнала, при
которой L(o) =0(Л = 1), является частотой среза
привода coo. Спектр частот от 0 до частоты среза (о0 является
полосой пропускания привода. Сигналы с частотой выше
частоты среза подавляются приводом, так как при
сэ>(0о коэффициент усиления привода Л<1.
Если при (о=о)о ф<180°, то система регулирования
устойчива. Разница между 180° и действительным
фазовым сдвигом ф при частоте среза о=о)о называется
запасом по фазе Аф. Если из точки пересечения
фазовой характеристики ЛФЧХ с горизонталью ф=180°
восстановить перпендикуляр, то отрезок, заключенный
между ЛАЧХ и осью абсцисс L(o))==0, является запасом по
36

модулю, который показывает, во сколько раз
коэффициент усиления привода стал меньше 1 (каково
подавление) для той частотной составляющей сигнала, при
которой привод находится на границе устойчивости (ф =
= 180°).
Существует зависимость между частотными
переходными характеристиками и векторными диаграммами.
Далее приведены все рассмотренные характеристики
нулевого, первого, второго и третьего порядков.
+/f
к
9 *
1
}*8х |
f
3)
Ми
^Вых
В)
L =201дк
^«0
*)
со
Рис. 2.7. Характеристики звена
нулевого порядка:
а — реакция на входное
синусоидальное возмущение; б —
векторы входной и выходной
величин; в — АФЧХ на
комплексной плоскости; г —
ЛАФЧХ; д — переходная
характеристика
Система нулевого порядка — линейное
безынерционное (усилительное) звено:
АФЧХ
U7(/(o) = ftf Ф = 0;
передаточная функция
W (р) = k, Лвых = kA№
37

На рис. 2.7 представлены все рассмотренные ранее
характеристики усилительного звена.
Система первого порядка — инерционное звено:
АФЧХ
Г(/(0) =
—/ arctg ©Г.
1 + A»r Vi+tfTi
передаточная функция
W (р) = k/(l + рТ).
(2.15)
(2.16)
На рис. 2.8, а—в показаны входной и выходной
сигналы с частотами fu /2 при /ч</г и векторная диаграмма.
А\
\ /Л
/1 *
>fl бых
\
Я)
cot
\.
ДА
шр^
0)Ь
•р=90*
4Р~90°
Рис. 2.8. Характеристики звена первого порядка:
а — реакция на входное синусоидальное возмущение; б — реакция на входное
синусоидальное возмущение при (о~*оо; в — г -кторы входной и выходной
величин; г —АФЧХ на комплексной плоскости; d — ЛАФЧХ; е — переходная
характеристика
38

Амплитудно-фазочастотная характеристика (или
годограф) для инерционного звена показана на рис. 2.8, г.
Максимальный фазовый сдвиг между выходным и
входным сигналами составляет 90° при со->оо.
На рис. 2.8, д, е показаны ЛАФЧХ и переходная
характеристика. Частота сопряжения равна (oi = l/T\.
Частота среза (о=(о0. Запас по фазе Дф>90°, запас по
модулю ДМ = оо.
Система второго порядка может быть представлена
двумя инерционными или одним колебательным звеном.
В общем виде для системы второго порядка:
АФЧХ
W (/©)= £ ; (2.17)
передаточная функция
W (р) = k- ; (2.18)
характеристическое уравнение
ТгТ2^ + Т1Р+ 1=0. (2.19)
Корни характеристического уравнения
— гг ± YT\ — 47\ т2
PU2 e 2Г\Т2
(2.20)
могут быть действительными различными,
действительными равными и комплексно-сопряженными.
Дискриминант равен
D = Tl — 47\Г2. (2.21)
Он определяет вид корней характеристического
уравнения.
Если Z)>0, корни действительные различные, если
£)_0 — корни действительные равные, если D<0 —
корни комплексно-сопряженные. При D>0 передаточная
функция (2.18) может быть преобразована:
w' W e; гтт ^г • <2-22>
Эквивалентные постоянные времени в (2.18) и (2.22)
определяются в соответствии с формулами
TJ2 = T\T£ ТХ=>Т\ + ГТ (2.23)
39

Логарифмическая амплитудно-частотная
характеристика звена аппроксимирована отрезками прямых с
наклоном 20 дБ/дек и сопрягающей частотой oi и с
наклоном —40 дБ/дек и сопрягающей частотой ог. Значения
сопрягающих частот
о, = \1Т\\ о)2 = l/T1^; при этом о)2 < со2.
При D = 0 передаточная функция звена второго порядка:
W (р) = - . (2.24)
хн/ (1+Г'р)?
Решая совместно характеристические уравнения
выражений (2.18) и (2.24), находим Г = 7\/2. ЛАЧХ
звена (2.24) аппроксимирована отрезком с наклоном
—40 дБ/дек и частотой сопряжения о=1/Г/.
Переходные характеристики в этих случаях являются
апериодическими.
При D<.0 система второго порядка является
колебательной. Размах колебаний определяется
коэффициентом демпфирования |, который находится из граничного
значения дискриминанта D = 0 (Т\—4Г1Г2=0) по
соотношению постоянных времени
При Z)<0 передаточная функция звена второго
порядка:
W(p) = - . (2.25)
При £<1 — переходная характеристика
колебательная, а частота колебаний
о = 2ЦТЪ (2.26)
т. е. амплитуда колебаний тем больше, чем меньше g.
При g=0 колебательное звено соответствует
консервативному (с незатухающими колебаниями).
На рис. 2.9 представлены типовые характеристики
системы второго порядка. На нем приняты следующие
обозначения: оо — частота среза, т. е. частота, при
которой комплексный коэффициент усиления системы
становится равным 1, а логарифмический 0; ос — частота
собственных колебаний, или собственная частота,
определяемая в соответствии с (2.26); период собственных
40

Hi) t 3) t
Рис. 2.9. Характеристики звена второго порядка:
а — реакция на входное синусоидальное возмущение; б — реакция на входное
синусоидальное возмущение при (о-> оо; в — векторы входной и выходной ве«
личин; г —АФЧХ на комплексной плоскости; д — ЛАФЧХ при D>0; e —
ЛАФЧХ при D=0 и D<0; ж — переходная характеристика при D>0;
а—переходная характеристика при D<0
41

колебаний привода на рис. 2.9,5 Гс=2я/а)с; соп —
полоса пропускания — частота, на которой коэффициент
усиления системы Л (со) падает до 0,707 или
логарифмический коэффициент усиления изменяется на —3 дБ.
При колебательном характере переходного процесса
(Ос<соо<соп. Разность между истинной характеристикой
электропривода, общей для управляющего и
возмущающего воздействий, — собственной частотой и
искусственным параметром соп — полосой пропускания может
составлять 10 Гц и более, что является весьма существенным
для реальных собственных частот привода,
колеблющихся в пределах 10—70 Гц. Поэтому правильнее
характеризовать динамические параметры привода не
полосой пропускания, а собственной частотой.
В частном случае система третьего порядка может
быть представлена АФЧХ
W (/со) = - (2.27)
(1+/соГ1)(1+/соГ2)(1+/соГ3)
и передаточной функцией
W (р) = k- . (2.28)
(l+TlP)(\+T2p)(\+T3p)
В зависимости от коэффициента усиления и
постоянных времени системы третьего порядка и выше могут
быть устойчивыми, неустойчивыми или
условно-устойчивыми. В последнем случае (рис. 2.10) в характеристике
L(co) при со<соо имеется участок с наклоном—60 дБ/дек
или более. Введение опережающих звеньев с
положительным наклоном ЛАЧХ обеспечивает устойчивую
работу привода при частоте среза со0; однако снижение
коэффициента усиления и связанное с ним уменьшение
частоты среза могут привести к потере устойчивости
систем автоматического регулирования, так как в этом
случае на частоте среза может оказаться, что ср>180°.
В связи с этим применение в станочных приводах
условно-устойчивых систем нецелесообразно из-за
возможного снижения коэффициента усиления системы
регулирования за счет различного рода нелинейностей привода.
Следящий привод отличается от всех рассмотренных
ранее систем регулирования повышением их порядка за
счет введения интегрирующего звена с передаточной
функций W(p) = l/p. Это звено является обязательной
физической составляющей следящего привода и указы-
42

вает на преобразование скорости двигателя в угол
поворота или линейное перемещение управляемой
координаты. Таким образом, передаточные функции следящих
приводов нулевого, первого, второго и третьего
порядков можно представить в виде
р piy+тр)
W2(p) = - k
WS(P)=-
p[(T/2l)*p* + Tp+\\ '
k
p(l+TlP)(\+T2p)(\+T3p)
(2.29)
•годЫдвк
Рис. 2.10. ЛАФЧХ условно-устойчивого звена
На рис. 2.11 приведена типовая структурная схема
следящего привода станка с ЧПУ. Импульсный сигнал
управления от ЧПУ вместе с сигналом отрицательной
обратной связи с датчика положения ДП поступает на
регулятор положения РП, основным элементом которого
является цифро-аналоговый преобразователь ЦАП,
обеспечивающий,, преобразование различных сигналов от
ЧПУ и ДП в аналоговый сигнал управления приводом.
Сигнал с выхода РП вместе с сигналом обратной связи
по скорости с датчика скорости ДС поступает на вход
регулятора скорости PC и далее, суммируясь с
сигналом с датчика тока ДТУ — на вход регулятора тока РТ,
а с выхода силового преобразователя П выпрямленное
43

4^
•^jct^mct)
PC
4'
J
PT№
'otctc
//«
PT
•w?
Г
• 1
*n
Двигатель . м
-W 1Л/лин
L
^о.с.т
ЛГ
Л 9
л
7зв
J С U&L
II—тдв
ТГ
ДС
Регулируемый электроприбод
«д,с
соъЬ
*3,п
ДП
'мех
Механизм
<*П
±
Р
(Ог
it
Умех
&t*ex
-Е>
#мех
Рис. 2.11. Структурная схема следящего привода

регулируемое по значению и знаку напряжение
подается на якорь двигателя. В двигателе происходят
следующие физические преобразования: под действием
приложенного напряжения в обмотке якоря протекает ток
/, создающий вместе с потоком возбуждения
электромагнитный момент Af, под действием этого момента
якорь двигателя приходит во вращение и со скоростью
о поворачивает вал двигателя, а вместе с ним
соединенную с двигателем механическую передачу на угол ф.
С ростом скорости растет противо-ЭДС двигателя
£, что вызывает снижение пускового тока до значения,
определяемого нагрузкой привода.
Для линейных координат происходит дальнейшее
преобразование вращательного движения в
поступательное с помощью передачи винт—гайка, рейка—шестерня,
червяк—шестерня и т. д.
Одним из основных требований высококачественных
следящих приводов является обеспечение
апериодического переходного процесса. В линейных и
линеаризованных системах апериодический переходный процесс
можно получить только за счет соответствующего
построения структуры привода либо за счет формирования
кривой управляющего воздействия.
Так как в структуре следящего привода
интегрирующее звено с фазовым сдвигом 90° является
обязательной его составляющей, то все остальные составные
части следящего привода практически не должны вносить
никакого фазового сдвига до частоты среза следящего
привода, т.е. каждый внутренний контур должен быть
практически безынерционным на частоте среза
внешнего контура. Это обеспечивается правильным выбором
и расчетом параметров регуляторов.
Регуляторы строятся на основе операционных
усилителей с большим коэффициентом усиления. На рис. 2.12
а) д) в)
Рис. 2.12. Схемы регуляторов, выполненные на операционных
усилителях:
а —■ П-регулятор; б — И-регулятор; в — ПИ-регулятор
45

показаны принципиальные схемы пропорционального
(П), интегрального (И) и
пропорционально-интегрального (ПИ) регуляторов. Считая коэффициент усиления
операционного усилителя достаточно высоким, можно
принять потенциал входа равным потенциалу общей
точки и изобразить на рис. 2.13 схемы замещения
указанных регуляторов для определения их передаточных
функций:
Рис. 2.13. Схемы замещения регуляторов на операционных
усилителях:
а — П-регулятор; б — И-регулятор; в — ПИ-регулятор
П-регулятора
где k=RJR0;
И-регулятора
W„ (p) =, 1/7>,
где T=R{C0\
ПИ-регулятора
пи Тр
где k=Ri/R0; T=RlCi.
Регуляторы скорости и тока в основном являются
пропорционально-интегральными, хотя могут быть и
иными. Регулятор положения в станочных приводах —
пропорциональный. Следящий привод предусматривает
обязательное наличие интегрирующего звена,
вносящего постоянный фазовый сдвиг 90°. Введение в контур
положения ПИ-регулятора увеличивает фазовый сдвиг
свыше 90°, ведет к снижению запаса по фазе и росту
колебательности следящего привода в переходных
процессах, а следовательно, к наличию «перебегов», что
недопустимо в высококачественных станках с ЧПУ.
Введение в контур положения дифференцирующих кор-
46

ректирующих звеньев снижает помехоустойчивость
привода. Таким образом, следует стремиться к тому, чтобы
ЛАЧХ следящего привода в низкочастотной и среднеча-
стотной областях имела наклон —20 дБ/дек.
Частота среза разомкнутого контура положения
должна быть существенно меньше частоты среза замкнутого
контура скорости — только в этом случае контур
скорости можно считать безынерционным, а следящий
привод обеспечивает апериодические переходные процессы.
Подобное заключение относится не только к
регулируемому электроприводу, но и ко всем составляющим
следящего привода: механической передаче, охваченной
обратной связью, приборному редуктору к датчику
положения, устройству управления приводом от системы
ЧПУ.
2.2. ПОГРЕШНОСТИ СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА
Существенное влияние на качество обработки и
производительность оказывают погрешности следящего
привода, которые могут быть рассчитаны по
коэффициентам усиления следящего привода при управляющем
и возмущающем воздействиях и по передаточным
функциям систем автоматического регулирования [1].
Различают три вида погрешностей: скоростную, мо-
ментную и динамическую.
Скоростная, или кинетическая, погрешность Дс
определяется отставанием рабочего органа станка от
заданного положения при установившемся движении с
постоянной скоростью. Она прямо пропорциональна
скорости перемещения v и обратно пропорциональна
добротности по скорости следящего привода:
Дс = v/k0. (2.30)
Уменьшение скоростной погрешности может быть
произведено либо за счет снижения подачи при резании
и быстром перемещении, либо за счет увеличения
добротности. Снижение подачи ведет к снижению
производительности механизма, а увеличение добротности
увеличивает колебательность следящего привода и может
вывести его из устойчивого состояния.
Правильный выбор добротности по скорости
является первой задачей расчета следящего привода.
Физически добротность kv является коэффициентом
47

пропорциональности между скоростью и погрешностью.
По аналогии с регулируемым приводом добротность—
это коэффициент усиления следящего привода,
выходкой величиной которого является скорость, а входной—
погрешность (рассогласование).
Добротность определяется произведением трех
коэффициентов, связывающих между собой погрешность Дс,
сигнал управления приводом от ЧПУ Uyy скорость
двигателя и скорость перемещения механизма v:
К = афПр, (2.31)
где а = £/у/Ас—коэффициент пропорциональности
между напряжением управления привода и скоростной
погрешностью; р=п/[/у— коэффициент
пропорциональности между скоростью двигателя и напряжением
управления; ip=v/n—передаточное отношение редуктора
от двигателя к механизму.
Регулирование добротности производят при
неизменной силовой передаче настройкой а в системе ЧПУ,
либо р — в приводе. Значительное изменение
коэффициента обратной связи по скорости нецелесообразно.
Увеличение коэффициента обратной связи по скорости
ограничено максимальным напряжением с тахогенера-
тора и от системы ЧПУ. Ослабление обратной связи
увеличивает влияние параметров регулируемого привода
(скоростного контура) на характеристики следящего
привода (контура положения). При значительном
ослаблении обратной связи по скорости начинает
сказываться инерционность регулируемого привода, что
приводит к увеличению колебательности следящего
привода.
Стабилизация следящего привода в этом случае
осуществляется не только изменением параметров
корректирующих цепей скоростного контура (и токового, если
таковой имеется), но, в первую очередь, за счет
снижения добротности, что ведет к увеличению скоростной
погрешности.
На рис. 2.14 и 2.15 показаны графики изменения
сигнала управления приводом от погрешности Uy = f(\Q)
и скорости двигателя от сигнала управления со=/([/у).
Скоростная погрешность определяется при холостом
ходе. При нагружении привода скоростная погрешность
возрастает на значение моментной погрешности.
Момеьтная, или нагрузочная, погрешность Дм опре-
48

деляется перемещением привода под действием момента
нагрузки при отсутствги управляющего сигнала. Она
прямо пропорциональна статическому моменту МС1,
и обратно пропорциональна добротности по моменту
следящего привода kM:
% = MJkr (2.32)
Добротность по моменту определяют как отношение
статического момента, близкого к номинальному, к углу
поворота вала двигателя под действием этого момента:
VM
MJw
ДВ р'
иу\
Рис. 2.14. Зависимость сигнала
управления от сигнала
рассогласования
СО f
Рис. 2.15. Зависимость скорости
от сигнала управления
Угол поворота вала двигателя может быть приведен
к перемещению рабочего органа станка по формуле
% = '
Рдв V
При определении добротности привода по моменту
необходимо учитывать всю цепь электромеханического
привода. Однако вследствие того что кинематические
цепи приводов подач современных станков с ЧПУ
достаточно короткие и жесткие, в расчетах обычно
учитывается только нежесткость (податливость)
электропривода. При наличии длинных ходовых винтов малого
диаметра или других звеньев с недостаточной жесткостью
в расчетах добротности по моменту необходимо
учитывать их податливость.
На рис. 2.16 представлены механические
характеристики разомкнутого и замкнутого по скорости
регулируемого электропривода.
Жесткость разомкнутого регулируемого привода
Vp = М/Дсор. (2.33)
4-894
49

Рис. 2.16. Механические
характеристики регулируемого электропривода
Рис. 2.17. Характеристики разгона—4
торможения привода при ступенча*
том (а) и линейно нарастающем
сигналах управления (б)
СО \
Жесткость замкнутого привода
где kc,K — коэффициент усиления разомкнутого
скоростного контура.
Снижение скорости двигателя при нагружении
моментом М в разомкнутой системе
Дсор = MZR/c2.
Снижение скорости от нагрузки в замкнутом
скоростном контуре
Дсо3 = MJyv Лс,к. (2.34)
Следящий привод, замкнутый по положению,
является астатическим по скорости (снижение скорости
Дсо = 0).
Для компенсации снижения скорости от нагрузки
в скоростном контуре возникает дополнительное
рассогласование по положению (моментная погрешность):
Ал
лм
д<*з КК
Подставляя (2.34) в (2.35), получаем
д ^ст *р
7р«с,к^
(2.35)
(2.36)
50

Решая совместно (2.32) и (2.36), получаем
зависимость добротности привода по моменту от параметров
скоростного и следящего контуров:
Динамические погрешности возникают при наличии
изменения задания скорости движения или статического
момента и определяются параметрами системы
автоматического регулирования по отклонению между
действительным и заданным положениями рабочего органа
в переходных режимах. Динамические погрешности
накладываются на скоростную и моментную
установившиеся погрешности при управляющем (изменение
управляющего сигнала) и возмущающем (изменение момента
нагрузки) воздействиях.
В соответствии с требованиями к приводам подач
станков с ЧПУ для обеспечения максимальной точности
позиционирования привода, идентичности размеров
партии обрабатываемых деталей, а в ряде случаев
минимальной шероховатости при обработке необходимо иметь
апериодический переходный процесс при управляющем
воздействии (при торможении).
На рис. 2.17 показана типовая характеристика
разгона—торможения электропривода. Динамическая
погрешность возникает вследствие инерционности
привода, не успевающего мгновенно отслеживать все
изменения управляющего сигнала:
Ада-(»в-»д)'. (2.38)
где v3t vA — заданные и действительные скорости
привода в переходных режимах; t — интервал времени
определения погрешности.
В системах ЧПУ сигнал управления изменяется
обычно не мгновенно, а по линейному закону с временем,
превышающим время переходного процесса привода. При
этом динамическая погрешность существенно
снижается, а погрешность в переходных режимах практически не
превышает суммарного значения скоростной и момент-
ной погрешностей. Кроме того, обеспечивается
апериодический процесс торможения привода.
Однако значительное увеличение времени изменения
сигнала управления приводит к снижению
производительности, что особенно существенно сказывается при
коротких ходах механизма, когда механизм может да-
4*
51

же не успеть разогнаться до установившейся скорости
быстрого хода. Поэтому в механизмах подач станков
с ЧПУ всегда целесообразно отдавать предпочтение
более быстродействующим электроприводам.
Динамическая погрешность привода подачи при
возмущающем воздействии в современных станках с ЧПУ
также в основном определяется параметрами самого
регулируемого электропривода и добротностью следящего
привода, так как момент инерции механизма в
основном значительно меньше собственного момента инерции
электродвигателя.
На рис. 2.18 показана кривая скорости привода при
возмущающем воздействии. При скачкообразном
приложении момента наблюдается резкое снижение скорости,
что приводит к неравномерному вращению вала двига-
Рис. 2.18. Кривая скорости
двигателя при возмущающем
воздействии
теля. Скачок угла поворота вала показан в виде
заштрихованной площадки на рис. 2.18. С достаточной для
инженерных расчетов точностью ее можно заменить
треугольниками с высотой Лео и основанием:
Фдв = Асо//2. (2.39)
Динамическая погрешность перемещения механизма
от возмущения
ДИН "v*/**.
Таким образом, установлена связь погрешностей
следящего привода со статическими и динамическими
параметрами регулируемого электропривода, а также
влияние погрешностей следящего привода на
технологические характеристики обработки.
Скоростная и моментная погрешности влияют на
точность обработки, динамические погрешности помимо
52

снижения точности вносят дополнительную
шероховатость при обработке. Динамическая погрешность по
управляющему воздействию при отсутствии перебегов
при торможении не влияет на шероховатость. Следует
отметить, что чем большее быстродействие по
возмущающему воздействию (по нагрузке) имеет регулируемый
привод, тем меньше сказываются на шероховатости
обрабатываемых деталей не только колебания момента
нагрузки, вызванные резанием, но и дефекты
механической части привода, обусловленные неравномерностью
трения в направляющих, перекосом в опорах и т. д.
Кроме того, привод с высоким быстродействием по
нагрузке обеспечивает большую равномерность
перемещения в широком диапазоне регулирования.
2.3. ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА
НА КАЧЕСТВО ОБРАБОТКИ
Основными показателями качества обработки
являются точность и шероховатость обработанных деталей.
Точность детали определяется соответствием размеров,
формы и взаимного расположения поверхностей
заданным. Погрешности формы и взаимного расположения
поверхностей обрабатываемых деталей возникают в
процессе обработки из-за следующих причин: неточности
и деформации станка, инструмента и приспособления;
деформации обрабатываемого изделия;
неравномерности припуска на обработку; неоднородности материала
заготовки; недостаточной жесткости и невысокого бьь
стродействия приводов главного движения и подач
и т. д. Эти погрешности отрицательно влияют: на
износостойкость готовых изделий вследствие повышенного
давления на выступах поверхности; на прочность
неподвижных посадок из-за неравномерности натяга; на
точность работы механизмов при использовании
направляющих, копиров, кулачков и прочего в связи с
искажением исходных геометрических профилей и т. д.
В табл. 2.1, 2.2 указаны значения предельных
отклонений формы обрабатываемых деталей для различных
степеней точности и виды обработок, при которых они
достигаются [2].
Различные отклонения профиля продольного сечения
в значительной степени зависят от равномерности
движения приводов главного движения и подач в устано-
53

Таблица 2.1. Предельные отклонения поверхности обработанной
Степень
точности
1
И
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
Интервал номи
До Ю
0,25
0,4
0,6
1
1,6
2,5
4
6
10
16
10-25
0,4
0,6
1
1,6
2,5
4
6
10
16
£5
25-60 | 60—160
0,6
1
1,6
2,5
4
6
10
16
25
40
1
1,6
2,5
4
6
10
16
25
40
60
160—4С0 | 400—1000 1
1,6
2,5
4
6
10
16
25
40
60
100
2,5
4
6
10
16
25
40
60
100
160
вившихся и переходных режимах (т. е. в кривой
скорости отсутствуют низкочастотные колебания).
Наиболее существенной причиной неравномерного движения
привода является его недостаточная динамическая
жесткость (невысокое быстродействие при возмущающем
воздействии). Неравномерное движение приводов
также отрицательно сказывается и на шероховатости
обработанной поверхности. При измерении погрешности
формообразования шероховатость поверхности не
учитывается, так как применяются измерительные наконечники
большого радиуса кривизны.
Достаточно просто рассчитать контурную
погрешность, вносимую приводами подач при различных
скоростях резания и радиусах обработки. Радиус обработки
вместе с другими размерами задается чертежом, а
скорость подачи рассчитывается.
В зависимости от материала заготовки и характера
обработки выбирается режущий инструмент. Например,
при фрезеровании для выбранного материала фрезы оп-
54

детали от плоскостности и прямолинейности, мкм
нальных длин, мм
1000—2500 | 2500—6300
4
6
10
16
25
40
60
100
160
250
6
10
16
25
40
60
100
160
250
400
6300—10 000
10
16
25
40
60
100
160
250
400
600
Возможные способы обработки
Доводка, суперфиниширование,
тонкое шлифование и шабрение
Доводка, суперфиниширование,
тонкое шлифование, тонкое шабрение
Шлифование, шабрение, чистовое
точение повышенной точности
Шлифование, тонкое фрезерование
и строгание, протягивание, чистовое
точение
Чистовое фрезерование, строгание и
долбление, протягивание, точение
ределяется подача на зуб и рассчитываются параметры
обработки.
По нормированной скорости резания £>Рез в
зависимости от диаметра фрезы йфР определяется частота
вращения шпинделя
Затем по частоте вращения шпинделя, подаче на зуб
Sz и числу зубьев фрезы Z^v находится минутная
подача
которая равна скорости подачи
Таким образом, по заданному чертежом радиусу
обработки R и рассчитанной скорости подачи v можно
предварительно определить возможные погрешности при
обработке, а также корректировать выбор
технологических режимов.
55

Таблица 2.2. Предельные отклонения формы цилиндрической
Степень
точности
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
Интервал номиналь
До 6
0,3
0,5
0,8
1,2
2
3
5
8
12
20
6—18 | 18—50
0,5
0,8
1,2
2
3
5 '
8
12
20
30
0,6
1
1,6
2,5
4
6
10
16
25
40
50—120 | 120—260
0,8
1,2
2
3
5
8
12
20
30
50
1
1,6
2,5
4
6
10
16
25
40
60
260-500
1,2
2
3
5
8
12
20
40
50
80
Рассчитанные и построенные диаграммы зависимостей
контурной погрешности от добротностей приводов kv,
их идентичности а при заданных значениях R и v
позволяют более корректно выбирать приводы для вновь
проектируемых и модернизируемых станков.
В станках со следящими приводами подач
действительное положение механизма обычно отстает от
заданного. Это отставание (погрешность) по каждой оси
координат зависит от скорости перемещения, нагрузки
и добротности привода. Однако контурная погрешность
не связана прямой зависимостью с погрешностями по
каждой оси координат и с суммарной геометрической
погрешностью при движении по двум осям координат.
Она является сложной функцией как этих погрешностей,
так и параметров следящих приводов. В современных
приводах с достаточно большим коэффициентом
усиления скоростного контура моментная погрешность очень
мало влияет на контурную. Влияние динамических по-
66

поверхности обработанной детали, мкм
ных диаметров, мм
5С0-800
1,6
2,5
4
6
10
16
25
40
60
100
800-1250
2
3
5
8
12
20
30
50
80
120
1250-2000
2,5
4
6
10
16
25
40
60
100
160
Возможные способы обработки
Доводка, весьма тонкое
шлифование, алмазное растачивание
повышенной точности
Доводка, тонкое шлифование,
алмазное растачивание, тонкое точение
повышенной точности
Шлифование, алмазное
растачивание, тонкое точение, тонкое
развертывание, хонингование
Шлифование, чистовые
растачивание и точение, чистовое
развертывание, протягивание
Растачивание, точение,
развертывание, зенкерование и сверление
Сверление
грешностей следует рассмотреть особо. Для инженерной
практики достаточно рассчитать зависимость контурной
погрешности от скоростной погрешности следящих
приводов при различных способах обработки.
Погрешности при прямолинейной обработке детали.
Прямолинейная обработка детали одновременно по двум
осям координат в плоскости XZ (на токарном станке)
представлена на рис. 2.19. На рисунке и далее в тексте
приняты следующие обозначения: Л0, А\ — точки на
заданной и реальной траекториях; Х0, Z0, X\, Z\ — за*
данные и реальные координаты осей; &Х=Х0—Х{\
&Z=Z0—Zx — погрешности по положению соответст-
венно по осям координат X ц Z; Д= j/ А^. + А|
—суммарная геометрическая погрешность; Ак — контурная
погрешность при прямолинейном движении по двум
осям координат, определяемая кратчайшим
расстоянием между заданной и реальной траекториями движения.
57

Уравнения прямолинейного движения по каждой
оси координат:
Z = vzt; dZ/dt = vz\
X = vxt; dX/dt = vx>
где Vx и Vz '— скорости движения по осям координат X
и Z. Погрешности по каждой оси координат:
Л*
: Vx'Kv
AZ = VZ/kvZ>
где kvx и kvZ — добротности по скорости следящих
приводов по координатам станка X и Z.
2|
7..
мо
2,
i
\|»
ДщпукС cot/ К
5Х >йр\
L^< ! i L^
X/ Xq X
Xf XQ
Рис. 2.19. Погрешности при Рис. 2.20. Погрешности при об-
прямолинейной обработке работке окружности
Угол наклона заданной траектории движения к оси
абсцисс
а = arctg (vz/vx).
Из AA0DB и AfiC^i (рис. 2.19) находится
соотношение, связывающее контурную погрешность с
погрешностями по координатам X, Z:
Az = Ак cos а + (&х + Ак sin a) *g а>\
Дк = Az cos а — Ах sin а. ]
(2.40)
Из (2.40) с учетом известных тригонометрических
соотношений получено выражение контурной
погрешности, обусловленной только скоростными погрешностями
следящих приводов подач.
58

Контурная погрешность, выраженная через скорости
по координатам vx, vz в плоскости обработки,
v? / 1 1
1 (2.41)
(2.42)
Контурная погрешность, выраженная через подачу
v и угол наклона траектории движения а,
Лк = — sin 2а (-, j—).
2 \ kvZ kvX J
Из (2.41) и (2.42) следует, что с ростом подачи
растет контурная погрешность, обусловленная
скоростными погрешностями следящих приводов: максимальное
значение погрешность имеет при угле обработки а =
= 45°(ям±я/4, м=0, ..., оо); контурная погрешность
при прямоугольной обработке равна нулю, если
добротности приводов kvX и kvZ равны между собой.
Погрешность при обработке окружности. Часть
обработанной окружности показана на рис. 2.20. На
рисунке и далее в тексте приняты обозначения: Ro, R\ —
заданный и реальный радиусы окружности; Акас, Анорм,
As, Ак — погрешности: по касательной, по нормали,
суммарная геометрическая и контурная; со — угловая
скорость движения рабочей точки.
Перемещения по осям координат
X = R cos со/; Z = R sin шЛ
Скорости перемещения
dXIdt =— со# sin со/; dZldt = w# cos со/. (2.43)
Погрешности по осям координат и контурная:
Дх =
dX/dt
Кх
dZ/dt
kvZ
(oR
KvX
sin со/;
to/?
kvZ
cos со/;
AK = #o — #i«
Из AOBAi получаем
*1 - V{*0 -Днорм)2
Из AADE и Д£СЛ, имеем:
AHoPMSin^ + AKacCOS^
\oPMCOS(u/-AKacSin^
+ Л2 .
• кас
-** 1
= **; J
(2.44)
(2.45)
(2.46)
59

(2.47)
Акас = Az cos со/ — Дх sin со/;
AHoPM=Azsin(o/ + ^coS(o/-
Радиус реальной окружности /?! получен
подстановкой (2.47) в (2.45):
Rx = |//?2 + Д2> + Д| — 2#0 (Axcos Ы + Az sin со/).
Он отличается от заданного на значение погрешности
Дк. С учетом (2.44) радиус реальной окружности
«1
«*•/
1+(02
cos2 col , sin2 со/
—« 1 2
sin 2(ot
KvZ
KvX
CO
*vZ
KvX
Контурная погрешность
/
1 +<D2
COS2 (0 /
kvZ*
+
sin2 со/
sin 2(ot
])•
(2.48)
Vx CO \ KVZ KvX '"
Контурная погрешность может быть выражена через
линейную скорость (и = со/?):
COS'S '
Ло
+
VZ
sin'
Л v
2 — f
2v
+
Ro
sin-
Vx
f/tfo
./-i u
V kvZ kvX )
(2.49)
При равенстве добротностей следящих приводов,
т. е. при kvX = kvZ=kv выражение контурной
погрешности упрощается:
Выражение (2.50) связывает контурную погрешность
со скоростью подачи v радиусом обработки R и
основным параметром следящего привода kv простыми,
удобными для инженерных расчетов зависимостями.
По (2.50) рассчитаны и построены на рис. 2.21, а—в
зависимости контурной погрешности от скорости и ра-
60

диуса обработки при различных добротностях следящих
приводов. Как видно из рис. 2.21, а—в, при абсолютной
идентичности добротностей даже при высоких подачах
и малых радиусах обработки контурная погрешность
невелика.
На рис. 2.22, а—в построены зависимости контурной
погрешности от добротности приводов при обработке
окружностей с различным радиусом и при различных
скоростях подачи.
к^ЧОс-1
v-1000 mmfмин
600мм/мин
500 мм/мин
,300 мм/мин
50 /00 150 Z00 250/?,мм 50 100 я ZOO Я, мм
а)
В)
Рис. 2.21. Зависимости погрешности при обработке окружности от
радиуса обработки при различных значениях kv:
в — k„ = 20 с~~Х; б — k0 =40 с'"1; 0 —£„=60 с""1
Как видно из этих графиков, увеличение
составляющей контурной погрешности от скоростных погрешностей
следящих приводов составляет 1—2 мкм при скоростях
подачи до 600 мм/мин и добротности не менее 15 с-1;
такое увеличение для большинства станков практически
незаметно. Однако этот вывод справедлив только при
обеспечении равенства добротностей одновременно
работающих следящих приводов, что практически
невозможно.
По выражениям (2.48), (2.49) на рис. 2.23 построена
61

кривая контурной погрешности при обработке
окружности радиусом 100 мм с подачей 500 мм/мин.
Добротности следящих приводов по осям X и Z отличались на
40% и составляли соответственно 15 и 25 с"1. Погреш-
r-zoomh
D* 1000мм/мин
\
600мм/мин
500мм/мин
20 40
Рис. 2.22. Зависимости погрешности при обработке окружности от
добротности при различных значениях R:
а — Я»юо мм; б — Я=200 мм; в — Я=300 мм
Рис. 2.23. Зависимости
контурной погрешности при обработке
Ы/2 2Яа>* окружности от угла при kvX=*
= 15 с-1 и kvZ=2b с-1
ности максимальны при углах, кратных дп±я/4(п=0,
1), и равны нулю при углах, близких к яп(п=0, 1, 2).
Приняв за номинальное значение добротности
kvZ=kv и обозначив относительное отклонение доброт-
ностей
62

asa[kvZ—kvx),kuZ*
получим контурную погрешность при прямолинейной
обработке детали:
A«==-^-r^-Tsin2a' (2-51>
2kv a — 1
при обработке окружности:
^4-Аш'['н';а^'
+
+-^ч——
1 — а
(2.52)
Подставляя значение угла обработки vt/R = a=n/4,
при котором контурная погрешность максимальна,
и пренебрегая в выражении (2.52) малым членом а2/2,
получаем формулы контурных погрешностей, удобные
для инженерных расчетов:
при прямолинейной обработке
a v a
к 2kv a— i'
при обработке окружности
Зависимости контурной погрешности от радиуса
обработки, подачи, добротности и неидентичности доброт-
ностей следящих приводов рассчитаны и построены на
рис. 2.24 и 2.25. Из этих графоаналитических построений
видно, что отклонение добротностей только на 2 %
вызывает увеличение контурной погрешности в 2—3 раза. Из
этих рисунков можно сделать два важных вывода:
1) наибольшую составляющую в контурную погрешность
от скоростных погрешностей следящих приводов вносит
неидентичность добротностей; 2) при равных доброт-
ностях приводов увеличение добротности привода не
приводит к существенному снижению контурной
погрешности. На рис. 2.26 построены зависимости контурной
погрешности от абсолютной добротности kv и относитель-
63

ного отклонения добротностей приводов а по обеим осям
координат для различных значений R и v.
Оценим влияние моментной погрешности следящего
привода на контурную погрешность на детали. Нагру-
жение привода статическим моментом вызывает
некоторое дополнительное отставание положения рабочего
органа от заданного. Это увеличивает контурную
погрешность как за счет абсолютного увеличения погреш-
а*о,ог,7<v-^ocf
1000 мм/мин
v, мм/мин
Рис. 2.24. Зависимости контурной погрешности от радиуса обработки
при а=0,02 и различных значениях kv\
*20 с~~г; б-k.
=40 с"
ности по каждой оси, так и за счет их разности
вследствие различия нагрузок по осям (эквивалентно
неидентичности добротностей).
Решая совместно (2.33), (2.35) и (2.37), получаем
выражение, связывающее моментную погрешность с
параметрами механической системы, регулируемого и
следящего приводов:
Дм =
1Р —
^С.К^У ^С.К^У
где Дсор — естественное снижение скорости при нагруже-
нии двигателя в разомкнутом приводе; Дир — снижение
64

линейной скорости привода, соответствующее ДсоР; кс,к —
коэффициент усиления разомкнутого скоростного
контура.
Приводимые далее расчеты позволяют не только
качественно, но и количественно оценить влияние
отдельных факторов на моментную погрешность.
Естественное относительное снижение скорости при
нагружении двигателя номинальным моментом при
номинальной скорости составляет для двигателей постоян-
Рис. 2.25. Зависимости контурной погрешности от скорости при
а=0,05 и различных значениях kv\
a-kv -20 с""1; б-*о=40 с^1
ного тока 5—8 %. С учетом сопротивления внешних
цепей (трансформатора, реакторов, тиристоров или
транзисторов, проводов, шунтов и т. д.) это падение
увеличивается до 10—15%. Для типового случая
установки двигателя с номинальной частотой вращения п =
= 1000 об/мин на ходовой винт с шагом /в=Юмм
имеем естественное снижение скорости в приводе (в
разомкнутом скоростном контуре):
дУр = -5L (0,1 -5-0,15) = 16-г-24 мм/с.
Принимаем Дур=20мм/с. По выражению Дм=
5-894 65

= 2- 104/(&с,кМ рассчитана и построена на рис. 2.27
зависимость моментной погрешности от коэффициента
усиления скоростного контура при различных добротно-
стях.
Как видно из рис. 2.27, увеличение контурной
.погрешности от моментной составляет 1—2 мкм при
коэффициенте усиления регулируемого привода &с,к=1000
и 0,1—0,2 мкм при £с,к=Ю000 даже при невысокой
добротности kv = 20-^rl0 с"1. Это позволяет сделать еще
dtf.MKrt
Рис. 2.26. Зависимости контурной погрешности от kv и а при
различных значения R и v:
a — R=lQ мм, и=500 мм/мин; б — Я=300 мм, и=500 мм/мин
900
Рис. 2.27. Зависимость моментной погрешности от коэффициента
усиления скоростного контура
66

один важный вывод о нецелесообразности увеличения
коэффициента усиления регулируемого электропривода
свыше 103 для станков с ЧПУ с дискретностью
управления Юмкм и свыше 104 для станков с дискретностью
1 мкм.
Шероховатость поверхности определяется разностью
между максимальной и минимальной высотами h кривой
сечения обработанной поверхности (рис. 2.28). Высота
У \
Рис. 2.28. Сечение обработанной поверхности
отсчета h выбирается из условия удобства измерения.
Параметры шероховатости следующие:
высота неровностей профиля по десяти точкам
(выпуклостям и впадинам)
5 5
,2j ^вып — 2j ^впад
Rz~ 5
_ (hl + h3 + h5 + h1 + h9)-(h2 + ^+he + h8 + hl0) ,
среднее арифметическое отклонение профиля от
идеального
1С 1
Ra = — I У I d>X «
/ J
Значения Rz и Ra и длина, на которой производятся
измерения, приведены в табл. 2.3 для различных клас-
5* 67

сов шероховатости, а виды обработки, при которых этот
класс достигается — в табл. 2.4 [2].
По табл. 2.3 на рис. 2.29 построена диаграмма
классов шероховатостей, показывающая зону допустимых
отклонений обработанной поверхности от идеально
гладкой. Неравномерность движения привода вместе с иеже-
JI I l_ l I
О 10 20 30 Пг,му-ч
Рис. 2.29. Диаграмма классов шероховатости
Таблица 2.3. Значения Ra и Rz
Классы
шероховатости
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Ra, мкм
80—40
40—20
20—10
10—5
5—2,5
2,5—1,25
1,25—0,63
0,63—0,32
0,320—0,160
0,160—0,080
0,080—0,040
0,040—0,020
0,02-0,01
0,01-0,008
Rz, мкм
320—160
160—80
80—40
40—20
20—10
10—6,3
6,3—3,2
3,2—1,6
1,6—0,8
0,8—0,4
0,4—0,2
0,2—0,1
0,100—0,050
0,050—0,025
Базовая длина
/, мм
8
2,5
0,8
0,25
0,08
63

Таблица 2 4. Виды обработки и соответствующие классы
шероховатости
Вид обработки
Фрезерование:
цилиндрической фрезой
торцевой фрезой
Сверление:
До 0 15 мм
Свыше 0 15 мм
Точение:
чистовое
алмазное
Растачивание:
чистовое
алмазное
Шлифование круглое:
чистовое
тонкое
Шлифование плоское:
чистовое
тонкое
Нарезание резьбы:
плашкой-метчиком
резцом, гребенкой, фрезой
шлифованием
Обработка зубчатых колес:
строганием
фрезерованием
шлифованием
шевингованием
Класс шероховатости
не грубез
5, 6* (7)
5, 6* (8)
4*, 5
3*, 4
6, 7* (8)
8, 9* (10)
6, 7* (8)
8, 9* (10)
7, 8*
9, 10*.11
7, 8*
9, 10*,11
4* —6
5, 6*(7)
6, 7\ 8(9)
5, 6* (7)
6* (7)
8, 9* (10)
7, 8*(9)
* Оптимальный класс шероховатости для данного вида обработки.
Примечание. В скобках указаны предельно достижимые классы
шероховатости.
сткостыо станка, инструмента и т. д. вызывает
увеличение шероховатости поверхности, особенно при обработке
однолезвийным инструментом. Изменения скорости
привода во времени при движении вызывают динамические
погрешности следящего привода. Значение этой
погрешности тем больше, чем больше неравномерность
вращения вала двигателя при возмущениях и чем меньше
передаточное отношение от двигателя к рабочему
органу. Изменение скорости при возмущениях уменьшается
в число раз, равное передаточному отношению при
передаче его от двигателя к механизму.
69

Угол поворота вала двигателя, рад, приблизительно
равен площади треугольника, ограниченного кривыми
действительной и установившейся скоростей:
Фдв^Лсо//2 (2.53)
или в градусах
Фдв = ЗА'^
Погрешность перемещения механизма, мм,
определяется аналогично
As = Ai>//2.60, (2.54)
где Ду — максимальное значение динамического
изменения скорости, мм/мин; / — время восстановления
скорости с момента приложения возмущения, мин.
Известно, что
Дп = ДиЛ'р/в. (2.55)
Подставив (2.55) в (2.53) и заменив погрешность
перемещения механизма на допустимую As-103=/?2,
получим:
Фдв = 0,36*р thR£. (2.56)
Например, в станках с /в=10мм, *р=1 для
обеспечения 6—7-го классов шероховатости с /?2 = 6,3мкм
необходимо, чтобы скачки угла поворота вала двигателя,
обусловленные неравномерностью его вращения, не
превышали значения фДв = 22,68°, что соответствует
снижению скорости не более чем на 1,2 об/мин при времени
восстановления 0,1 с. Однако учитывая, что на
шероховатость оказывает влияние не только неравномерность
вращения двигателя, следует ограничить допустимый
скачок угла поворота двигателя значением меньшим,
чем определенным по (2.56), что составляет примерно
30 % Дфдв.
В следящих системах с инерционными
электроприводами с временем восстановления скорости 1 с и более
динамическая погрешность влияет не только на
шероховатость, но и на точность обработки.
2,4. СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С СИСТЕМОЙ ЧПУ
Обеспечение высокой производительности н качества обработки
возможно только при правильном согласовании отдельных звеньев
следящей системы привода. В противном случае в системе могут
70

возникать колебания, снижающие точность и чистоту обработки,
и другие нежелательные явления. В первую очередь необходимо
провести корректную стыковку электропривода с системой ЧПУ.
Для исключения влияния динамических параметров внутреннего
контура на внешний небходимо, чтобы частота среза внутреннего
контура была существенно выше (в 4—10 раз) частоты среза
внешнего.
При построении сложных многоконтурных следящих систем
собственная частота внешнего контура должна быть значительно
меньше собственных частот всех звеньев следящего привода, включая
блок управления приводом от ЧПУ, собственно регулируемый
электропривод, датчик положения с системой питания и механическую
часть станка, охваченную обратной связью. Только в этом случае
можно получить апериодический переходный процесс при
скачкообразных возмущающих и управляющих воздействиях.
Так как регулятор положения станочного следящего привода
является безынерционным звеном, то его ЛАФЧХ в низкочастотной
области представляет собой отрезок с наклоном —20 дБ/дек, т. е.
частота среза численно равна добротности по скорости kv. Таким
образом, добротность привода определяется в первую очередь
инерционностью всех охваченных обратной связью звеньев
следящего привода.
Собственная частота современных регулируемых
электроприводов составляет 20—70 Гц, частота квантования сигнала управления от
ЧПУ 100—500 Гц, частота собственных колебаний механических
передач 5—200 Гц. Добротность следящего привода на станке
реально находится в пределах от 10 до 60 с~1 в зависимости от
параметров электропривода, ЧПУ и механики станка.
Связь электропривода с системой ЧПУ осуществляется по цепи
выход ЧПУ — вход электропривода, т. е. через сигнал управления,
представляющий собой разность сигналов от ЧПУ и датчика
положения. Этот сигнал должен иметь строго определенные
максимальное и минимальное значения, соответствующие максимальной
скорости двигателя и его чувствительности, должен линейно зависеть
от сигнала рассогласования, быть стабильным и обеспечивать
определенную зависимость во времени при запрограммированных
командах и случайных возмущениях.
Большинство современных приводов управляется аналоговым
сигналом, изменяющимся в пределах ±10 В. Таким образом,
максимальной погрешности следящей системы соответствует сигнал
управления электроприводом ±10 В. Регулируемый электропривод
является устройством регулирования скорости двигателя, и
каждому сигналу управления соответствует определенная скорость
двигателя. Скорость двигателя жестко связана со скоростью перемещг-
71

ния механизма через передаточное отношение. Следовательно,
скорость быстрого хода достигается при сигнале управления ±10 В.
В станках со скоростью быстрого хода Уб,х=9,6 м/мин=160 мм/с
с добротностью £-и=20 с-1 скоростная погрешность
Ас-= »б.х/*о в 8 мм- (2-57)
Ранее было отмечено, что скоростная погрешность мало влияет
на точность контурной обработки при равенстве добротностей по
двум одновременно управляемым осям. Поэтому нет необходимоеги
увеличения абсолютного значения добротности следящего привода.
Рис. 2.30. Расчетная кривая
разгона привода при ступенчатом
управляющем сигнале
t
Однако, как видно из (2.57), даже при скорости Уб,х=Ю м/мин,
добротности £„=20 с-1 и дискретности 6 = 0,001 мм система должна
запоминать Дс/б = 8000 импульсов только от скоростной погрешности
в установившемся движении. В динамике погрешность возрастает
на значение динамической погрешности, которая приближенно может
быть определена площадью заштрихованного на рис. 2.30
треугольника при скачкообразном приложении управляющего сигнала:
Лд = "б,х'р/2. (2-58)
При времени разгона привода 0,1 с Ад=8 мм. Реальная
динамическая погрешность всегда меньше рассчитанной по (2.58). При
нагружении привода суммарная погрешность возрастает на значение
моментной погрешности. Современные системы ЧПУ типов НЦ31,
НЦ80, 2С42, 1Н22, 2С85 и другие запоминают погрешность в 10 мм
при линейной зависимости сигнала управления приводом от
погрешности и дополнительно еще 10 мм при неизменном сигнале
управления, равном своему максимальному значению. Старые системы
типов Н3в-2М и Н55-2М могли запомнить погрешности в
установившемся и переходных режимах соответственно ±1 и ±3 мм.
Как видно из (2.57), для уменьшения скоростной погрешности
необходимо либо снижать скорость быстрого хода, что ведет к
падению производительности, либо повышать добротность, что ведет
к росту колебательности.
!
ill!
Ш
Г
Щ
У
1р
72

Одной из причин ограничения скорости быстрого хода в
старых системах ЧПУ была большая скоростная погрешность. Для
снижения скоростной погрешности на вход привода вводится
дополнительный сигнал, пропорциональный скорости, так называемый
сигнал скоростной компенсации. При этом скоростная погрешность
может быть полностью скомпенсирована за счет этого
дополнительного сигнала скоростной компенсации, либо частично
скомпенсирована (недокомпенсация), либо может изменить свой знак
(перекомпенсация). Введение сигнала скоростной компенсации помимо
снижения скоростной погрешности увеличивает быстродействие
следящего привода при позиционировании, однако вносит «перебеги»,
что в ряде случаев недопустимо по условиям резания (токарная
обработка, шлифование, нарезание резьбы и т.д.). Кроме того,
реальная нестабильность сигнала скоростной компенсации на разных
приводах станка снижает точность обработки.
Как видно из (2.58), для снижения динамической погрешности
необходимо уменьшать скорость быстрого хода и увеличивать
быстродействие привода. Первое ведет к падению производительности,
а второе ограничено инерционностью электропривода. При
невозможности увеличить быстродействие привода ему задают разгон —
торможение от ЧПУ не скачком, а по определенному (чаще
линейному) закону, при котором отставание отработки привода от сигнала
управления лежит в допустимых для ЧПУ пределах. Однако
значительное увеличение времени разгона — торможения снижает
производительность станка, особенно при коротких частых ходах. Обычно
время разгона от ЧПУ может регулироваться в пределах
0,1—2 с.
Наиболее целесообразным является не линейный закон разгона,
а по кривой с нулевой производной в начальный момент времени.
В этом случае уменьшается максимальное рассогласование при
пуске и снижается закручивание от динамических моментов в
механических передачах при недостаточной их жесткости (это особенно
важно при длинных ходовых винтах малого диаметра — в роботах
и других механизмах).
Погрешность в следящей системе определяется числом периодов
сигнала от датчика обратной связи по положению. В фазовых
системах — числом оборотов фазы датчика. Так, при установке
двухполюсного (2р=2) резольвера (или вращающего трансформатора)
на ходовой винт с шагом /В=Ю мм через мультипликатор с fp=5
одному обороту фазы датчика соответствует перемещение механизма
на 2 мм. При электронном делении сигнала с датчика на d«=2000
дискретность сигнала составляет 6 = 1 мкм:
6 = *b/(ipdp).
73

При увеличении коэффициента деления либо при применении
многополюсных резольверов или фотоимпульсных датчиков
мультипликатор (приборный редуктор) может быть исключен либо может
иметь иное передаточное отношение. В зависимости от требуемой
дискретности, точности и динамических свойств механического
привода датчик положения может быть установлен в различных местах
кинематической цепи от вала двигателя до выхода звена.
Как правило, дискретность управления и дискретность обратной
связи одинаковы. Для обеспечения высокого качества обработки
необходимо соблюдение строгой зависимости сигнала управления от
сигнала рассогласования C/y=f (А) и от высокой чувствительности
электропривода.
Увеличение точности обработки и позиционирования в
значительной степени связано с повышением чувствительности
электропривода, что требует расширения его диапазона регулирования. Привод
современных станков должен отрабатывать каждую дискрету. Таким
образом, если максимальная погрешность в 10 мм соответствует
сигналу управления электропривода 10 В, то одна дискрета в 1 мкм
соответствует сигналу 1 мВ. Для практического исключения влияния
моментнои погрешности на точность обработки достаточно иметь
коэффициент усиления в регулируемом электроприводе 1000—2000,
что соответствует диапазону регулирования 500—1000 при статизме
замкнутого электропривода примерно 5 % и естественном статизме
разомкнутого электропривода около 10 %. Однако для увеличения
чувствительности следящего привода диапазон регулирования
электропривода должен быть расширен до 10 000 и более без
обязательного наложения дополнительных жестких требований по
стабильности и равномерности вращения двигателя.
Коэффициент усиления ky и диапазон регулирования D
связаны между собой через статизм в замкнутой До)3 и разомкнутой Дсор
системах следующим соотношением:
ky > AcopD/AcDg»
Скорость быстрого хода привода зависит от частоты и
дискретности сигнала управления от ЧПУ (Уб,х=/б), от максимальной
скорости двигателя (аб,х=ядв*вА'мех), от допустимой для системы ЧПУ
погрешности в установившемся режиме [Уб.х^Дс + ДлО&и], °т
допустимой для системы ЧПУ погрешности в переходных режимах, от
конструктивных возможностей станка. Как правило, дискрета
управления на быстром ходу на порядок больше, чем при работе.
При выполнении всех перечисленных условий производится
настройка максимальной скорости привода. Величина ve.x
настраивается изменением напряжения управления от ЧПУ и напряжения
обратной связи по скорости от тахогенератора в электроприводе.
74

Значительные изменения сигнала отратной связи по скорости
нежелательны, так как ослабление обратной связи изменяет
динамические параметры электропривода, увеличивая фазовый сдвиг,
вносимый контуром скорости на частоте среза следящего привода,
и создает его колебательность. Поэтому обратная связь в
регулируемом электроприводе настраивается так, чтобы максимальной
скорости двигателя, соответствующей скорости быстрого хода
механизма, соответствовало напряжение управления достаточно близкое
к 10 В.
Таким образом, связь электропривода с ЧПУ заключается в
корректировке добротности за счет изменения коэффициента
пропорциональности между рассогласованием, измеренным датчиком
положения, и сигналом управления на входе электропривода; настройке
скорости быстрого хода при подаче сигнала управления от ЧПУ
± 10 В и регулировке сигнала обратной связи по скорости в
электроприводе; настройке времени разгона—торможения от ЧПУ для
обеспечения требуемого характера переходного процесса; проверке
чувствительности электропривода и линейности, сигнала управления
в ЧПУ от рассогласования; настройке коррекции регулятора
скорости электропривода, а также сигнала скоростной компенсации в
случае ее применения.
2.5. СЛЕДЯЩИЕ ПРИВОДЫ СОВРЕМЕННЫХ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ
СТАНКОВ С ЧПУ
Следящие приводы современных станков с ЧПУ
строятся на базе серийных регулируемых
электроприводов, систем ЧПУ, датчиков положения и механических
передач. Механические передачи в приводах подач, как
правило, короткие; двигатели устанавливаются либо
непосредственно на ходовой винт или зубчатую передачу
с отношением 1 : 1 или 1 : 2, либо через зубчатый ремень.
В качестве датчиков положения используют вращающие
трансформаторы, резольверы, индуктосины,
фотоэлектрические датчики. На станках устанавливают системы
ЧПУ типов 2С85, 2С42, 2У22, 1Н22, Н55-2, НЗЗ-2, НЦ31,
НЦ80 и др. В качестве исполнительного двигателя
наибольшее распространение получили высокомоментные
двигатели серий ПБВ и ДК1 и ряд двигателей
зарубежных фирм. В станках применяются отечественные
серийные электроприводы ЭТ6С, ЭТУ3601 (БТУ3601), ЭТ6-3,
ЭТЗИ, ЭШИР, ЭТА. Ряд станков оснащен комплектным
электрооборудованием «Размер 2М-1300», включающим
в себя систему ЧПУ «Размер 4», электроприводы «Кедр»
75

и систему бесконтактной автоматики для управления
станком «Сигнал». Некоторые станкостроительные
заводы оснащают свои станции специальными
электроприводами. Кроме того, в отечественных станках в последние
годы очень широко применяется электрооборудование
производства стран СЭВ и ведущих фирм
капиталистических стран.
В зависимости от места установки датчика положения
различают две структуры следящего привода —
замкнутую и полузамкнутую. В замкнутой структуре датчик
положения устанавливается на выходном звене. В этом
случае теоретически возможно достижение
максимальной точности, так как вся механическая передача
привода охвачена обратной связью. В полузамкнутой
структуре датчик положения установлен на промежуточном
звене, выходная часть механической передачи оказывается
вне контура следящего привода. Такая структура
получила наибольшее распространение в станках
нормальной и повышенной точности. Кроме того, в следящем
приводе датчик положения может быть встроен или
пристроен к двигателю и вся механическая передача не
охвачена обратной связью. Такая структура в последнее
время находит все большее применение в связи с тем,
что с установкой широкодиапазонных,
быстродействующих низкоскоростных электроприводов значительно
сократилась и стала более жесткой механическая часть
привода. Существенно упростились наладка и
обслуживание следящего привода; погрешности механической
передачи (главным образом шариковой винтовой
передачи) часто вводятся в виде коррекции в память системы
ЧПУ.
Качество обработки на станке в значительной мере
зависит от погрешностей следящего привода подачи,
которые определяются добротностью следящего привода
по скорости и моменту. В следящем приводе не всегда
максимальная точность обработки обеспечивается при
установке датчика положения на выходном звене.
Охват нелинейных механических узлов требует
значительного снижения добротности для обеспечения
устойчивости и требуемого качества. Снижение добротности,
в свою очередь, ведет к росту погрешностей. Грамотное
проектирование современных станков с ЧПУ
невозможно без предварительного динамического расчета
следящих приводов подач в целях определения типа электро-
76

привода, системы ЧПУ, механической передачи, датчика
положения и места его установки, при которых станок
обеспечит наиболее высокие технико-экономические
показатели.
Ниже рассмотрены типовые решения для приводов
подач станков с ЧПУ, разработанных в ЭНИМС и
изготовленных на заводе «Станкоконструкция».
Станки автоматизированного участка для обработки тел
вращения АСВ20. Четырехкоординатные фрезерно-сверлильно-расточные
обрабатывающие центры модели МА690Ф4, расточно-сверлильно-фре-
зерные модели МА260Ф4 и трехкоординатные фрезерные станки
модели МА655Ф4 оснащены системами ЧПУ Н55-2М и НЗЗ-2М,
электроприводами ЭТЗС и датчиками — вращающимися
трансформаторами ВТМ1В. На обрабатывающих центрах применены высокомоментные
двигатели, изготовленные в ЭНИМС на базе станочных
электродвигателей серии ПБСГ. Двигатели установлены через
зубчатую передачу 1:1 в связи с невозможностью по конструктивным
соображениям непосредственной установки двигателя на ходовой винт.
На фрезерном станке были установлены малоинерционные двигатели
серии ПГТ, впоследствии заменены на двигатели ПБСТ через
понижающую зубчатую передачу. Станки имеют скорость быстрого хода
4,8 м/мин при дискретности управления Юмкм. Следящие приводы
работают по полузамкнутой структуре: датчики с
мультипликаторами 1:5 установлены на ходовых винтах.
Станки автоматизированного участка ACB2L Двухкоординатные
токарные станки модели 1725МФЗ и четырехкоординатные сверлиль-
но-фрезерные станки МА2235МФ4 оснащены системами ЧПУ типов
Н22 (модернизированные) и НЗЗ-2М, электроприводами ЭТЗС, вы-
сокомоментными электродвигателями фирмы «Лукас» («Lucas»)
и двухполюсными резольверами, установленными через
мультипликаторы. Электродвигатели на токарных станках соединены с ходовым
винтом через понижающую зубчатую передачу с отношением 1:2, на
сверлильно-фрезерных — напрямую либо через зубчатый ремень.
Станки имеют скорость быстрого хода 4,8 и 2,4 м/мин при
дискретности 10 и 5 мкм на токарных станках и 4,8 м/мин при
дискретности 10 мкм — на сверлильно-фрезерных. Структура следящих
приводов полузамкнутая.
Станки автоматизированного участка АС В 22. На участке
установлены восемь двухкоординатных токарных станков 1725МФЗ
с системой ЧПУ типа 1Н22 и трехкоординатных
сверлильно-фрезерных станков модели МА2235МФ4 с системой ЧПУ типа НЗЗ-2М.
Конструкция механизмов подач аналогична конструкции механизмов
подач станков участка АСВ21, однако замена системы ЧПУ в токар-
77

ных станках позволила увеличить скорость быстрого хода до 9,6
и 4,8 м/мин при дискретности на рабочих подачах 1 и 0,5 мкм.
В станках установлены комплектные электроприводы «Мезома-
тик» (Mezomatic) с высокомоментными двигателями производства
ЧССР. В токарных станках двухполюсные резольверы с
мультипликаторами установлены на ходовых винтах, в сверлильно-фрезерных—
встроены в электродвигатели. Структура следящих приводов
полузамкнутая.
Станки автоматизированного участка для обработки корпусных
деталей АСКЮ. На участке работают шесть пятикоординатных фре-
зерно-сверлильно-расточных обрабатывающих центров модели
6907ПМФ4, оснащенные комплектным электрооборудованием
«Размер 2М-1300». Помимо трех линейных и двух круговых следящих
приводов в этих станках главный привод является также
управляемой координатой — следящим приводом.
В приводах подач установлены высокомоментные
электродвигатели фирмы «Инланд» (Inland, США), непосредственно на ходовой
винт в линейных координатах и через зубчатую передачу — в
круговых. Резольверы с мультипликаторами 1:5 установлены на ходовых
винтах. Станки имеют скорость быстрого хода 9,6 м/мин,
дискретность 10 мкм. Структура привода полузамкнутая.
Расточный четырехкоординатный обрабатывающий центр модели
МА2611. Станок оснащен системой ЧПУ на базе вычислительной
машины М6010, электроприводами ЭТЗС с высокомоментными
двигателями фирмы «Инланд» и двухполюсными резольверами. Скорость
быстрого хода по линейным координатам 9,6 м/мин, дискретность
рабочих подач 1 мкм.
Фрезерный пятикоординатный станок 6А55БФЗ. Станок
предназначен для обработки глобоидных червяков. Он оснащен системой
ЧПУ типа Н55-2М, электроприводами ЭТЗС с двигателями серии
ПБСТ и датчиками обратной связи BTiM-lB. Все двигатели
соединены с рабочими органами через зубчатые редукторы. Скорости
быстрого хода для линейных координат 4,8 и 2,2 м/мин, для круговых
4 об/мин.
Шлифовальный пятикоординатный станок модели МА3961Ф4.
Станок оснащен системой ЧПУ типа 2С85, приводами ЭТЗИ с
высокомоментными электродвигателями серии ДК1, линейными индук-
тосинами и резольвером. Двигатели установлены через механические
передачи.
Фрезерный пятикоординатный станок модели 6А55БФЗ. Станок
является модификацией ранее выпускаемого станка той же модели.
В нем электроприводы серии ЭТЗС заменены комплектным
электрооборудованием КЭЛ1-10 с электроприводами подач ЭТ6-3 и
высокомоментными двигателями японской фирмы «Фанук» (Fanuc).
78

Токарные двухкоординатные станки автоматизированного
комплекса АТМ1П725. Станки оснащены системой ЧПУ типа 2У22 и
приводами подач TNP с высокомоментными электродвигателями и ре-
зольверами (производства ПНР), установленными на ходовых
винтах. Станки имеют скорость быстрого хода 9,6 м/мин, дискретность
1 мкм.
Четырехкоординатные сверлильно-фрезерно-расточные модели
МА22К04ПМФ4. Станки оснащены комплектным
электрооборудованием КЭЛ1-10 с электроприводами ЭТ6-3 и высокомоментными
двигателями фирмы «Фанук». Станки имеют скорость быстрого хода
9,6 м/мин, дискретность 1 мкм.
Зубообрабатывающие пятикоординатные станки моделей
МА53А20 и МА84Ф4. Станки оснащены системами ЧПУ типа 2С85,
электроприводами подачи серии TNP с высокомоментными
двигателями производства ПНР и электроприводами главного движения,
выполненными по схеме следящего привода, серии «Кемрон» с
высокомоментными двигателями производства НРБ. Во всех приводах
резольверы с мультипликаторами встроены в двигатели. Структура
следящего привода полузамкнутая. Кинематическая цепь от
двигателей к рабочим органам разветвленная и сложная, что не позволило
бы ее охватить обратной связью по положению с достаточно высоким
коэффициентом усиления (добротностью). Дискретность линейных
перемещений составляет 0,25 мкм.
Токарные двухкоординатные станки 1П420П830 и четырехкоор-
динатный 1П420Ф40. Станки оснащены системами ЧПУ типа НЦ80,
электроприводами TNP с высокомоментными двигателями
производства ПНР и фотоэлектрическими датчиками.
Сверлильно-расточно-фрезерный пятикоординатный станок
модели МА2765МЗФ4. Станок оснащен системой ЧПУ типа НЦ80,
комплектным электрооборудованием КЭЛ1-10 с электроприводами ЭТ6-3
с высокомоментными двигателями серии ПБВ и фотоэлектрическими
датчиками.
Отличительной особенностью современных станков с ЧПУ
является применение широкорегулируем ых электроприводов не только
постоянного, но и переменного тока. В отечественных токарных
станках 16К20Т1 широко применяются следящие электроприводы
(размер 2М.5-21) с асинхронными электродвигателями.
79

Глава третья
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПРИВОДОВ ПОДАЧ
3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Одним из основных звеньев электропривода является
исполнительный двигатель. В настоящее время ведутся
большие работы по модернизации существующих
моделей и созданию принципиально новых конструкций
электродвигателей постоянного и переменного тока.
Наиболее важным требованием, предъявляемым к
электродвигателям подач, является возможность регулирования
скорости в широких пределах, вплоть до самых малых
значений, измеряемых долями оборота в минуту. Кроме
того, двигатели должны выдерживать кратковременные
перегрузки, обеспечивать высокое быстродействие
привода, иметь малые габаритные размеры и массу, а также
удобно встраиваться в механизмы станков.
В приводах подач станков могут быть установлены
различные двигатели постоянного тока: с пазовым
якорем и электромагнитным возбуждением,
быстродействующие с гладким, дисковым и полым якорями,
низкоскоростные высокомоментные двигатели с возбуждением от
постоянных магнитов, электромеханизмы, линейные
двигатели постоянного и переменного тока,
бесколлекторные (вентильные) двигатели, а также асинхронные
электродвигатели общего назначения и* специальные.
Электродвигатели постоянного тока с
электромагнитным возбуждением и пазовым якорем наиболее широко
распространены в станках производства 60—70-х годов.
Эти двигатели имели слишком большие габаритные
размеры и собственный момент инерции, значительно
превышающий приведенный момент инерции механизма;
поэтому в механизмах подач устанавливали, как
правило, высокоскоростные двигатели с силовым редуктором,
что позволяло уменьшить момент на валу двигателя при
сохранении требуемого момента на механизме, а
следовательно, и двигателе. Основными достоинствами
двигателей общего назначения являются большая постоянная
времени нагрева, обусловленная габаритами якоря,
механическая прочность и высокая надежность.
Быстродействие таких машин невелико вследствие большого
собственного момента инерции и невысокого динамического
80

момента. Невозможность обеспечения высокого
динамического момента обусловлена ограничением пускового
тока по коммутационной способности двигателя и
размагничивающим действием потока реакции якоря на
поток главных полюсов при высокой кратности пускового
тока.
В электромеханических системах, в которых
используются высокоскоростные {пН(т^3000 об/мин)
двигатели с большими собственными моментами инерции,
достаточно просто обеспечивается устойчивость по
управляющему воздействию и невысокая чувствительность к
колебаниям нагрузки вследствие высокого демпфирования
и небольшой собственной частоты самих двигателей.
Низкоскоростные двигатели (дНом^ 1000об/мин),
устанавливаемые непосредственно на ходовой винт,
обеспечивают несколько большее быстродействие
механизма, так как момент инерции ходового винта с
двигателем меньше приведенного момента инерции
высокоскоростного двигателя, силового редуктора и
ходового винта. Кроме того, в силу своих конструктивных
особенностей низкоскоростные и низковольтные (£/НОм^
^110 В) двигатели развивают большие динамические
моменты, чем высокоскоростные и высоковольтные
(£Люм^220 В). Но при этом значительно возрастают
габаритные размеры и масса двигателя, так как при
отсутствии силового редуктора существенно увеличивается
момент нагрузки, приведенный к валу двигателя.
К рассмотренному классу машин относятся
электродвигатели постоянного тока общего назначения серии 2П
и станочные электродвигатели серий ПБСТ и ПСТ.
Малоинерционные двигатели с гладким, дисковым
и полым якорями имеют собственный момент инерции,
значительно меньший момента инерции механизма,
и выполняются, как правило, высокоскоростными. Это
позволяет согласовать моменты инерции и динамические
моменты на ходовом винте и на валу двигателя при
установке двигателя через силовой редуктор.
Малоинерционные двигатели имеют малую
электромеханическую постоянную времени вследствие малого
диаметра гладкого якоря или малой массы дискового
полого немагнитного якоря. Кроме того,
электромагнитная постоянная времени у них меньше, чем у других
двигателей, из-за малой индуктивности обмотки
беспазового или немагнитного якоря. Снижение индуктивности
6-894
81

якоря позволило также увеличить динамические токи
без ухудшения коммутации. Использование беспазовой
конструкции якоря, а также немагнитного якоря
позволяют снизить либо вовсе исключить эффект насыщения
якоря, что обеспечивает большую пропорциональность
между моментом и током в двигателе. Эти особенности
малоинерционных двигателей обусловили их высокое
быстродействие. Ускорение, развиваемое
малоинерционными двигателями, достигает 20 000—50 000 рад/с2. Столь
высокое ускорение обеспечивается за счет снижения
собственного момента инерции двигателя и увеличения
динамического вращающего момента.
Собственная частота малоинерционных двигателей
значительно превышает собственную частоту других
двигателей, что позволяет существенно увеличить
быстродействие электропривода, а следовательно, повысить
производительность станков и улучшить качество
обработки деталей. Однако это достоинство малоинерционных
двигателей не всегда может быть реализовано на станках
в полной мере. В ряде случаев снижение собственного
момента инерции двигателя приводит к отрицательным
последствиям, так как собственная частота
электропривода и механизма становятся соизмеримыми; при этом
возможно ухудшение качества обработки за счет
повышения колебательности электромеханического привода,
а в некоторых случаях — потеря устойчивости
электромеханической системы привода станка.
Вследствие малости собственных моментов инерции
и больших ускорений, развиваемых малоинерционными
двигателями, в механических передачах возникают
большие динамические усилия, а при наличии зазоров —
удары, которые могут привести к поломке передачи.
Кроме того, существенно возрастает чувствительность
привода к динамическому изменению момента нагрузки
из-за значительного снижения электромеханической
постоянной времени малоинерционных двигателей. При
этом возрастает неравномерность вращения двигателя
и неравномерность перемещения механических узлов,
особенно на малых подачах. При наличии даже
незначительных зазоров в механической передаче электропривод
работает с переменным моментом инерции, причем
переменный момент может существенно превышать
постоянный вследствие сравнительной малости собственной
инерционности двигателя.
82

Другим существенным недостатком
малоинерционных двигателей является их малая постоянная времени
нагрева (несколько минут) и невысокая механическая
прочность, что снижает общую надежность двигателя,
привода и станка в целом.
Отмеченные свойства малоинерционных двигателей
приводят к ужесточению требований к качеству станков
и усложнению систем стабилизирующих устройств для
обеспечения устойчивости и желаемого качества
переходных процессов в электромеханической системе следящего
привода подачи станка.
Электродвигатели с дисковым печатным или
штампованным якорем изготавливаются многополюсными
с возбуждением от постоянных магнитов, а с гладким
якорем — в основном двухполюсными с
электромагнитным возбуждением. Мощность, потребляемая обмоткой
возбуждения, и нагрев от потерь возбуждения велики
из-за увеличенного воздушного зазора, что вызывает
необходимость установки вентилятора, включение которого
обязательно даже без нагрузки двигателя. Пристройка
к двигателю вентилятора-наездника увеличивает
габаритные размеры, вибрацию и шум двигателя и вызывает
дополнительное загрязнение коллектора и снижение
надежности работы двигателя. Кроме того, требуется
дополнительная балансировка вентилятора при установке
его на двигателе в станках повышенной и высокой
точности.
Наличие мощной обмотки возбуждения затрудняет
многополюсное исполнение двигателей. Двухполюсная
магнитная система не обеспечивает высокой
равномерности магнитного поля в воздушном зазоре, что
вызывает дополнительную неравномерность вращения
двигателя.
Малоинерционные двигатели с возбуждением от
постоянных магнитов лишены указанных недостатков и
являются весьма перспективными для станков, требующих
особо высокого быстродействия. Отечественной
промышленностью выпускаются малоинерционные
электродвигатели с гладким якорем и электромагнитным
возбуждением серии ПГТ и с дисковым якорем серий ДПУ и ПЯ.
Наиболее перспективными малоинерционными
двигателями зарубежных фирм являются двигатели с гладким
якорем и постоянными магнитами в прямоугольном
корпусе, выпускаемые западногерманской фирмой Siemens,
6*
83

и двигатели с дисковым якорем и постоянными
магнитами французской фирмы СЕМ и ее отделений.
Помимо прочих достоинств дисковые двигатели
удобно встраиваются в механизм станков, роботов и т. Д.
В настоящее время высокомоментные двигатели
являются наиболее распространенными в механизмах подачи
станков. Регулирование их скорости осуществляется при
постоянном моменте изменением напряжения на якоре
и неизменном максимальном потоке возбуждения,
создаваемом постоянными магнитами.
Основное отличие высокомоментных двигателей от
обычных пазовых машин постоянного тока заключается
в замене электромагнитного возбуждения постоянными
магнитами, что влечет за собой существенное улучшение
характеристик двигателей и приводов в целом.
Высокомоментные двигатели сохранили достоинства обычных
машин — высокую постоянную времени нагрева, что
обеспечивает возможность значительных перегрузок по
току в кратковременном и повторно-кратковременном
режимах, хорошее демпфирование, т. е. малую
чувствительность к динамическим возмущениям по нагрузке
и слабую собственную колебательность двигателя в
переходных режимах, и достаточную механическую
прочность благодаря значительным размерам якоря и
большому диаметру вала. Одновременно увеличилось их
быстродействие вследствие способности двигателей
кратковременно развивать большие вращающие моменты.
Уменьшение массы и габаритных размеров двигателя,
увеличение его номинального вращающего момента
я собственного момента инерции по сравнению с мало-
инерционными двигателями до значения, превышающего
в 2—3 раза момент инерции приводного механизма,
позволили устанавливать двигатель непосредственно на
ходовой винт без силового редуктора.
В результате замены электромагнитного возбуждения
постоянными магнитами была исключена мощность
возбуждения, рассеиваемая в двигателе, что снизило общий
нагрев двигателя и позволило за этот счет увеличить ток
якоря и номинальный вращающий момент двигателя на
10—15 % при тех же габаритных размерах машины.
Увеличению длительного тока двигателя способствовало
также выполнение обмотки якоря из материала с
изоляцией высокой нагревостойкости. Применение постоянных
магнитов позволило уменьшить высоту полюсов в 2—3 ра-
84

за, что привело к уменьшению диаметра машины на 20—
30 %; одновременно упростилась установка на статоре
большого числа полюсов, что обеспечило высокую
равномерность магнитного поля в воздушном зазоре, а
следовательно, и большую равномерность вращения
двигателя, особенно при малых скоростях. Увеличению
равномерности скорости двигателя и, следовательно,
равномерности перемещения при малых подачах
способствовало также увеличение числа коллекторных пластин,
применение специального материала для щеток, а в
некоторых случаях и коллектор со специальным
покрытием.
При использовании достаточно мощных магнитов
с высокой коэрцитивной силой была обеспечена
независимость потока возбуждения полюсов от тока якоря
и возможность получения 10—20-кратных
кратковременных моментов двигателя при малых скоростях, а
следовательно, высокого быстродействия привода,
определяемого отношением крутящего момента к моменту
инерции.
В качестве магнитных материалов для индуктора вы-
сокомоментных двигателей наиболее широко применяют
спекаемые металлокерамические магниты,
изготовленные из окислов железа с добавлением бария или
стронция, реже — сплавные магниты из альнико (AINiCo) —
материала с высокой индукцией — и, наконец, магниты
с добавлением редкоземельных элементов. Эти магниты
обладают самой высокой магнитной энергией, однако
весьма дефицитны и дороги.
Высокомоментные двигатели выполняются
закрытыми с естественным охлаждением либо с принудительной
вентиляцией и тепловой трубой для эффективного
охлаждения.
Двигатели с неподвижной обмоткой и вращающимся
индуктором получили название обращенных. Двигатели
обращенной конструкции имеют меньшие габаритные
размеры за счет улучшения условий охлаждения при
расположении обмотки якоря на статоре и внутреннем
расположении постоянных магнитов возбуждения.
Существенным недостатком двигателей обращенной
конструкции является усложнение щеточного узла при
неподвижном коллекторе и снижение максимальной скорости,
особенно для средних и больших машин с высокими
коммутируемыми токами.
85

Двигатели обращенной конструкции выпускаются
в США фирмой «Инланд» (серия ТТ45) и НРБ (серия
MB).
Отечественная промышленность выпускает несколько
модификаций высокомоментных двигателей. К ним
относятся маломощные двигатели серий ДП и ДК, двигатели
средней и большой мощности серии ПВ. Двигатели ДК
и ПВ выполняются с вращающимся зубцовым якорем
и неподвижными постоянными магнитами.
За рубежом высокомоментные двигатели выпускают
почти все ведущие электротехнические фирмы: «Портер»,
«Инланд», «Геттис» (США), «Сименс», АЕГ «Телефун-
кен» (ФРГ), СЕМ (Франция), «Фанук» (Япония) и т. д.
Высокомоментные двигатели выпускают
электротехнические заводы НРБ, ЧССР, ПНР, СРР, ВНР. В
механизмах подач подавляющего большинства станков
зарубежных фирм установлены высокомоментные двигатели.
Бесколлекторные (бесщеточные) двигатели
построены на базе высокомоментных двигателей обращенной
конструкции с неподвижным индуктором и вращающейся
обмоткой якоря. Щеточно-коллекторный узел в этих
двигателях заменен бесконтактным транзисторным или ти-
ристорным коммутатором. Коммутация секций обмотки
якоря выполнена в функции угла поворота вала
двигателя, информация о котором поступает со специального
датчика, являющегося составным элементом
бесколлекторного двигателя.
Несмотря на большую сложность преобразователя,
приводы с бесколлекторными двигателями должны найти
широкое применение в станках вследствие удобства
регулирования и высокой надежности бесколлекторных
двигателей, особенно в тех механизмах, где установка
коллекторных машин недопустима по технологическим
условиям работы.
Важным направлением в станкостроении является
создание совмещенных электромеханических узлов на
базе применения линейных и других специальных
двигателей, в частности линейных двигателей постоянного
и переменного тока. При решении вопросов о
применении линейных двигателей следует учитывать, что они
должны создаваться с учетом условий их компоновки
в рабочем органе станка, а конструкция двигателя
должна соответствовать месту его установки.
Другим видом комплексного механизма является
86

электромеханизм, представляющий единый конструктив
высокомоментного электродвигателя со встроенной
гайкой и ходовым винтом. Эти механизмы разработаны
Новосибирским электротехническим институтом (НЭТИ).
Создание новых электродвигателей с новыми
свойствами в некоторых случаях приводит к введению
дополнительных параметров в таблицы технических данных.
Некорректное толкование этих параметров иногда может
привести к значительным ошибкам в расчетах и к
неправильному выбору двигателей.
Расчет привода современных станков требует
определения ряда характеристик двигателей, существенно
влияющих на статические и динамические свойства
электроприводов и станков в целом. Поэтому важно понимать
физический смысл и уметь правильно определять целый
ряд параметров двигателей.
Ниже дается терминология, общепринятое
толкование физического смысла основных характеристик всех
рассмотренных ранее двигателей постоянного тока и
приведены электромагнитные соотношения, связывающие
между собой различные параметры двигателей.
Номинальный ток якоря /БОм, А, — длительно допустимый ток
якоря по условиям нагрева электродвигателя. Он зависит от класса
изоляции обмотки, условий охлаждения, материала коллектора
и щеток, габаритных размеров и других конструктивных
особенностей машины. При питании двигателя пульсирующим напряжением
номинальному току соответствует действующее значение
(среднеквадратичное) .
Максимальный ток 1тах, А, — кратковременно допустимый по
условиям коммутации или размагничивания ток якоря двигателя. Он
зависит от скорости двигателя, наличия дополнительных полюсов,
степени компенсации реакции якоря, материала и конструкции щеточ-
но-коллекторного узла, индуктивности коммутируемой секции обмотки
якоря и т.д. Для высокомоментных двигателей максимальному току
соответствует ток якоря неподвижного двигателя, не вызывающий
существенного (не более 10%) размагничивания полюсов. Его
обозначают Imaxo) обычно максимально допустимый по условиям
размагничивания ток составляет (10—20) /ном. В соответствии
с коммутационной кривой максимально допустимый ток существенно
падает с ростом скорости. При питании двигателя пульсирующим
напряжением за максимальный ток принимается его амплитудное
значение.
Номинальный магнитный поток Фном, Вб, — магнитный поток,
87

характеризующий магнитное поле в рабочем воздушном зазоре
двигателя при номинальной скорости. Номинальный магнитный поток
в воздушном зазоре сохраняется при регулировании скорости
изменением напряжения на якоре. Он зависит от тока в обмотке
возбуждения, числа витков обмотки, числа полюсов и степени
насыщения магнитной системы двигателя. Для высокомоментных
двигателей магнитный поток определяется как геометрией машины, так
и параметрами постоянных магнитов.
Номинальное напряжение якоря UH0My В,— длительно
допустимое напряжение на якоре двигателя, соответствующее номинальной
скорости. Оно зависит от активной длины проводника обмотки
якоря, числа проводников в пазу якоря, потока, линейной скорости.
Номинальное напряжение возбуждения UB, В,— длительно
допустимое напряжение на обмотке возбуждения, определяемое
длительно допустимым по условиям нагрева током возбуждения. Оно
зависит от параметров (сопротивления и числа bhtkoi) и схемы
включения обмотки возбуждения при многополюсной системе
возбуждения.
Максимальное напряжение якоря Umax, В, — напряжение,
соответствующее максимальной скорости. Максимальное напряжение
лимитируется напряжением между смежными пластинами коллектора.
Номинальная скорость Ином, об/мин, — скорость при
номинальном напряжении на якоре, номинальном магнитном потоке и
номинальном токе якоря.
Максимальная скорость птах, об/мин, — максимальная скорость
при максимальном напряжении на якоре Umax и номинальном
магнитном потоке Фном.
Максимальная скорость птахУ об/мин, — максимальная скорость
при минимальном магнитном потоке Фт1Л и номинальном
напряжении на якоре UH ом-
Номинальный момент Л1ном, Н'М, — длительно допустимый
момент на валу двигателя, соответствующий номинальному току якоря
/пом и номинальному магнитному потоку Фном- При питании
двигателя пульсирующим напряжением номинальный момент
соответствует среднему (среднеарифметическому) значению тока якоря.
Максимальный момент Мтах, Н-м, — кратковременный момент
на валу двигателя, соответствующий максимальному току в якоре
Imax и номинальному магнитному потоку Фном. Обычно кратность
максимального момента Мтах/Миом меньше кратности
максимального ТОКа ImaxlU ом вследствие насыщения магнитной системы и
размагничивающего действия реакции якоря.
Для высокомоментных двигателей за максимальный момент
Мтахо принято значение момента, соответствующее максимальному
88

по условиям размагничивания току якоря при неподвижном
двигателе.
Момент холостого хода МХ)Х — момент, необходимый для
преодоления сил трения при вращении двигателя без нагрузки. Иногда
его называют моментом трения MTV.
Номинальная мощность РНом, Вт, — мощность на валу
двигателя при номинальном моменте и номинальной скорости:
^ном = -^ном соном = 0,105МНОМ /гном.
При уменьшении скорости мощность двигателя пропорционально
снижается.
Часовая мощность Рч, Вт, — мощность на валу двигателя,
допустимая по условиям нагрева в течение 1 ч работы. Часовая
мощность больше номинальной.
Номинальный КПД т], %, — отношение номинальной мощности
на валу двигателя к потребляемой:
^ 0,105МномкНом шо
^ном Люм I ^в /в
Момент инерции /, кг-м2,— конструктивный параметр двигателя,
определяемый геометрическими размерами и материалом якоря.
Максимальное теоретическое ускорение е, с-2, — ускорение,
которое может развивать двигатель без дополнительной инерционной
массы при максимальном вращающем моменте.
Коэффициент момента см, Н-м/А, — момент, развиваемый
двигателем на 1 А тока якоря при номинальном магнитном потоке:
см=М/1.
Коэффициент ЭДС се, В• мин/об, —- ЭДС двигателя,
вращающегося со скоростью 1 об/мии при номинальном магнитном потоке:
' E_ __ ^ном — /ном (#я ~f" ^д.п)
п ^ном
При размагничивании двигателя значения коэффициентов См
и Се уменьшаются. При соблюдении указанных размерностей
коэффициенты момента и ЭДС равны между собой и определяются по
формуле
Се — см. — сФном •
Коэффициент вязкого демпфирования &в,д, Н-м-с/рад —
величина, характеризующая тормозящий момент двигателя,
препятствующий его вращению и возникающий от токов короткого
замыкания, циркулирующих в коммутируемых секциях обмотки якоря,
потерь на ускорение и т. д.:
^в,д == см ге/°я»
89

Электромеханическая постоянная времени Гм, с, — время,
необходимое для разгона двигателя до 0,63 номинальной скорости при
прямом включении якоря двигателя на номинальное напряжение:
т J(Rr + RM)
Электромагнитная постоянная времени Гэ, с, — время,
необходимое для нарастания тока в обмотке якоря до 0,63 номинального
значения при подаче на заторможенный якорь двигателя ступени
напряжения £/=/НОм(Яя-1-#д,п):
Гэ = (1я + 1д1П)/(/?я + ^д,п),
где /?д,п — сопротивление добавочных полюсов.
Собственная частота со0, с-1, — величина, характеризующая
полосу пропускания электродвигателя:
со0=1/"К^Тэ.
Коэффицинт демпфирования | характеризует колебания частоты
вращения (колебательность) электродвигателей в переходных
режимах. Зависит от соотношения электромеханической и
электромагнитной постоянных времени:
1 = УТМ/4ТЭ.
Постоянная времени нагрева Гн — время нагрева обмотки якоря
до 0,63 значения установившейся температуры. Постоянная времени
нагрева зависит от материала, конструкции и геометрических
размеров якоря и способа охлаждения двигателя.
Коэффициент использования двигателя ka — величина,
определяемая отношением среднеарифметического и среднеквадратичного
(действующего) значений токов якоря:
«и — /ср//действ —
\idt )/T0
\
т
\i*dt \IT
Коэффициент использования зависит от числа фаз питающего
преобразователя и электромагнитной постоянной времени якорной
цепи двигателя. Для увеличения коэффициента использования
двигателя для малофазных преобразователей последовательно с
якорем включают дополнительные сглаживающие реакторы.
Коэффициент использования является величиной, обратной коэффициенту
формы.
90

Градиент напряжения тахогенератора у» В-мин/об, —
коэффициент пропорциональности между напряжением на якоре
тахогенератора и его скоростью; зависит от интенсивности магнитного поля,
активной длины и числа проводников обмотки якоря тахогенератора.
Минимальное сопротивление нагрузки RH, Ом, — величина,
определяемая длительным по нагреву током обмотки якоря
тахогенератора.
Для наиболее полного использования двигателей в условиях,
отличных от номинальных, целесообразно знать зависимость между
скоростью и допустимым вращающим моментом в продолжительном,
повторно-кратковременном и кратковременном режимах работы, т.е.
/г=/(М).
п
Рис. 3.1. Механические
характеристики высокомоментного
двигателя
/'ном ^max M
В зоне продолжительного режима / (рис. 3.1) двигатель может
длительно работать при любом сочетании скорости и момента, не
превышающем пределы продолжительности режима работы.
В зоне повторно-кратковременного режима 2 двигатель может
работать только при допустимой продолжительности включения ПВ.
Кривая 3 соответствует кратковременному режиму работы.
Коммутационная кривая 4 ограничивает амплитудные значения
максимального тока в зависимости от скорости. Превышение энергии,
выделяющейся в коммутируемых секциях от тока якоря, вызывает
повышенное искрение на коллекторе, подгар, износ и сокращение
срока службы коллектора и щеток.
3.2. ВЫСОКОМОМЕНТНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОДАЧ
В приводах подач применяются как отечественные
двигатели, так и электродвигатели производства ПНР,
НРБ, ЧССР, поставляемые в соответствии с планами
кооперации работ стран СЭВ в рамках Интерэлектро,
91

Таблица 3.1. Технические данные высокомоментных электродвигателей серии ПВ
Параметр
Номинальный
момент, Н-м
Номинальная
скорость, об/мин
Номинальная
мощность, кВт
Номинальное
напряжение, В
Номинальный ток,
А
Максимальный
момент, Н-м
Максимальная
скорость, об/мин
Тип электродвигателя
ПБВ-
100М
7,16
1000
0,75
52
18
70
2000
ПБВ-
100L
10,5
1000
1,1
56
24
100
2000
ПБВ-
112S
14
750
1,1
44
31,5
130
2000
ПБВ-
112М
17,5
600
1,1
47
29
170
2С0Э
ПБВ-
112L
21
500
1,1
50
28
210
2000
ПБВ-
132М
35
6С0
2,2
53
50
350
2000
ПБВ-
132L
47,7
600
3,0
70
50
470
2000
ПБВ-
160М
76,4
500
4,0
66
78,5
490
1000
ПБВ-
160L
105
500
5,5
78,5
90
510
1000
ПФВ-
160S
143,2
5С0
7,5
58
182
490
1000
ПФВ-
160М
175
600
11,0
82
180
510
1000

Момент инерции
якоря, кг-м2*
Максимальное
теоретическое
ускорение, с "
гч-а

Электромеханическая
постоянная времени, мс

Электромагнитная постоянная
времени, мс
Постоянная
времени нагрева, мин
Масса, кг*
Высота оси
вращения, мм
Длина, мм*
0,01
0,0112
7000
10,3
5,3
60
29
38
100
476
640
1
0,013
0,0142
7700
7,6
5,75
70
35
44
100
536
700
0,035
0,0366
3700
13,2
6,75
60
45
€0
112
515
693
1
0,042
0,0433
4050
■ 10,1
7,3
70
51
66
112
0,049
0,0504
4360
8,6
7,65
80
57
72
112
555 Г 595
733
773
оТэ вером.
* В числителе указаны значения для двигателя с тахогенератором, в
0,188
0,1901
1860
14,2
7,35
90
88
108
132
652
842
0,238
0,2401
1970
12,3
7,85
100
105
125
132
_722
912
0,242
0,2464
2020
8,5
10,6
168
188
160
78 S
~985
0,298
0,3024
1710
7,9
11,8
182
202
160
841
1040
0,194
0,1984
2520
9,9
9,25
162
182
160
731
930
0,242
0,246
2100
8,5
10,6
176
196
160
786
985
резол ь-
:аменателе — с тахогенератором, тормозом и

Таблица 3.2. Технические данные высокомоментных
электродвигателей серии ДК1
Параметр
Номинальный момент,
Н-м
Номинальная скорость,
об/мин
Номинальная мощность,
кВт
Номинальное
напряжение, В
Номинальный ток, А
Максимальный момент,
Н-м
Максимальная скорость,
об/мин
Момент инерции якоря,
кг-м2
Максимальное
теоретическое ускорение, с-2
Электромеханическая
постоянная времени, мс
Электромагнитная
постоянная времени, мс
Тепловая постоянная
времени нагрева, мин
Сопротивление якоря,
Ом
Индуктивность якоря,
мГн
Масса, кг
Высота оси вращения,
мм
Длина, мм
Тип электродвигателя
ь
<
100
tv.
*н"
2
ее
1,7
1000
0,18
| 36
8
11,8
2000
2,1-Ю-з
5600
25
2,5
'45
0,75
1,88
15,4
80
295
*■*
<
■ 100
со
оГ
2
п
2,3
1000
0,24
48
7,5
14,1
2000
2J.10-3
5200
20
3
50
0,9
2,7
18
80
328
ь
<
-100
ю
со
5
п
3,5
1000
0,37
60
7,5
24,5
2000
2,85-10-з
8600
15
3,5
60
1,15
4,02
20
80
361
100
!N
Ю*
2
с(
5,2
1000
0,55
ПО
6,5
38,2
2000
3,9-10-3
9800
10
5,3
60
2,1
11,1
25,8
80
427
а также электродвигатели некоторых ведущих фирм
капиталистических стран.
В табл. 3.1—3.4 приведены технические данные
отечественных высокомоментных двигателей.
Электродвигатели серии ПВ имеют металлокерами-
ческие феррит-бариевые магниты, которые не размагни-
94

Таблица 3.3. Технические данные высокомоментных
электродвигателей серии ДПУ
Параметр
Номинальный момент, Н»м
Номинальная скорость, об/мин
Номинальная мощность, Вт
Номинальное напряжение, В
Номинальный ток, А
Максимальный момент, Н»м
Максимальная скорость, об/мин
Момент инерции, кг»м2
Максимальное теоретическое
ускорение, С"2
Электромеханическая постоянная
времени, мс
Электромагнитная постоянная
времени, мс
Постоянная времени нагрева, мин
Индуктивность якоря, мГн
Масса, кг
Высота оси вращения, мм
Длина, мм
Тип
ДПУ 87-
75-1-23
0,7
1000
75
23
4,5
3,15
2000
0,21-Ю-3
1500
9
1,5
15
1,9
3,2
52,5
205
зл ектродвигател я
ДПУ 127-
220-1-30
2,1
1000
220
30
11
19
2000
2,8-Ю-3
6800
25
3,2
50
1,6
12
65
294
ДПУ 127-
450-2-57
4,3
1000
450
57
11
38,7
2000
4,9-10~3
7900
15
3,8
55
2,7
16
65
359
чиваются при разрыве магнитной цепи во время
разборки двигателей.
Электродвигатели серии ДК1 выполнены с литыми
магнитами, которые размагничиваются при разборке
и требуют обязательного повторного намагничивания при
сборке двигателей.
Электродвигатели серии ДПУ выполнены по лицензии
фирмы «Фанук» (Япония). Согласно техническим
условиям двигатели разборке не подлежат на всех стадиях
эксплуатации.
Технические данные высокомоментных двигателей
зарубежных фирм приведены в гл. 4.
95

Таблица 3.4. Технические данные высокомоментных
электродвигателей серии 2ПБВ
Параметр
Номинальный
момент, Н-м
Номинальный ток,
А
Максимальный
момент, Н-м
Максимальная
скорость, об/мин
Момент инерции,
кг*м2
Максимальное
теоретическое
ускорение, с~2

Электромеханическая
постоянная времени, мс
Электромагнитная
постоянная
времени, мс
Индуктивность
якоря, мГн
Масса, кг
Высота
электродвигателя, мм
Длина, мм
Тип электродвигателя
WOO
СО
1Л
с
С1
7,5
20
70
2500
0,0094
7400
13,5
5,30
1,18
24,8
218
574
00L
CQ
СЛ
С
см
11,0
25
100
2000
0,0130
7700
10,8
5,75
0,80
28,8
218
634
с/)
РЗ
сл
с
<м
15,0
28
130
2000
0,034
3800
16,8
6,75
0,732
39,8
265
601
12М
CQ
СЛ
С
CN
18,5
35
170
2000
0,0420
4000
14,6
7,30
0,898
45,8
265
641
12L
CQ
СП
С
<м
22,0
32
210
2000
0,056
3800
13,6
7,65
1,102
51,8
314
681
32S
CQ
СЛ
С
CN
37,0
54
350
2000
0,1740
2000
22,0
7,35
0,422
73,3
314
707
3.3. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В ПРИВОДАХ ПОДАЧ
В настоящее время в механизмах подач станков
с ЧПУ нашли самое широкое распространение высоко-
моментные двигатели постоянного тока с возбуждением
от постоянных магнитов. Их достоинства,
заключающиеся в хороших регулировочных свойствах, умеренных
габаритных размерах, высокой постоянной времени
нагрева, быстродействии и невысокой сложности питающего
преобразователя, обеспечили применение их в станках
всех технологических групп, выпускаемых во всем мире.
96

Основным недостатком высокомоментных двигателей
является наличие трущегося токосъемного щеточно-кол-
лекторного узла, снижающего надежность машины и
накладывающего ограничения на возможность работы в
условиях агрессивной окружающей среды. Наличие щеточ-
но-коллекторного узла отрицательно сказывается на
работе двигателей в условиях автоматизированных
производственных систем, так как требует проведения
регулярных профилактических осмотров и ремонтов. Кроме
того, щеточно-коллекторный узел не позволяет полностью
автоматизировать производство электродвигателей
постоянного тока и ограничивает их выпуск. В силу всех
этих факторов в последнее время всеми ведущими
электротехническими фирмами форсированно ведутся работы
по созданию широкорегулируемых станочных
электроприводов с двигателями переменного тока. Отсутствие
трущихся электромеханических токоведущих узлов
позволяет устанавливать эти двигатели в условиях любой
окружающей среды, повысить их надежность и полностью
удовлетворить потребности промышленности вследствие
возможности полной автоматизации их производства.
Бесколлекторные двигатели требуют минимального
обслуживания, что позволяет их устанавливать на
станки, работающие в гибких производственных системах.
Исполнение этих двигателей в бескорпусном варианте
с шихтованной станиной и «холодным» ротором (без
обмотки) позволяет снизить их габаритные размеры
и уменьшить передачу тепла от электродвигателя на
станок.
Разработка бесколлекторных (бесщеточных)
двигателей ведется в двух направлениях — создание
специальных синхронных и асинхронных электродвигателей.
Синхронным, или вентильным, электродвигателям
свойственны все регулировочные достоинства электродвигателей
постоянного тока. В бесщеточных двигателях коллектор
заменен бесконтактным коммутатором на транзисторах
или тиристорах. Двигатель оснащен бесколлекторным
тахогенератором и достаточно простым датчиком угла
поворота для коммутации тока в обмотках статора в
зависимости от числа полюсов и геометрического
положения ротора. Регулирование скорости подобных
синхронных двигателей осуществляется изменением напряжения
на статоре, так же как и в двигателях постоянного тока.
Вследствие этого преобразователи, питающие бесколлек-
7-894
97

торные (вентильные) двигатели, достаточно просты и
надежны.
Асинхронные электродвигатели для широкорегулиру-
емых приводов подач могут строиться на базе
общепромышленных асинхронных электродвигателей, однако
в этом случае заведомо снижаются массогабаритные и
регулировочные показатели двигателей. Однако даже при
применении двигателей общего назначения требуется
установка на валу двигателя точного датчика угла
поворота для обеспечения частотно-токового регулирования
и принудительной вентиляции для отвода тепла при
глубоком регулировании скорости и низкой частоте тока
в статоре. Система регулирования скорости асинхронного
двигателя сложнее системы регулирования синхронного
двигателя, так как для асинхронных двигателей
требуется регулирование и напряжения и частоты тока в статоре
по определенному закону.
Ряд ведущих зарубежных фирм («Сименс», «Бош»,
«Индрамат», «Фанук») достаточно широко выпускает
широкорегулируемые электроприводы с
бесколлекторными двигателями и устанавливает их в механизмах подач
станков с ЧПУ. Бесколлекторные (синхронные)
электродвигатели разработаны в СССР и странах СЭВ. Уже
накоплен большой положительный опыт работы глубокоре-
гулируемых электроприводов с асинхронными
двигателями на токарных станках 16К20Т1.
В отечественной электротехнической промышленности
предполагается выпуск единой серии высокомоментных
двигателей постоянного тока с номинальными моментами
от 0,7 до 175 Н-м. Основное развитие производства
приводов с двигателями переменного тока намечается
в XII пятилетке.
3.4. МЕТОДИКА ВЫБОРА ДВИГАТЕЛЯ
Первоначальным этапом расчета привода является
выбор исполнительного двигателя. От правильного
выбора двигателя зависит обеспечение всех технологических
режимов обработки и необходимых динамических
характеристик, а также конструкция механической части
привода.
Исключение силового редуктора обусловило
снижение общего момента инерции механизма и увеличение
допустимого для привода по условиям механической проч-
98

ности ускорения. Это обеспечило сокращение времени
переходных процессов, увеличение производительности
станков, улучшение качества обработки вследствие
повышения быстродействия всей электромеханической
системы привода подачи как по управляющему воздействию,
так и по нагрузке.
Исходными данными для выбора двигателя привода
подачи служат: сила трения в опорах, направляющих
и в передаче; передаточные отношения механических
звеньев привода (коробки подач, винтовой пары,
передачи рейка—шестерня и т. д.); масса перемещаемого
органа привода вместе с деталью или инструментальным
магазином; моменты инерции механических звеньев; КПД
механических передач; скорости быстрого хода и
установочных перемещений и диапазон рабочих подач;
допустимые для механизмов ускорения и необходимое время
переходных процессов, циклограмма нагрузки двигателя
при работе механизма и т. д. Кроме того, для
правильного выбора двигателя необходимо знать законы его
/регулирования и управления в переходных режимах. Как
правило, в механизмах подач регулирование скорости
двигателя осуществляется при постоянном моменте
изменением напряжения на якоре. Закон управления при
разгоне и торможении реализуется системой управления
станком, в частном случае ЧПУ. Наиболее
распространенными законами управления являются скачкообразный
и линейно изменяющийся, однако возможны и другие
формы задающих сигналов.
Определение скоростей двигателя. Скорость
двигателя определяется скоростью перемещения рабочих
органов станка и передаточным отношением механической
передачи:
для передачи винт—гайка
Ядв=0'р/'в; (ЗЛ)
для передачи рейка—шестерня
йдв*йР/(яО), (3.2)
где /в —шаг винта, мм; D — диаметр шестерни, мм.
Аналогично определяются скорости быстрого хода,
установочных перемещений, максимальной и
минимальной рабочих подач.
Определение моментов инерции. Момент инерции
поступательно перемещающегося узла, приведенный к валу
двигателя,
7*
99

J' = (/пуз.ст + тдет) (-^-J-j . (З-3)
где туз,ст, /Идет — массы узла станка и детали
соответственно, кг.
Момент инерции механизма с передачей
рейка—шестерня, приведенный к валу двигателя,
J'^ = mD4KY <3-4>
Момент инерции коробки скоростей, приведенный
к валу двигателя,
Момент инерции муфт, шестерен, винта и других
механизмов, вращающихся со скоростью равной скорости
двигателя,
Момент инерции сплошного цилиндра
Уц - mD2/8.
Момент инерции ходового винта, кг-м2, приведенный
к валу двигателя,
*£>ср'в7
32-£
(3.6)
где Dcp —средний диаметр винта, м; /в — длина винта,
м; у — плотность материала, из которого изготовлен
винт (для стали v = 7,8-103 кг/м3).
Момент инерции стального винта
/: = 7,7. 10* D* цп (3.7)
в ' ср в р* \ • /
Момент инерции зубчатой передачи, приведенный к
валу двигателя,
К = S J Л.
где Jui=ndmlmy/32 — момент инерции шестерни; dm —
средний диаметр шестерни, м; /ш — ширина шестерни,
м.
Суммарный момент инерции механизма
*^2 = ^мех + ^в + Jn-
100

Определение моментов двигателя. Общий
вращающий момент двигателя складывается из статического
и динамического моментов:
МДВ = МСТ + МДИН. (3.8)
Статический момент определяется усилием,
передаваемым в направлении подачи при установившемся
движении рабочего органа станка. Усилие подачи по
горизонтальной координате X:
Fno, = kFz + frpNs + FH, (3.9)
где Fz — составляющая от усилия резания вдоль оси Z,
Н; k — коэффициент запаса, /г=1ч-1,5; /тр —
коэффициент трения; N% — сумма нормальных сил,
действующих на направляющие, Н; Fu — усилие от
предварительного натяга, не учтенное в JVs,H.
Статический момент на двигателе подачи для
передачи винт — гайка с редуктором
А*ст = ^под + 'в/(2я/рЛ); (З.Ю)
для передачи рейка — шестерня с редуктором
MCT = FnonD/(2ipri), (3.11)
Л==:Л1Г12 — КПД механической передачи. Обычно КПД
передачи винт—гайка качения без натяга r|i=0,95, с
натягом г|1=0,85^0,9, зубчатой коробки ц2 = 0,85-^0,9.
При установке двигателя на ходовой винт г|2= 1 -
При резании статический момент равен сумме
моментов от составляющей усилия резания вдоль оси станка
Fz и от сил трения FTP=fTPNz в подвижных звеньях
механизма
Мст=Мрез + Мтр. (3.12)
При установившемся движении на быстром ходу
статический момент равен моменту холостого хода
AfCT = MXfX = MTP. (3.13)
Для вертикальных и наклонных осей координат
должен быть учтен дополнительный момент на двигателе
MG от полной или неуравновешенной части силы
тяжести перемещаемых узлов:
для передачи винт — гайка с редуктором
MQ = mgtBl[2nipn); (3.14)
101

для передачи рейка—шестерня
MG = mgD/(2ipi\), (3.15)
где т — масса, кг; g=9,81 м/с2 — ускорение свободного
падения.
Момент на двигателе от силы резания:
для передачи винт — гайка с редуктором
^W = ^V(2mpii); (3.16)
для передачи рейка — шестерня с редуктором
Mpe3 = F2D/(2ipTi). (3.17)
Момент на двигателе от сил трения складывается из
моментов трения в направляющих, в паре винт—гайка
качения и подшипниках ходового винта от преднатяга:
Мет = Мнапр + МВ + М
подш»
(3.18)
или
м &м
1v1Ct ~ тнапр»
Момент трения в направляющих узлов станка Л4папр,
перемещающихся в горизонтальной плоскости, зависиг
от силы трения, КПД и передаточного отношения от
двигателя к перемещаемому узлу:
для передачи винт — гайка
^напр = ^трУ(2я;рТ1); (3.19)
для передачи рейка—шестерня
Мнапр = /ЧрЩ2*рГ,). (3.20)
Сила трения FTp определяется массами
перемещающегося узла станка и установленной на нем детали и
коэффициентом трения /тр.*
^тР = Кз.ст + /"дет) £/тр. (3.21)
Для узлов, перемещающихся в вертикальной
плоскости, нагрузка от сил трения равна нулю. Тогда
MCT = Mve3 + MG. (3.22)
Для узлов, перемещающихся в наклонной плоскости,
сила трения
Ftp = /тр NZ = /тР Кз,ст + ™дет) 8 C0S *>
где а — угол между направлением перемещения и
горизонтальной плоскостью.
102

Дополнительный момент на двигателе от силы
тяжести перемещаемых узлов
М0итй = М0япа. (3.23)
Если движение по наклонной плоскости
осуществляется с противовесом, то следует учитывать только
неуравновешенную массу.
Коэффициент трения зависит от материала трущихся
поверхностей и их смазки для направляющих
скольжения, от конструкции направляющих и их
предварительного натяга для направляющих качения и
комбинированных. Обычно для направляющих скольжения со
смазкой при смешанном трении коэффициент трения
принимают /тр=0,1, для направляющих качения с
танкетками /Tp=0,005-f-0,01.
По статическому моменту от сил резания и трения
Мст=Мрез+МТр и скоростям быстрого хода и рабочих
подач предварительно выбирается двигатель, а затем
производится уточнение его после расчета необходимого
динамического момента.
При повторно-кратковременном режиме двигатель
выбирается не по Мст, а по моменту
Л4 = МСТПВ/Ю0. (3.24)
Предварительно выбирают двигатель с номинальным
моментом Миом^Мст в диапазоне рабочих скоростей
при резании /граб—npa6min и с моментом Мц0ы^Мтр при
максимальной скорости пша^пь^у соответствующей
скорости быстрого хода Vq,x.
Затем по таблицам технических данных и
механической характеристике M=f(n) продолжительного и
повторно-кратковременного режимов работы для
принятого двигателя принимают все параметры, необходимые
для проведения дальнейшего расчета.
Динамический момент Мдии на двигателе
определяется суммарным моментом инерции механизма /^,
приведенным к валу двигателя, и собственным моментом
инерции двигателя /дв с учетом моментов инерции
датчиков скорости и угла поворота, если они имеются, и
ускорением е, которое должен развить двигатель:
AU~('i + ^)-f--('i+ '*)«*. <3-25>
где J'j, складывается из моментов инерции всех подвиж-
103

ных узлов привода, включая вращающиеся и
поступательно движущиеся.
Ускорение двигателя определяется по времени
переходного процесса, заданному закону и изменению
скорости.
При скачкообразном изменении сигнала управления
скорость изменится на Дсо за время переходного
процесса /п,п, при разгоне двигателя по экспоненциальному
закону с ускорением е
е = 0,63Дсо/7\ (3.26)
где б — угловое ускорение, рад/с2; Г=/П,п/3 —
постоянная времени экспоненциальной желаемой кривой
изменения скорости, с; Дсо — приращение скорости
двигателя, рад/с,
Дсо-=2шрД1;/(6(Ыв); (3.27)
До — изменение скорости подвижных органов станка за
время /п,п, мм/мин.
Таким образом, при разгоне до скорости быстрого
хода Уб,х за время /п,п двигатель должен иметь ускорение
е = 0,063я-^1р « 0,2-^р . (3.28)
/ / tt
lBLa,u *в*п,п
Время переходного процесса
*п.п = 0,2иб,х i"p/(e/B).
При экспоненциальном законе изменения скорости путь
разгона
'раз^б,х/п.п/2. (3.29)
Таким образом, при скачкообразном изменении
управляющего сигнала динамический момент равен
^дин = ^е; (3.30)
в соответствии с (3.28) и (3.30)
M^—^Vz + J^. (3.31)
При линейном законе изменения управляющего
сигнала динамический момент определяется в соответствии
с формулой
104

или
<в
где a=Av/At — линейное ускорение, мм/с2.
В результате проведенных расчетов определяются
момент двигателя в переходных режимах, необходимый
для преодоления сил трения и сообщения инерционным
массам механизма заданного ускорения М\, момент
двигателя в установившихся режимах на рабочих
подачах по преодолению сил трения и составляющей от
силы резания при обработке детали М2 и момент
двигателя в установившемся режиме при быстром ходе М$:
Мг =* Мтр + Мтп;
М2 = МРез + МтР; м-б = MTV.
По рассчитанным значениям моментов Mi, M2f М2
и скоростей /2б,х, Прабтах, Лраб min выбирают двигатель
привода.
Длительный момент двигателя в режиме рабочих
скоростей /2р3б max—лраб min должен быть не меньше
момента М2. Момент двигателя при скорости птах>
соответствующей скорости быстрого хода Уб,х, должен быть не
менее момента Мг. Максимальный момент двигателя при
разгоне до скорости, соответствующей скорости
быстрого хода, за время, не превышающее заданное,
должен быть не менее момента М\. Максимальный момент
двигателя определяется по коммутационной кривой
механической характеристики:
Я6.Х J
где Мдин — максимальный динамический момент,
обеспечивающий удовлетворительную коммутацию
двигателя при разгоне до яв.х.
Если двигатель работает в
повторно-кратковременном режиме с резкопеременной нагрузкой, то значение
номинального момента М2 должно быть уточнено по
циклограмме работы привода в соответствии с выражением
105

где Мг — значение момента в промежутке времени U,
Н-м; 2/ — время работы двигателя, с.
При выборе двигателя с меньшим номинальным
моментом, соответствующим Мдв, двигатель должен быть
проверен по максимальному моменту М\ и моменту при
максимальной скорости М3.
Параметры двигателя должны удовлетворять
следующим неравенствам:
■*гхДв max
>Мг; МпоМ^М2; Мб,х^М3; птад:>/гб|Х.
Если предварительно выбранный двигатель не
удовлетворяет хотя бы одному из приведенных неравенств, то
надо выбрать двигатель большего габарита и повторить
расчет.
3.5. ПРИМЕР РАСЧЕТА ДВИГАТЕЛЯ
Результаты расчета двигателя привода подачи фрезерно-расточ-
ного станка с ЧПУ даны в виде таблицы.
Исходные данные
Координатная ось 1
Передаточное
отношение коробки
подач
Шаг винта, мм
Скорость быстрого
хода, мм/мин
Максимальная
рабочая подача, мм/мин
Минимальная
рабочая подача, мм/мин
Составляющая сила
резания по оси
координат, Н
КПД коробки подач
КПД винтовой пары
Масса поступательно-
перемещающегося
узла станка и
детали, кг
Коэффициент трения
в направляющих
Диаметр винта, м
Длина винта, м
Время разгона
(торможения) ДО Уб,х, С
Продолжительность
включения, %
Обозначение
Z 1
h
tB
*бл
^раб max
vpa6min
Pz
%
*)2
.^уз, ст~Г^дет
/тр
DB
/в
^П,П
ПВ
Формула
—
—
—
—
-—
—
—
—
—
~~
—
—
—
—
—
Значение
величины
1
10
10000
4000
1,9
7000
1 1
0,9
1500
0,03
0,063
1,16
0,2
80
106

Продолжение табл.
Исходные данные
Обозначение
Формула
Определение частоты вращения двигателя
Максимальная
рабочая частота
вращения, об/мин
Максимальная
частота вращения, об/мин
Минимальная частота
вращения, об/мин
"б,х
Л раб max
Яраб min
»б,х «рЛ'в
ураб max 'р/^р
ураб min
Определение моментов инерции
Приведенный к валу
двигателя момент
инерции
поступательно движущегося
узла, кг«м2
Приведенный момент
инерции ходового
винта, КГ'М2
Приведенный момент
инерции коробки
подач, кг«м2
Приведенный
суммарный момент инерции
механической схемы
привода, кг«м2
(Шуз.ст+^дет) су #2
1Р
7,7.10"./в/^
h + hlli
^мех + ^в + ^п
Определение моментов двигателя
Момент от силы
резания, Н-м
М
рез
Fz tjpniprirtd
107

Продолжение табл.
Исходные данные
Момент от силы
трения в
направляющих, Н-м
Статический момент
при обработке,
Н-м
Статический момент с
учетом ПВ, Н-м
Обозначение
Мтр
j Мст
Мст
Формула
(туз,ст ~Ь тдет)&/ тр^в
Щез + МТр
ЖстПВ%/100%
Значение
величины
7,2
19,6
15,7
Основные данные выбранного двигателя
Тип
Номинальный момент,
Н-м
Номинальная частота
вращения, об/мин
Номинальное
напряжение, В
Номинальный ток, А
Номинальная
мощность, кВт
Максимальный
момент, Н-м
Максимальный
момент, рассчитанный по
кривой M=f(n) при
разгоне до тл=
= 1000 об/мин, Н-м
Максимальная
скорость, об/мин
Максимальное
напряжение, В
Длительный момент в
заторможенном
состоянии, Н-м
Максимальный ток, А
ПБВ112Ь
Мном
^ном
/ном
"ном
мп
м„
пп
"ma.
м0
«б,
V
-14,
,х J
cdn
280
108

Продолжение табл.
Исходные данные
Обозначение
Формула
Момент инерции
двигателя, кг-м2
Сопротивление
обмотки якоря, Ом
Индуктивность
обмотки якоря, мГн

Электромеханическая постоянная
времени (с тахоге-
нератором), мс
Электромагнитная
постоянная времени,
мс
Постоянная времени
нагрева, мин
R
L
Проверка динамических свойств привода
Суммарный момент
инерции привода,
кг-м2
Динамический момент
двигателя при
разгоне ДО Пб,х =
= 1000 об/мин (по
характеристике
двигателя), Н-м
Ускорение,
развиваемое приводом при
разгоне до Яб,х, с~2
Время разгона до
Уб.х, С
Путь разгона
(торможения), мм
'пр
Мп
'раз
/2 + /
«б,х
Дв
б,х
\ Mmax dn
Мдин/^пр
0,2y6,xtp/(fBe)
"бУп,п/2
Выбранный двигатель удовлетворяет заданным требованиям:
статическим (Мдв=21 Н-м, Мст=15,7 Н-м, Мдв>Л1ст) и
динамическим (/п>п = 0,147 С, *п,п = 0,2 С, *п,п<*п,п).
109

Глава четвертая
СЛЕДЯЩИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
ПОДАЧ ЗАРУБЕЖНЫХ ФИРМ
4.1. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
СТРАН ИНТЕРЭЛЕКТРО
В станках с ЧПУ отечественного производства
наряду с преимущественным применением электроприводов
подач, изготовленных в СССР, получили
распространение и электроприводы зарубежных фирм. В первую
очередь следует назвать приводы таких стран Интерэлект-
ро, как НРБ, ПНР и ЧССР. Из приводов подач стран
капиталистического лагеря наибольшее распространение
получили электроприводы фирмы «Фанук» (Япония).
Применение приводов фирм «Сименс» и «Бош» (ФРГ)
носило разовый характер, и поэтому эти приводы в
дальнейшем не рассматриваются.
Отечественные станки с ЧПУ в значительной
степени комплектовались приводами с высокомоментными
двигателями производства стран Интерэлектро. Все
современные электроприводы, построенные по схеме тири-
сторный преобразователь—двигатель, обеспечивают
диапазон регулирования 1:10 000, частоту собственнык
колебаний 20—30 Гц, нестабильность скорости и
коэффициент неравномерности в соответствии с требованиями
Интерэлектро, приведенными в гл. 1.
Электроприводы серии «Кемрон» производства НРБ
имеют двухкомплектный шестипульсный тиристорный
выпрямитель с уравнительными токами. Выпрямитель
питается через силовой трехфазный трансформатор.
Система регулирования — двухконтурная с регуляторами
тока и скорости. Функциональная схема
электропривода серии «Кемрон» приведена на рис. 4.1.
Пропорционально-интегральный регулятор скорости / построен на
операционных усилителях с независимой регулировкой
коэффициента усиления и постоянной времени
(пропорциональной и интегральной составляющих). Изменение
коэффициента усиления в зависимости от сигнала
управления, скорости и тока обеспечивает адаптивный блок
регулятора скорости 2. Меньшей скорости соответствует
максимальный коэффициент усиления. Узел токоограни-
110

чения состоит из блока отсечки 4, обеспечивающего
ограничение сигнала на выходе регулятора скорости, и
системы зависимого от скорости токоограничения 5,
снижающей ток уставки с ростом скорости. На входе
ПИ-регулятора тока 6 алгебраически суммируются
сигналы с выхода регулятора скорости и датчика тока —•
шунта Shy установленного в цепи якоря двигателя. Ре-
ч®
М-Ш
Т .. * * I
OS
ОС
Рис. 4.1. Структурная схема привода «Кемрон» производства НРБ
гулятор тока имеет независимую настройку коэффициента
усиления и постоянной времени. В узле 7
осуществляется регулирование уравнительного тока. Максимальный
уравнительный ток соответствует минимальной скорости,
что обеспечивает согласованное управление
выпрямительной и инверторной группами тиристоров и
линеаризацию характеристик электропривода; с ростом
скорости уравнительный ток падает.
Система импульсно-фазового управления 8
выполняет формирование и распределение управляющих
импульсов на тиристоры. Система работает по
вертикальному принципу с пилообразным опорным напряжением,
формируемым в блоке синхронизации 9. Импульсы
подаются на выпрямитель 13, питаемый от силового
трехфазного трансформатора 12. Все электронные уз-
Ш

лы подключены к блоку питания //. Блок логики 10
подает сигналы на регуляторы / и 6 и СИФУ 8 при
срабатывании защит.
В приводе установлены защиты: СР — от
неправильного чередования фаз, пропадания фазы, исчезновения
линейного опорного напряжения, пропадания
напряжения питания электронных узлов; ОС — от превышения
максимального тока и обрыва обратной связи по току;
OS — от превышения максимальной скорости; TG — от
обрыва обратной связи по скорости; OL — от
перегрузки по току во времени.
Требуемое качество переходных процессов
обеспечивается соответствующей настройкой регуляторов и
введением корректирующего звена 3 в цепи обратной связи
по скорости. Приводы работают в комплекте с высоко-
моментными двигателями 14. Основные технические
данные электроприводов «Кемрон» производства НРБ
приведены в табл. 4.1, а электродвигателей — в табл. 4.2.
Электроприводы серии TNP производства ПНР
имеют двухкомплектный трехпульсный тиристорный
выпрямитель с уравнительными токами. Выпрямитель питает-
а s с
блокировка,
регулятора,
И
Сигнал
лер?ерузхи
блокиро8каг
рмулктора
ВлокироВкв,
икпдлшВ
Рис. 4.2. Структурная схема привода TNP производства ПНР:
Т— силовой трансформатор; Fl, F2 — предохранители; LI, L2 —
уравнительные реакторы; sh — шунт, СИФУ— система импульсно-фазового управления;
PC —регулятор скорости; IP—6Р — настроечный потенциометры; a mtn —
минимальный угол регулирования; BR — тахогенератор
112

Таблица 4.1. Технические данные электроприводов «Кемрон»
Параметр
Номинальный
ток
преобразователя
(идеально
гладкий), А
Диапазон
номинальных
моментов
привода, Н'М
Тип
электродвигателя
Тип преобразователя
2АЕВ16
20
2,3—7
1ПИ12.07
1 2ПИ12.06
i 1ПИ12.09
1ПИ12.11
! 2ПИ12.12
2ПИ12.18
4АЕВ16
40
10—23
10МБН
13МВН
21МВН
23МВН
8АЕВ16 | 14АЕВ16 \ 18АЕВ16
80
47
47МБН
47МВО
140
70—100
70МВО
100МВО
180
70—170
70МВО
100МВО
130МВО
170МВО
Примечание. Диапазон регулирования 1 : 10 000, полоса пропускания
более 20 Гц.
ся через силовой трехфазный трансформатор. Система
регулирования — одноконтурная с обратной связью по
скорости. Технические данные приводов приведены
в табл. 4.3, а электродвигателей — в табл. 4.4. Приводы
r-c=Hh
СИРУ
А
1
В
м
А
h
в
1
Рис. 4.3. Структурая схема привода «Мезоматик» производства
ЧССР
8—894
ИЗ

Таблица 4.2. Технические данные высокомоментных двигателей производства НРБ
Параметр
Номинальный момент,
Н-м
Номинальная частота
вращения, об/мин
Номинальная мощность,
кВт
Максимальный момент,
Н-м
Максимальная частота
вращения, об/мин
Момент инерции, 10~3
кг-м2
Максимальное
теоретическое ускорение, с-2
Постоянная времени
нагрева, мин
Масса, кг
Высота оси вращения,
мм
Длина, мм
Тип двигателя
ПИ6.04
0,13
2000
0,027
1,2
3000
0,065
18 500
30
1,5
30
190
ПИ6.06
0,17
2000
0,036
1,4
3000
0,09
15 500
30
1,9
30
220
ПИ8.06
0,35
2000
0,073
2,3
3000
0,25
9200
60
3
40
235
ПИ8.08
0,5
2000
0,052
3,5
3000
0,35
10 000
60
4
40
275
1ПИ12.05
1,5
1000
0,16
11
3000
2,8
3930
35
9
65
290
ШИ12.07
2,3
1000
0,24
16
2000
3,8
4210
40
10,5
65
310
2ПИ12.06
2,3
1000
0,24
25
2000
2,8
9000
50
10
65
300
1ПИ12.09
2,5
1000
0,26
25
2000
4,3
5800
42
11,5
65
330
1ПИ12.11
4,7
1000
0,49
33
2000
5
6600
45
12,6
65
350
2ПИ12.12
4,7
1000
0,49
49
2000
4,4
11 100
55
13
65
360

Продолжение табл. 4.2
Параметр
Номинальный момент,
Н-м
Номинальная частота
вращения, об/мин
Номинальная мощность,
кВт
Максимальный момент,
Н-м
Максимальная частота
вращения, об/мин
Момент инерции, 10~3
кг-м2
Максимальное
теоретическое ускорение, с-2
Постоянная времени
нагрева, мин
Масса, кг
Высота оси вращения,
мм
Длина, мм
Тип двигателя
2ПИ12.18
7
1000
0,73
63
2000
5,8
10 860
60
16,5
65
425
10МВН
10
750
0,79
80
1500
0,018
4440
80
27
96
407
13МВН
13
750
1,0
100
1500
0,028
3570
80
31
96
430
21МВН
21
750
1,7
170
1500
0,033
5150
80
42
96
475
| 23МВН
23
750
1,8
180
1500
0,033
5450
80
50
ПО
538
| 47МВН
47
750
3,7
400
1500
0,134
2970
ПО
95
140
708
| 47МВО
47
750
3,7
200
1500
0,033
6060
20
63
115
669
| 70МВО
70
500
3,6
350
1500
0,113
3100
25
115
140
804
| 100МВО
100
300
3,1
400
1500
0,134
2970
20
120
140
826
| 130МВО
j 130
-500
6,8
1300
2000
0,18
7200
110
190
144
990
| 170МВО
170
500
8,8
1700
2000
0,21
8090
НО
220
144
1064

Таблица 4.3. Технические данные электроприводов TNP/B
Параметр
Номинальный ток
преобразователя (идеально гладкий), А
Номинальный момент привода,
Н-м
Номинальный ток привода, А
Номинальная частота вращения,
об/мин
Максимальная частота вращения,
об/мин
Максимальный ток при
неподвижном двигателе, А
Максимальный foK. при
максимальной скорости, А
Тип электродвигателя 1
1 ~
2
К
2
^
30
10
12,2
1000
1000
ПО
70
К7711
см
И
2
Е
2
Н
30
10
15,7
600
1500
125
20
К7712 1
со
/в-
2
см
Си
1 2
н
50
10
21,6
1500
2200
160
37
К7713 |
Тип п
*"'
И
1 z
см
&
Ь
50
10
28,7
1500
3000
210
16
К7714
ривода
1Л
CQ
Z
см
Сч
Z
Н
50
13
16,0
1000
1000
160
70
К7715
СО
И
£
см
о.
2
Н
50
17
25,7
1000
1000
200 1
100
К7716
**"■
Z
см
Си
2
н
50
13
28,5
1000
2000
250
75
К7717
ОО
1 И
[ \
2
см
с.
2
| Ь-
50
13
35,2
1500
2800
280
50
К7718
Примечание. Диапазон регулирования 1 : 10 000, полоса пропускания более 20 Гц.

выпускаются с силовыми преобразователями двух
исполнений: TNP1N на ток 30 А и TNP2N на ток 50 А. Они
различаются только установленными тиристорами:
TNP1N оснащены тиристорами на ток 40 A, TNP2N —
на ток 80 А. Габаритные размеры обоих
преобразователей одинаковые. В приводе предусмотрены защиты: ог
коротких замыканий (предохранителями с первичной
и вторичной стороны силового трансформатора); от
недопустимого снижения сетевого напряжения
(контактором и реле); от исчезновения напряжения питания
электронных узлов (реле); от тепловой перегрузки, от работы
с перегоревшими предохранителями. Приводы TNP
имеют однокоординатное исполнение и отличаются
установленным двигателем, трансформатором и реакторами.
Приводы имеют одноконтурную структуру с обрат-
вой связью по скорости от тахогенераторй с ПИ-регуля-
тором скорости.
Конструктивно привод TNP включает в себя пять
узлов: регулируемый тиристорный блок питания, блок
управления, питающий трансформатор, токоограничива-
ющие реакторы и электродвигатель (на рис. 4.2).
Электроприводы «Мезоматик» производства ЧССР
по силовой схеме, принципу управления и структуре
системы регулирования мало отличаются от приводов
серии TNP. Эти приводы имеют дополнительную
регулировку уравнительных токов. По конструкции приводы
бывают двух- и трехкоординатного исполнения с
питанием от одного силового трансформатора двух- или
трехкоординатного преобразователя. Структурная схема
одной оси привода «Мезоматик» показана на рис. 4.3.
Сигнал управления UY, суммируясь с сигналом обратной
связи по скорости U0)c> поступает на вход ПИ-регулятора
скорости PC. С выхода PC прямой сигнал поступает на
систему управления тиристорами группы В, а
инвертированный— тиристорами группы Л. Токоограничение
/отс обеспечивает ограничение напряжения на выходе PC
в функции скорости. Электроприводы «Мезоматик»
серии PHR выполняются в двухкоординатном исполнении
P2HR и трехкоординатном исполнении P3HR с
двигателями серии 3SHAT с номинальными моментами от 10
до 125 Н-ми преобразователями RTT на токи 25, 32 и
100 А для питания двух R2TT и трех РЗТТ двигателей.
Отличительной особенностью высокомоментных
двигателей серии 3SHAT является наличие на полюсах обмот-
117

Таблица 4.4. Технические данные высокомоментных двигателей
Параметр
Номинальный момент, i
Н-м
Максимальный
момент, Н'М
Максимальная
частота вращения, об/мин
Номинальный ток, А
Максимальный ток, А
Максимальное
напряжение, В
Максимальное
теоретическое ускорение,
с-2
Электротехническая
постоянная времени,
мс
Электромагнитная
постоянная
времени, мс
Тепловая постоянная
времени, мин
Сопротивление якоря,
Ом
Индуктивность якоря,
мГн
Момент инерции
якоря, кг-м2
Масса, кг
Длина
электродвигателя, мм
К7707
7,4
62
1200
9
71
107
5300
15,06
4,5
40
0,93
4,185
0,0117
19
33
К7708
7,4
61,5
2000
13
100
127
5250
17,33
4,5
40
0,54
2,430
0,0117
1 19
0 (414 с
К7709
7,4
60,5
2500
16
125
125
5150
16,80
4,5
40
0,325
1,460
0,0117
1 19
тормозе
К7710
7,4
60
3000
22 1
166
111
5100
18,43
4,5
40
0,196
0,082
0,0117
19
>м)
К7711
14
120
1200
17
144
103
5600
11,67
4,6
60
0,369
1,700
0,0214
27
419 (
К7712
14
119
2000
22
183
133
5550
12,17
3*8
60
0,28
1,058
0,0214
1 2?
504 с
Примечание. Высота оси вращения всех типов двигателей 184 мм.
Таблица 4.5. Технические данные электроприводов «Мезоматик»
Параметр
Номинальный момент привода при 0^п^пВОм,
Н-м
МомеНТ При П^Птаху Н-М
Номинальный ток привода при 0^я^яНом, А
Ток при п=птах, А
Номинальная частота вращения, об/мин
Максимальная частота вращения, об/мин
Максимальный ток при неподвижном двигателе, А
Максимальный ток при максимальной скорости, А
Тип электродвигателя
Тип
PHR1
8
2,8
12,2
4,3
500
2000
73
12,2
3SHAT90S
Примечание. Диапазон регулирования 1 : 10000, полоса пропускания
118

серии К77 производства ПНР
К7713
14
119
2500
30
252
121
5550
11,87
4,6
60
0,118
0,543
0,0214
27
торм
К7714
14
119
3000
40
336
109
5550
12,41
4,6
60
0,07
0,322
0,0214
27
озом)
К7715
20,7
187
120Э
26
224
103
5900
9,77
4,5
75
0,207
10,93
0,0317
38
490
К7716
20,7
187
2000
33
288
134
5900
9,98
4,5
75
0,128
0,58
0,0317
38
(576 с
зом)
К7717
17,8
187
2500
40
403
119
5900
9,93
4,5
75
0,065
0,293
0,0317
38
тормо-
К7718
16
190
3000
43
504
116
5900
9,51
3,8
75
0,041
0,158
0,0317
I 38
К7719
27,5
262
1200
30
288
114
5950
—
4,3
90.
0,167
0,718
0,044
48
К7720
23,5
260
2000
38
403
132
5900
—
4,3
90
0,084
0,360
0,044
47
582
К7721
21
260
2500
43
504
133
5900
9,05
4,3
90
0,053
0,228
0,044
48
К7722
16
260
3000
44
670
118
5900
9,97
3,4
90
0,052
0,108
0,044
48
привода
| PHR2
10,5
3,7
12,5
4,4
500
2000
75
12,5
3SHAT90M
PHR3
14
4,9
13,4
4,7
500
2000
80
13,4
3SHAT90L
PHR4
17
6,0
23,0
8,0
500
2000
138
23,0
3SHAT112S
PHR5
23
8,0
24,5
8,5
500
2000
147
24,5
3SHAT112M
20 Гц.
119

Таблица 4.6. Технические данные высокомоментных двигателей серии 3SHAT производства ЧССР
Техническая характеристика
Номинальный момент, Н-м
Номинальная частота вращения,
об/мин
Номинальная мощность, кВт
Номинальное напряжение, В
Номинальный ток, А
Максимальный момент, Н-м
Максимальная частота вращения,
об/мин
Момент инерции якоря, кг-м2
Максимальное теоретическое
ускорение, сг2
Электромеханическая постоянная
времени, мс
Масса, кг
Высота оси вращения, мм
Длина, мм
3SHAT90
Тип электродвигате/
1Я
3SHAT1U
3SHAT160
Условная длина якоря
s
10
50Э
0,525
54
14,8
85
2500
0,008
10 600
11
32
90
564
М
13
500
0,682
66
15,2
ПО
2500
0,01
11000
9,4
36
90
589
L
17
500
0,892
78
16,2
143
2500
0,014
10 200
9,6
38
90
619
s
21
500
1,102
51
28
210
2000
0,032
6400
8,6
55
90
610
М
28
50Э
1,470
54
30
280
2000
0,037
7600
7,2
62
112
645
L
72
500
2,20
54
32
436
2000
0,0467
9300
7,4
76
112
732
1 s
56
300
1,76
82,5
69
616
2000
0,2
3080
15,5
147 ,
112
751
м
85
300
2,68
32
67
943
2000
0,28
3400
12,8
165
160
821
L
125
300
3,94
61
76
1350
1800
0,35
3850
11
182
112
885

кп, обтекаемой током якоря. Этим достигается снижение
размагничивающего действия реакции якоря. Двигатели
имеют три вывода — от якоря двигателя Лг, от обмотки,
намотанной на положительный полюс магнитной
системы /Д и обмотки, намотанной на отрицательный полюс
магнитной системы 2D. Ошибка в подключении выводов
ID, 2D к тиристорам групп А и В ведет к
размагничиванию двигателей.
Основные технические данные электроприводов «Ме-
зоматик» приведены в табл. 4.5, а электродвигателей
серии 3SHAT —в табл. 4.6.
4.2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
ФИРМЫ «ФАНУК»
До середины 80-х годов основными в механизмах
подач станков с ЧПУ являлись электроприводы с
исполнительными двигателями постоянного тока. По сравнению
с двигателями общего назначения они характеризуются:
большим отношением вращающего момента к
моменту инерции (M/J), что обеспечивает большое ускорение
привода и его высокое быстродействие;
большим числом пазов якоря, что обеспечивает малые
колебания вращающего момента и высокую
равномерность вращения в широком диапазоне регулирования
скорости;
высокой постоянной времени нагрева, что
обеспечивает работу с перегрузками в кратковременном и
повторно-кратковременном режимах;
использованием многополюсной системы возбуждения
от постоянных магнитов, что обеспечивает снижение
габаритов двигателей при большом вращающем моменте
и повышение равномерности вращения;
полностью закрытой конструкцией с естественным
охлаждением или принудительной вентиляцией и тепловой
трубой, что обеспечивает высокую надежность и
снижение габаритных размеров двигателей;
устойчивостью к воздействию окружающей среды
благодаря специальным средствам защиты от
попадания СОЖ, масел, электропроводящей пыли и т.д., что
обеспечивает повышение надежности;
пониженным уровнем вибрации и шума, что
обеспечивает малую шероховатость при обработке и снижении
общего шума на станке.
121

В-зависимости от момента инерции якоря
существуют три серии исполнительных двигателей:
Высокоинерционные, среднеинерционные (М) и малоинерционные (L).
Высокоинерционные исполнительные двигатели —
двигатели со средним моментом инерции — нашли
наибольшее распространение. Они характеризуются большой
перегрузочной способностью и высокой постоянной времени
нагрева, что обеспечило их работу с большими
ускорениями и замедлениями в повторно-кратковременных
режимах. Двигатели питаются от трехфазных двухполу-
периодных преобразователей с несущей частотой 300 или
360 Гц (в зависимости от частоты сети 50 или 60 Гц)
и с простой системой регулирования. Собственная
частота контура скорости составляет; примерно 30 Гц.
Двигатели выполняются с номинальными моментами от 33 до
240 Н-м, номинальными мощностями от 4 до 22 кВт
и максимальными частотами вращения 2000 об/мин,
постоянная времени нагрева изменяется от 120 до 35 мин.
Технические данные высокоинерционных двигателей
приведены в табл. 4.7. В табл. 4.8 приведены технические
данные двигателей моделей 00-ЗОН, которые
установлены на ряде отечественных станков с ЧПУ в комплекте
с приводами «Фанук» и с отечественными приводами.
Среднеинерционные исполнительные двигатели
(серия М) —двигатели с малым моментом инерции за счет
Таблица 4.7. Технические данные высокоинерционных двигателей
фирмы «Фанук»
Параметр
Номинальный момент,
Н-м
Номинальная мощность,
кВт
Номинальный ток, А
Максимальная частота
вращения, об/мин
Максимальный момент,
Н-м
Максимальное
напряжение, В
Момент инерции, кг«м2
Постоянная времени
нагрева, мин
Масса, кг
Модель
1
40
33
5
48
2000
250
140
0,12
120
90
50
67
10
96
2000
520
144
0,19
120
125
60
100
15
93
2000
800
220
0,28
120
160
60Н
150
22
140
2000
800
220
0,3
35
| 180
70Н
240
22
162
2000
530
304
1 0,61
35
220
122

Таблица 4.8. Технические данные высокоинерционных
двигателей фирмы «Фанук», установленных в станках производства
СССР
Параметр
Номинальный момент,
Н-м
Номинальная мощность,
кВт
Максимальный момент
Н-м
Максимальная частота
вращения, об/мин
Момент инерции, кг«м2
Постоянная времени
нагрева, мин
Масса, кг
00
0,98
0,15
3,4
2000
0,00021
15
2,7
Моде;
0
2,7
0,4
24
2000
0,0028
50
12
1Ь
5
6,4
0,8
47
200Э
0,0С49
55
16
10
11,8
1,1
114
150Э
0,02
100
25
Продолжение табл. 4.8
Параметр
Номинальный момент,
Н-м
Номинальная мощность,
кВт
Максимальный момент,
Н-м
Максимальная частота
вращения, об/мин
Момент инерции, кг»м2
Постоянная времени
нагрева, мин
Масса, кг
Модель
ЮН
19,6
1,5
114
150Э
0,022
35
30
20
22,5
1,8
241
1500
0,032
105
36
20Н
39,2
3,1
241
1500
0,038
35
45
30
37,7
2,8
361
1000
0,043
ПО
46
ЗОН
58,8
4,6
361
1000
0,049
40
55
уменьшения диаметра и увеличения длины, а также
использования новых конструктивных решений —
характеризуются специальной конструкцией магнитных полюсов
с полюсными башмаками, являющимися
концентраторами магнитного потока. Они в значительной степени
устраняют краевой эффект и расширяют зону электрической
нейтрали, в которой обеспечивается безыскровая
коммутация тока в обмотке якоря. В результате этого
снижается колебательность вращающего момента
двигателя и улучшается коммутация в переходных режимах.
123

Эти двигатели имеют достаточно высокие постоянную
времени нагрева и быстродействие. Двигатели питаются
от широтно-импульсных транзисторных
преобразователей. Снижение момента инерции двигателя позволяет
обеспечить такое же ускорение при меньшем
вращающем моменте, как с высокоинерционным двигателем, что
приводит к пропорциональному снижению установленной
мощности транзисторных преобразователей, уменьшению
числа транзисторов и повышению надежности работы
привода. Преобразователь малогабаритный с
использованием специальных модулей на мощных транзисторах.
Применение специальных БИС, резисторных и диодных
модулей, а также других элементов существенно
снизило число навесных деталей и повысило надежность
привода. Собственная частота контура скорости составляет
70—100 Гц, что обеспечивает высокое быстродействие
привода по управляющему воздействию и обработку с
высокой точностью. При этом можно обеспечить
равномерное вращение двигателя при низких скоростях и тем
самым малую шероховатость обработанной поверхности.
Двигатели выпускаются с номинальными моментами
от 1 до 57 Н'М, номинальными мощностями 0,15—
2,8 кВт и максимальными скоростями 2000, 1500
и 1200 об/мин; постоянная времени нагрева изменяется
от 15 до 85 мин в зависимости от габаритных размеров
двигателя.
Технические данные исполнительных двигателей сред-
неинерционной серии приведены в табл. 4.9.
Среднеинерционные двигатели серии М с широтно-
импульсными транзисторными преобразователями нашли
самое широкое распространение в механизмах подачи
станков всех групп.
Малоинерционные серводвигатели (серия
L)—двигатели с малым моментом инерции и пазовым якорем —
имеют литые магниты из сплава альнико.
Эти двигатели применяют в дыропробивных прессах,
в станках для сверления печатных плат и в станках
особого назначения, где необходимы частые ускорения и
замедления при позиционировании. Двигатели питаются от
широтно-импульсных транзисторных преобразователей.
Они выпускаются с номинальными моментами от 2,5 до
50 Н-м, номинальными мощностями от 0,8 до 6 кВт,
постоянная времени нагрева в зависимости от типа
двигателя изменяется от 5 до 20 мин.
124

Таблица 4.9. Технические данные среднеинерционных двигателей
фирмы «Фанук»
Параметр
Номинальный
момент, Н-м
Номинальная
мощность, кВт
Номинальный ток,
А
Максимальная
частота вращения,
об/мин
Максимальный
момент, Н-м
Максимальное на-
« пряжение, В
Момент инерции,
Ю-3 кг-м2
Постоянная
времени нагрева, мин
Масса, кг
Модель
ООМ
1
0,15
4
2000
5,1
i 52
0,45
15
3
ом
3
0,4
7
2000
27
88
2,2
45
13
5М |
6
0,8
9
2000
54
| 140
3,7
50
17
ЮМ |
12
1,1
12
1500
97
155
13
70
30
20М
23
1,8
18
1500
166
200
19
80
42
зом |
38
2,8
24
1200
197
197
37
^ 85
53
зомн
57
2,8
36
1200
197
197
42
30
j 58
Технические данные малоинерционных
исполнительных двигателей приведены в табл. 4.10.
В качестве датчиков контура регулирования скорости
применяются в основном тахогенераторы постоянного
тока, соединенные с валом электродвигателя. В качестве
Таблица 4.10. Технические данные малоинерционных двигателей
фирмы «Фанук»
Технические характеристики
Номинальный момент, Н»м
Номинальная мощность, кВт
Номинальный ток, А
Максимальная частота
вращения, об/мин
Максимальный момент, Н»м
Максимальное напряжение,
В
Момент инерции, Ю-3 кг-м2
Постоянная времени
нагрева, мин
Масса, кг
Модель двигателя
0L
2,5
0,3
12
2000
12,5
42,8
0,5
15
10
5L
5
0,6
12
2000
25
85,6
0,9
20
15
6L |
9
1,1
14
2000
40
130
1,8
30
22
7L(H)
25
3
60
2500
75
108
9
75
47
10 L (Н)
50
6
60
2000
150
128
15
100
j 66
125

датчиков контура положения применяются резольверы,
импульсно-кодовые, оптические и магнитные линейки.
Многополюсные резольверы крепятся непосредственно
к валу двигателя без механической передачи, в
результате чего осуществляется жесткая связь между
приводной и измерительной частями привода. Это гарантирует
измерение с высокой точностью и надежностью.
Электрическая погрешность 10-полюсного резольвера составляет
5 мин, механическая 1 мин.
Все датчики имеют высокую разрешающую
способность, что позволяет программировать позиционирование
в станках с ЧПУ с дискретностью 1 мкм.
Если импульсно-кодовый датчик положения
установлен на двигателе, то в приводе может отсутствовать та-
хогенератор, а сигнал обратной связи по скорости
вычисляется по сигналу с импульсно-кОдового датчика.
Следящие приводы могут быть построены по трем
структурам: с полузамкнутым контуром регулирования
положения; с замкнутым контуром регулирования
положения и с комбинированным контуром.
В первом случае датчик обратной связи по
положению (резольвер или импульсно-кодовый датчик)
установлен на валу двигателя и измеряет угол поворота его
вала, механическая часть станка не охвачена обратной
связью, поэтому точность позиционирования станка в
основном зависит только от механической системы. Путем
предварительного измерения люфта в приводе и внутри-
шаговой погрешности шарико-винтовой пары и введения
соответствующей коррекции в устройстве ЧПУ высокого
уровня обеспечиваются точность позиционирования
±10 мкм и стабильность позиционирования ±2 мкм.
Большая часть станков с ЧПУ имеет полузамкнутую
структуру.
Во втором случае сигнал обратной связи поступает
от оптической линейки, индуктосина или других
измерительных приспособлений непосредственно от
перемещаемого узла станка. В подобной замкнутой системе
регулирования можно получить очень высокую точность
позиционирования, однако в этом случае характеристики
механической передачи станка, охваченной обратной
связью, оказывают существенное влияние на систему
регулирования привода, поэтому необходимо строго следить
за жесткостью и люфтом передачи, охваченной обратной
связью. Система с замкнутым контуром регулирования
126

положения эффективна только при безлюфтовых
приводах с высокой жесткостью.
Комбинированная система применяется при
невозможности повышения жесткости пропорционально массе
подвижного органа для тяжелых станков или при
невозможности обеспечения малого рассогласования
(невозможности достижения больших значений
коэффициента усиления kv — добротности по скорости). В
комбинированной системе применяют полузамкнутый контур
Рис. 4.4. Структурная схема исполнительного привода переменного
тока фирмы «Фанук»
В— выпрямитель; Ф — фильтр; ТМ — транзисторный мост; ДТ — датчик тока;
ДП — датчик положения; У И — усилитель импульсов; ШИМ — широтно-им-
пульсный модулятор; РТ — регулятор тока; ВТ — вычислитель тока; PC
—регулятор скорости; РП — регулятор положения
для основного позиционирования и замкнутый контур,
используемый только для коррекции рассогласования.
В станке установлены два датчика: резольвер на
двигателе и линейка на подвижном узле станка.
В схеме электропривода, разработанной фирмой «Фа-
нук» (рис. 4.4), в качестве исполнительного двигателя
используется двигатель переменного тока, который
питается от трехфазного транзисторного инвертора через
неуправляемый выпрямитель. Система регулирования с
датчиками обратной связи по току и углу поворота вала
двигателя, сигналы обратной связи по моменту и скоро-
127

сти вычисляются по сигналу с импульсного датчика.
Фирма разработала три серии серводвигателей
переменного тока: S, L, I. Двигатели серии S специально
предназначены для приводов подач станков с ЧПУ,
обрабатывающих центров и промышленных роботов.
Двигатели серии L являются малоинерционными
и предпочтительны для применения в дыропробивных
прессах, сверлильных и других станках с высокой
частотой включений.
Двигатели серии I применяются в позиционных и
управляемых по скорости системах. Технические данные
электродвигателей переменного тока приведены в табл.
4.11—4.13.
Таблица 4.11. Технические данные электродвигателей переменного
тока серии S для станков с ЧПУ
Параметр
Номинальный
момент, Н-м
Номинальная
мощность, кВт
Максимальная
частота
вращения, об/мин
Максимальный
момент, Н-м
Момент инерции,
10—» кг-м2
Постоянная
времени нагрева,
мин
Масса, кг
Модель двигателя
5-0
0,10
0,02
3000
0,8
0,34
10
0,5
4—0 | 3—0
0,25
0,05
3000
1,1
0,37
15
1,2
0,49
0.1
3000
2,2
0,73
15
1,8
2—0 | 1-0
1,0
0,2
2000
7,8
0,36
15
3,0
2,0
0,4
2000
16
0,6
20
4,5
0
2,9
0,6
20С0
26
2,5
45
11
5
5,9
0,9
2000
53
4,2
50
15
10
11,8
1,8
2000
78
10
60
31
20 | 30
22,5
3,5
2000
147
18
65 '
40
37,2
3,3
1200
225
25
65
50
30
29,4
4,0
2000
225
25
65
50
Таблица 4 Л 2. Технические данные малоинерционных
электродвигателей переменного тока серии L
Параметр
Номинальный момент, Н«м
Номинальная мощность,
кВт
Максимальный момент, Н«м
Максимальная частота
вращения, об/мин
Момент инерции, Ю-3 кг»м2
Постоянная времени
нагрева, мин
Масса, кг
Модель двигателя
0
2,5
0,3
12,3
3000
0,24
15
10
5
4,9
0,6
24,5
2500
0,47
20
14
6 | 7
8,8
М
37,0
2000
0,7
30
18
24,5
3,0
73,5
3000
6,4
40
31
10
49
6,0
147
2000
11,3
50
40
128

Таблица 4.13. Технические данные электродвигателей
переменного тока серии I
Параметр
Номинальный момент,
Н-м
Номинальная
мощность, кВт
Максимальная частота
вращения, об/мин
Момент инерции, 10~3
кг • м2
Постоянная времени
нагрева, мин
Масса, кг
Модель двигателя
5 |
5,9
0,9
•
2,6
30
16
10 |
11,8
1,8
9,3
40
27
Л 1 „ 1
20 1 30
22,5
3,5
37,2
3,3
2000
15
60
| 39
21
60
46
1
10 1
11,8
1,8
13
40
25
i
20
22,5
3,5
26
60
38
30
37,2
3,3
36
60
49
Глава пятая
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИВОДОВ ПОДАЧ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
5.1. ПРИВОДЫ ПОДАЧ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Новые концепции в области конструирования
металлообрабатывающего оборудования неизбежно приводят
к ужесточению требований, предъявляемых к приводам
станков, и в первую очередь к приводам главного
движения и подачи. Хотя приводы постоянного тока на
сегодня в целом отвечают поставленным задачам, стало
очевидным, что наличие щеток в двигателях
существенно влияет ка технико-экономические показатели привода
в целом. Сравнивая наиболее распространенные приводы
постоянного тока с силовым тиристорным
преобразователем и приводы переменного тока, следует рассмотреть
достоинства и недостатки как преобразователя, так
и двигателя. Тиристорный преобразователь, будучи
сравнительно простым и дешевым, обладает рядом
недостатков:
ограниченные динамические возможности,
обусловленные схемой преобразователя;
9—894
129

недоиспользование двигателя из-за наличия
пульсаций в кривой тока преобразователя;
низкие КПД и cos ср.
Сравнивая динамические характеристики приводов
подач с двигателями постоянного тока (ДПТ),
асинхронными двигателями (АД) и бесколлекторными
двигателями (БКД), можно отметить преимущества приводов
с АД и БКД. Так, если полоса пропускания лучших
образцов тиристорных приводов подач с высокомоментны-
ми двигателями постоянного тока (ВМД) составляет
40—45 Гц, то полоса пропускания транзисторных
приводов с ВМД и БКД составляет 100—200 Гц. Последнее
объясняется применением транзисторов, работающих
в режиме широтно-импульсного регулирования (ШИР)
на высокой несущей частоте (1—3 кГц).
Характерная особенность транзисторных приводов
заключается в том, что кратность динамических токов
лимитируется преобразователем, а не двигателем.
Собственно АД и БКД не имеют ограничений по пусковым
токам из-за отсутствия коллекторного узла. В тиристорных
приводах постоянного тока динамические токи как
правило ограничиваются конструкцией двигателей. Поэтому
времена пуска приводов на максимальную скорость
примерно равны, хотя момент инерции ДПТ больше, чем АД
и БКД.
По энергетическим характеристикам тиристорный
привод постоянного тока существенно уступает
транзисторным приводам всех типов, так как значения coscp падают
в зависимости от диапазона регулирования от 0,8 до 0,1.
Кроме того, звено постоянного тока в
многокоординатных транзисторных приводах работает как
перераспределитель энергии за счет разной циклограммы работы
отдельных приводов (энергия, запасаемая единым
источником питания в звене постоянного тока при
торможении одного из приводов, «перекачивается» в другой
привод, питающийся от этого же источника и
работающий в пусковом режиме). По массогабаритным
показателям транзисторные преобразователи с АД и БКД
уступают тиристорным преобразователям с ДПТ. Следует,
однако, помнить, что мощность, а также габаритные
размеры и масса трансформаторов в тиристорных
преобразователях существенно больше. Так, при
многокоординатном исполнении мощность трансформатора тиристорного
преобраз »вателя превышает мощность трансформатора
130

приводов с АД и БКД примерно в 3—5 раз. Тиристорный
преобразователь не имеет ограничений по мощности, в то
время как мощность транзисторных преобразователей
ограничена параметрами транзисторов.
Сравнивая преобразователи приводов по сложности,
выберем в качестве критерия сравнения количество
силовых элементов (тиристоров, транзисторов, диодов,
высоковольтных конденсаторов) и количество корпусов
интегральных микросхем.
Транзисторный преобразователь с АД сложнее тири-
сторного преобразователя с ДПТ в 4 раза по силовым
элементам и в 5 раз по управляющим. Если
преобразователь с БКД выполнен по тиристорно-транзисторной
схеме, то схемы с АД сложнее схемы с БКД в 2,5 и 1,5
раза соответственно (табл. 5.1). При синусоидальной
форме тока в БКД (транзисторный преобразователь)
сложность примерно одинакова.
Таблица 5.1. Сравнительные данные приводов по количеству
основных элементов
Тип
привода
С ВМД
С БКД
САД

Транзисторы
малой и
средней
мощности
38
35
172
Количество
корпусов
аналоговых и
дискретных
микросхем
29
57
192

Тиристоры
силовые
12
6
Диоды и

стабилитроны
140
170
200

Транзисторы
силовое
12
36
0>
^5
12
12
Транзисторные преобразователи постоянного тока
имеют почти все преимущества и недостатки, присущие
преобразователям переменного тока. Однако все
недостатки, присущие ДПТ, остаются и они существенным
образом влияют на технико-экономические показатели
приводов в целом.
Результаты сравнения массогабаритных и технико-
экономических показателей двигателей отечественного
производства с одной высотой вращения вала даны
в табл. 5.2. При несколько меньших габаритах, чем ВМД,
БКД допускает более высокую номинальную частоту
вращения. Значения удельного момента у БКД выше, чем
в ВМД и АД. По таким показателям, как удельные
трудоемкость, металлоемкость проката черного металла,
металлоемкость по меди, БКД явно предпочтительнее,
9*
131

Таблица 5.2. Сравнительные данные электрсдвигателеи подачи
различных типов
Параметр i
Момент при л = 500 об/мин,
Н-м
Номинальная частота
вращения, об/мин
Максимальная частота
вращения, об/мин
Момент инерции, Ю-3 кг-м2
Масса', кг
Удельный момент, Н-м/кг
Длина до привалочной
плоскости, мм
КПД в номинальном
режиме
Коэффициент мощности
coscp
Удельная трудоемкость,
норм-час/(Н-м)
Удельная материалоемкость,
кг/(Н-м)
Удельная технологическая
себестоимость, руб/(Н-м)
Удельная металлоемкость
проката черного металла,
кг/ (Н-м)
Удельная металлоемкость
цветных металлов
(алюминий), кг/(Н-м)
Удельная металлоемкость
по меди, кг/(Н-м)
Удельная металлоемкость
электротехнической стали,
кг/(Н-м)
Удельный расход
порошковых материалов
(постоянных магнитов), кг/Н-м
Средний ресурс, ч

Коллектор вмд
ПБВ-112м
19,2
600
2000
42
45
0,445
497
0,807
0,1—0,8
2,6
2,3
22,5
0,25
—
0,24
0,33
0,2
20 000
АД
4АБ2П-
112ы4
21
500
1000
17,5
58
0,36
376
0,855
0,85
0,6
2,75
3,22
0,26
0,108
0,17
0,96
20 000
БКД
На базе
4А112м |
35
1000
2000
35
60
0,58
420
0,92
0,9
1,2
1*72
! 5,3
0,16
—
0,11
0,6
0,11
20 000
Фирма
Bosch
SD-A5250
25
2000
2000
25
67
0,374
470
—
0,9
"-—
2,68
—
—
—
—•
1 —
30 000
132

чем ВМД. Таким образом, даже опуская из
рассмотрения вопросы надежности и расходов на эксплуатацию,
БКД должен дать ощутимый выигрыш по сравнению
с ВМД. Асинхронный двигатель менее трудоемок, чем
БКД, но имеет больший расход черного и цветного
металла.
В табл. 5.3 приведены основные технические данные
ВМД и БКД зарубежного производства.
Таблица 5.3. Сравнительные данные приводов подач с ВМД и
БКД
Параметр
Соотношение масс
двигателей
Соотношение объемов
двигателей
Соотношение моментов
инерции двигателей
Срок службы двигателей,
103ч
Взаимосвязь между
моментом и скоростью
двигателя
Причины ограничения
максимальной скорости
Степень защиты
Уровень шума (по шкале А),
дБ
Условия отвода тепла
Подсоединение к сети
Габаритные размеры
вмд
2-2,5
1,2—2
1,5-3
(3-5)*
Зависимая
характеристика
Коммутация
IP54
58
Неблагоприятные.
Потери в роторе
Через
трансформатор или реактор
Большие
БКД
1
1
1
30**; 70***
Независимая
характеристика
Центробежные
усилия
IP65
58
Благоприятные.
Потери в статоре
Непосредственно
Малые
* Износ щеток.
** Износ подшипников.
*** Износ обмотки.
Малые габариты и массы БКД обусловлены
улучшенными условиями охлаждения, так как все тепловые
потери выделяются в статоре.
Меньшие массогабаритные показатели у БКД
расширяют возможную область применения за счет лучшей
встраиваемости в рабочие механизмы. Уменьшенный
момент инерции позволяет увеличить быстродействие и
снизить выделение тепла, что в конечном счете влияет на
133

производительность и точность станка. Высокомомент-
ные двигатели обычно изготовляются на напряжения не
более 200 В из-за ограничений, налагаемых на межла-
мельное напряжение на коллекторе, что приводит к
большим номинальным токам. Поэтому вся коммутирующая
аппаратура и токоподводящие устройства дороги* и
имеют большие габаритные размеры. Кроме того, из-за
малого якорного напряжения возникает необходимость
в установке силового трансформатора, согласующего
напряжение сети с напряжением на якоре ВМД. Наличие
коллектора обусловливает зависимую характеристику
между моментом и скоростью двигателя. Являясь
наиболее слабым местом ВМД в отношении трения нагрева,
коллектор особенно сильно изнашивается в тех случаях,
когда в процессе работы на станке происходит
позиционирование в одной и той же точке координаты станка
(ламели коллектора двигателя), что приводит к
повышенному износу и выгоранию ламели. Максимальная
скорость БКД выше, так как она ограничена
механической прочностью, а скорость ВМД — условиями
коммутации.
Следует отметить, что целый ряд преимуществ БКД
по сравнению с ВМД, например таких, как практическое
отсутствие ограничений по пусковым токам и
повышенная максимальная скорость, пока что не могут быть
полностью реализованы из-за ограничений, налагаемых
транзисторным преобразователем. Кроме того, приводы подач
с тиристорными преобразователями и ВМД на 10—20 %
дешевле транзисторных приводов с БКД, но тем не менее
уже сейчас есть все основания считать, что в ближайшее
время приводы подач на переменном токе вытесняют
приводы на постоянном токе, как более надежные и
долговечные.
Сравнивая различные приводы подачи переменного
тока, можно указать следующие недостатки АД по
сравнению с БКД: меньший КПД; ухудшенные условия
охлаждения («горячий» ротор) и в связи с этим
необходимость увеличения его радиальных размеров, что
увеличивает момент инерции (ухудшает динамические
характеристики) и усложняет встройку двигателя в механизм
подачи станка; необходимость пристройки датчика
положения ротора и обеспечения принудительной вентиляции
двигателя нормального исполнения при номинальном
моменте на 1алых скоростях.
134

Для исключения последнего недостатка
разрабатываются специальные исполнения АД, имеющие к тому же
улучшенные характеристики электромагнитных нагрузок.
Собственно АД существенно дешевле высокоточного
датчика, устанавливаемого на его валу. Поэтому БКД
с датчиком положения ротора с моментом 21—35 Н-м
лишь в 1,5 раза дороже АД с датчиком (данные фирмы
«Бош»). Асинхронный двигатель допускает возможность
регулирования с постоянной мощностью, что и
предопределило целесообразность его применения в приводах
главного движения. Бесколлекторный двигатель менее
надежен, чем АД, с точки зрения устойчивости как к
механическим воздействиям, так и ударным токовым
нагрузкам (размагничивание системы возбуждения). Тем
ке менее совершенствование технологии производства
и построение надежной~защиты в преобразователе
практически сводят к минимуму эти преимущества АД.
С точки зрения управления привод с АД
существенно более сложен, чем с БКД (о чем более подробно
будет сказано далее). Исходя из сказанного, все
зарубежные фирмы используют в качестве перспективных
приводов подачи электроприводы с БКД.
Развитие приводов подач переменного тока в СССР
в настоящее время отличается от зарубежного. Так,
НИИКЭ организован серийный выпуск комплектных
приводов с АД для станков с ЧПУ, включающий как
главный привод, так и приводы подачи. Ниже
рассматриваются основные особенности построения подобных
приводов.
5.2. ПРИВОДЫ ПОДАЧ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Ужесточение требований к статическим и
динамическим характеристикам следящих электроприводов подач
существенным образом влияет на методы управления
и структурные схемы. Создание высококачественных
приводов с АД и частотным управлением, синтез которых
базируется на применении частотных методов, стало
чрезвычайно затруднительным. Это объясняется тем, что АД
представляет собой многоканальный объект управления
с большим количеством перекрестных нелинейных
обратных связей. Преобразование структуры и линеаризация
уравнений приводят к существенным погрешностям, что
135

в конечном счете затрудняет инженерный расчет
системы в целом.
Ввиду сложности исходных уравнений прибегают к
методу координатных преобразований, осуществляемых
математически без особых затруднений при введении
понятий «обобщенный вектор» [11]. Непосредственно в
приводе процедура преобразования заключается в
следующем: замеряются реально существующие мгновенные
значения трехфазных токов статора и поток в
воздушном зазоре, после чего трехфазная система преобразуется
в эквивалентную двухфазную. Преобразование
проводится в неподвижной системе координат. Далее
двухфазная система в неподвижной системе координат
заменяется двухфазной в подвижной системе, вращающейся со
скоростью ротора или со скоростью поля, после чего
координатные оси ориентируются либо по ротору, либо по
направлению вектора потока ротора.
В результате преобразований уравнения АД
приобретают вид, сходный по форме записи с аналогичными
уравнениями ДПТ, что позволяет, как показано в [11],
раздельно управлять магнитным потоком и моментом АД.
Этим объясняется возможность построения системы с АД
но принципам подчиненного регулирования, широко
распространенным в приводах постоянного тока, но с тем
различием, что заданная величина сравнивается не с
истинной, а с преобразованной. Для получения сигналов
управления силовым преобразователем необходимо
сигналы с выхода регуляторов подвергнуть обратным
преобразованиям: жестко ориентированную двухфазную
систему в подвижной системе координат превратить в
двухфазную в неподвижной системе координат, а потом
в трехфазную. Очевидно, что система управления
приводом с АД существенно сложнее из-за алгоритма
управления и вследствие этого наличия блоков управления,
содержащих большое число нелинейных элементов,
сложных в настройке и чувствительных к изменению
параметров.
В настоящее время известен целый ряд структур
приводов с АД, отличающихся как системой координат, в
которой регулируются параметры (ток, потокосцепление,
напряжение), так и собственно силовой частью
(инверторы тока или напряжения). Специфической
особенностью большинства из них является использование
датчиков Холла, встроенных в двигатель, в качестве источников
136

информации о потокосцеплении. Поэтому
представляет интерес система, в которой ориентирование вектора
тока производится с помощью датчика положения (без
датчика Холла). Далее рассмотрены структурные схемы
и основные технические данные таких приводов.
Освоенный серийно асинхронный комплектный глубокорегулируе-
мый привод «Размер 2М-5-21» предназначен для двух механизмов
подач и механизма главного движения станков с ЧПУ. Привод
комплектуется двигателями типов 4AXJI90L4, 4AX100L4, 4А112М4,
4А132М4 с моментами 7—17, 23, 35, 47—70 Нм соответственно.
Максимальная частота вращения 1500 об/мин, кратность пускового мо-
УЧПУ
1
30 РСг
РТ
тс
<РТФ
АСУ W
ФС
чс
ФТА
ФТВ
РТ
п су г-1
ВТ в
исп
фп к
ИС8
AT
кя\
Рис. 5.1. Структурная схема привода подачи «Размер 2М-5-21» с АД
мента 2МНОм в диапазоне частот вращения от 0 до 0,5 лПОм (для
двигателя 4А132М4 ШПОм). На двигателях установлен датчик
с ценой деления ЫО4 оборота вала двигателя. Минимальный
коэффициент усиления замкнутого по положению электропривода
подачи при частоте квантования в контуре положения ЧПУ не менее
100 Гц — 30 с-1. Наибольшая погрешность отработки углового
положения вала двигателя электропривода ±5 (±10) дискрет для
1(H) классов точности. Угол отклонения вала двигателя
электропривода подачи при набросе момента нагрузки 0,4М<*о составляет {20±
±5) дискрет.
Структурная схема привода показана на рис. 5.1. Силовая часть
состоит из автоматического выключателя Л, нерегулируемого
выпрямителя В, LC-фильтра Ф, транзисторного инвертора ТИ и двигателя М.
Система регулирования включает устройство числового
программного управления УЧПУ, формирователь тока статора ФТ,
формирователь фазных токов ФТФ, трехфазный регулятор тока РТ с
датчиками тока ДТА и ДТв, датчик температуры ДГ, датчик угла
перемещения ДУ, формирователь кода скорости перемещения Ф/СС,
формирователь импульсов перемещения ФЯ, формирователь частоты
137

Рис. 5.2. Структурная схема
привода подачи с АД и
регулятором, работающим в режиме
скольжения
Сеть 1 скольжения ФС> сумматор С и
цифро-аналоговый
преобразователь ЦАП.
Датчик угла поворота ДУ
выдает информацию об угловом
положении ротора. Этот сигнал
преобразуется формирователем кода
скорости ФКС в импульсный код
| Ir yq |JglUfyfT| I скорости КС, а в формирователе
\Sf у t J ^j^ J перемещения ФП — в импульсы
сигналов перемещения ИСП. Из
сигналов КС ЦАП формирует
фактическую величину скорости
в аналоговом виде АСФ. Наряду
с кодом ФКС еще дает
информацию о скорости в виде частоты
импульсов ИСВ, поступающую на
вход сумматора С.
Сигнал задания скорости ЗС,
поступающий из УЧПУ, в
аналоговом виде сравнивается с фактической скоростью двигателя АСФ.
Разность скоростей PC, поступая на ФТ, формирует амплитуду и
фазу тока статора ТС (при заданной составляющей тока, создающей
магнитный поток).
Сигнал PC, преобразованный в частоту скольжения ЧСУ
поступает на сумматор С, где, суммируясь с частотой ИСВ,
пропорциональной скорости вращения, задает частоту фазных токов ЧТ,
которая поступает в^ФТФ. Сигнал КЧ датчика температуры ДТ
корректирует частоту скольжения. По заданным амплитуде, фазе и частоте
тока статора ФТФ формирует с разностью фаз 2л/3 заданные токи
фаз А и В (ФТа и ФТв). Третий ток фазы С есть сумма токов фаз
А п В с обратным знаком. Система управления СУ, воздействуя на
77/, поддерживает значения заданных токов, сравнивая их с током
фазы А (ДТА) и В (ДТв).
Принципиальная схема привода, включающего блоки
преобразования, регуляторы, цифровые и цифро-аналоговые
преобразователи в канале датчика управления и т.д., достаточно сложна.
Созданная в ЭНИМС совместно с Институтом проблем
управления следящая система с исполнительным АД, работающая в
скользящем режиме, теоретически должна иметь динамические
показатели лучше, чем у вышеприведенного варианта [12].
Основное достоинство регуляторов, работающих в релейном
скользящем режиме, заключается в том, что в них необходимо знать
только знак сигнала рассогласования без определения его ампли-
138

туды. Структурная схема привода показана на рис. 5.2. Заданными
величинами (как и ранее) являются магнитный поток ротора Ч^*
и угол перемещения 92.
Силовая цепь состоит из согласующего трансформатора Г, оп-
тотиристорного выпрямителя J5, обеспечивающего бесконтактное
подключение привода к сети и рекуперацию энергии в сеть в режиме
торможения, конденсатора фильтра С, транзисторного инвертора
напряжения И и тиристорного короткозамыкателя для защиты
инверторов от коротких замыканий (на схеме не показан), датчика тока
ДТ, двигателя М серии 4А и фотоимпульсного датчика положения
ЦП с числом импульсов на один оборот 104. Инвертор представляет
собой мостовую трехфазную схему с использованием восьми
параллельно включенных транзисторов типа КТ812А. Максимальный ток
ключа 50 А, напряжение 300 В. Регулятор включает блок
преобразования координат БПК, который по фазным токам трехфазной
машины /л и /в в неподвижной системе координат рассчитывает
проекции Id и lq вектора тока в системе координат, вращающейся
синхронно с полем. С помощью блока модели ротора БМР
вычисляется модуль вектора магнитного потока ротора Чг, который
используется в качестве датчика обратной связи при поддержании
заданного значения потокосцепления Ч^. В блоке ESi вычисляется
функция Su характеризующая отклонения данного режима от
желаемого, представляющая собой линейную комбинацию сигнала
рассогласования и его производных:
где си С2, Съ — постоянные коэффициенты.
С помощью блока идентификации БИ вычисляется функция 5г,
являющаяся линейной комбинацией сигнала рассогласования по углу
положения вала двигателя А9 и его первой и второй производных.
В блоке компараторов БК определяются знаки функций Si и S2»
после чего информация поступает в блок логического
устройства БЛУ, алгоритм которого построен таким образом, чтобы с
помощью переключения транзисторов в фазах инвертора обеспечить
равенство нулю функций Si и S2, что приводит систему в
установившееся состояние (xPTz=:XPrz и 8 = 0). Привод обеспечивает
диапазон регулирования 1:104, точность позиционирования в следящем
режиме ±4,5'. Привод рассчитан на три координаты с
исполнительными двигателями типа 4A100L4T2 с моментом при я=0 MQ~
= 21 Н'М. Суммарные габаритные размеры трехкоординатного
привода, размещенного в пяти кассетах, составляют 480X270X1800 мм.
За рубежом в настоящее время приводы с АД используются
в основном в механизмах главного движения. Приводы подачи с АД
практического развития не получили.
139

5.3. ПРИВОДЫ ПОДАЧ С БЕСКОЛЛЕКТОРНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Бесколлекторный двигатель имеет ряд весьма
важных преимуществ по сравнению с ВМД. Усложнение
конструкции БКД, связанное с необходимостью установки
датчика, коммутирующего обмотки двигателя и
некоторого усложнения преобразователя, нисколько не
умаляют перечисленных достоинств привода, особенно при
применении его в станках с ЧПУ. В этом случае
совмещают функции датчика положения, коммутирующего
обмотки двигателя и датчика перемещения в едином
конструктиве. Увеличение массогабаритных показателей
преобразователя, связанное с необходимостью
коммутации при существующем уровне преобразовательной
техники, весьма незначительно.
Современная элементная база позволяет создавать
преобразователи для питания БКД, которые по массога-
баритным показателям, по надежности и стоимости
несущественно отличаются от преобразователей для
электроприводов с ВМД, что делает электроприводы на базе
БКД вполне конкурентоспособными. Прежде чем
рассматривать конкретные схемы приводов подач с БКД,
остановимся на некоторых его специфических
особенностях.
Скорость БКД регулируется путем изменения
напряжения, подводимого к обмоткам статора, а частота тока
определяется скоростью вала двигателя, с которым
сочленен датчик положения ротора. Последний управляет
узлом, коммутирующим обмотки статора. Механические
характеристики двигателя напоминают характеристики
дпт.
В отличие от АД, современные системы управления
которым строятся только по векторному принципу, БКД
чаще использует скалярное управление, что объясняется
наличием неизменного потока возбуждения (постоянные
магниты на роторе). Система управления приводом
упрощается, так как исключаются блоки преобразования
координат и необходимость регулирования потока.
Привод подачи с АД содержит только транзисторный
инвертор. Последнее объясняется необходимостью
формирования напряжений синусоидальной формы для
питания АД. В противном случае ухудшается
равномерность вращения на малой скорости. Бесколлекторный
двигатель не предъявляет столь жестких требований
140

к форме питающего напряжения. Поэтому возможны два
алгоритма включения обмоток БКД: попарное
последовательное включение либо одновременное включение всех
трех обмоток. Для реализации последнего алгоритма
необходим транзисторный инвертор, с помощью которого
можно сформировать синусоидальную форму питающего
напряжения. С помощью тиристорно-тракзисториого
инвертора можно реализовать только первый алгоритм,
причем в этом случае предъявляются повышенные
требования к быстродействию регулятора для обеспечения
равномерности вращения при малых скоростях. При
синусоидальной форме питающего напряжения требования
к регулятору менее жесткие, однако система
формирования трехфазного синусоидального питания с частотой,
определяемой частотой вращения ротора, существенно
сложнее. Так, фирмы «Фанук» (Япония) и «Геттис»
(США) применяют синусоидальную систему питания
БКД, а фирма «Бош» (ФРГ)—прямоугольную. В
прямоугольной системе транзисторные ключи,
установленные в цепи постоянного тока, регулируют напряжение по
принципу широтно-импульсной модуляции, а тиристор-
ный коммутатор переключает обмотки статора в
соответствии с командами, поступающими от датчика
положения ротора. Прямоугольная система более надежна
вследствие наличия меньшего количества силовых
транзисторов, но обладает несколько худшими
энергетическими характеристиками.
Появление надежных транзисторных ключей за
рубежом привело к отказу от применения тиристорного
коммутатора. Несмотря на чисто транзисторный инвертор,
многие фирмы, например «Бош» и «Сименс», применяют
алгоритм попарно последовательного включения
обмоток.
Принцип управления АД энергетически более
предпочтителен, чем БКД. В приводах с БКД ориентация
потока статора осуществляется дискретно в соответствии
с командами датчика положения ротора, что
энергетически менее выгодно с точки зрения использования
двигателя. Приближенная оценка показала, что
недоиспользование БКД по моменту менее 7%. При использовании
алгоритма попарного включения обмоток
недоиспользование БКД по моменту составляет менее 5 % за
счет высших гармонических в кривой напряжения
статора.
Н|

Приводы с БКД для механизмов подач станков выпускаются
ведущими электротехническими фирмами: «Бош», «Сименс», «Индра-
мат» (ФРГ), «Контраверс», «Инланд», «Геттис», «Портер» (США),
«Фанук», «Окума», «Мицубиси» (Япония) и др. Диапазон моментов
приводов с БКД 0,1—90 Н-м, максимальная скорость 2000—
5000 об/мин, полоса пропускания до 200 Гц и диапазон
регулирования до 10 000—30 000. Большинство фирм устанавливает
трансформаторы в силовой части («Индрамат», «Инланд», «Окума»), но есть
и варианты бестрансформаторных схем («Фанук», «Мицубиси»,
«Бош»). В состав преобразователей часто входит устройство
диагностики, контролирующее наличие питания, сигнал от тахогенерато-
ра, температуру радиаторов, уровень напряжения питания
(повышенный, пониженный) и т. д.
С конструктивной точки зрения получила развитие модульная
концепция, позволяющая легко наращивать число управляемых
координат при едином модуле питания. Так, фирмы «Бош»,
«Индрамат» и «Инланд» выпускают трехкоординатные конструктивы с
общим блоком питания. Для экономии производственных площадей
принято вертикальное исполнение модулей (уменьшение ширины
преобразователя). Габариты модуля питания приводов фирмы
«Бош» 110X320X355, «Сименс»— 105x320x355, «Инланд» —
269x330x618 мм. Аналогичные размеры имеют модули координат.
Масса модуля составляет 8—10 кг, объем 12—14 дм3.
Бесколлекторные двигатели выполнены с возбуждением как от
редкоземельных магнитов (самарий-кобальтовых), так и от ферри-
товых без полюсных наконечников. Фирмы «Бош», «Портер»,
«Окума» применяют магниты на основе ферритов, а «Сименс» и
«Инланд» — на основе редкоземельных материалов. Применение
самарий-кобальтовых магнитов резко снижает удельную
материалоемкость БКД. Например, материалоемкость двигателей серии 1FT
фирмы «Сименс» составляет 2,27 кг/Н-м для двигателей с моментом
2,2 Н-м и 0,94 кг/Н-м для двигателей с моментом 54,2 Н-м.
Характерная особенность БКД — малый момент инерции.
Двигатели серии BRT4502A (32,6 Н-м) фирмы «Инланд», 1FT- 5104
(35,8 Н-м) «Сименс», 30(37,2 Н-м) «Фанук», коллекторные ПБВ-132
(35 Н-м) СССР и асинхронные 4А112М4 (21 Н-м) СССР имеют
моменты инерции соответственно: 2,2-10~2; 1,8-10~2; 2,3-10~2; 18,8Х
Х10-2; 1,75-10-2 кг-м2.
Уменьшением момента инерции повышается быстродействие
привода в целом (увеличивается полоса пропусканий, возрастает
частота включений). Кроме того, получение высоких ускорений при
меньших пусковых токах для транзисторных преобразователей весьма
важно, так как установленная мощность ключа (количество
параллельно соединенных силовых транзисторов) в координатном модуле
142

и параметры фильтра в силовой цепи модуля питания определяются
током в динамических режимах. Таким образом, габариты и масса
координатных модулей и модулей питания существенно зависят от
пусковых токов.
Рассмотрим привод фирмы «Индрамат». Он включает в себя
трансформатор, блок питания и координатные блоки. В качестве
исполнительных элементов используются двигатели серии MAC с
высотами оси вращения 90 и 112 мм, максимальной частотой вращения
до 3000 об/мин, моментами 3,7—27 Н-м. Технические данные блока
питания приведены в табл. 5.4. Технические данные координатных
блоков даны в табл. 5.5. Максимальный ток 'max допустим в течение
15 с. Габаритные размеры модулей одинаковы—105X320X355.
Таблица 5.4. Основные технические данные блоков питания TVM
Тип
TVM1.1-50-220/300-W0
TVM1.1-50-220/300-W1
"вх'в
220
220
<W в
300
300
7ВЫХ' А
50
50
т. кг
15
16
* Данные указаны для цикла включения 15 мин.
Таблица 5.5. Основные технические данные координатных блоков
TDM
Тип
TDM1.1 -30-300- W0
TDM1.1-50-300-W0
TDM1.1-50-300-W1
TDM1.1-1CO-300-WO
TDM1.1-100-300-W1
CQ
К
300
300
300
300
300
CQ
S
360
360
360
360
360
<
о
к
»ч
25
30
50
30
75
<
^
30
50
50
100
100
%<
о •
со *
7,5
9,0
15,0
9,0
| 22,5
6
10,5
10,5
10,5
10,5
10,5
&
о>
О
100
120
200
120
300
Функциональная схема привода представлена на рис. 5.3.
С выхода согласующего трансформатора Т напряжение поступает
на звено постоянного тока с неуправляемым выпрямителем.
Инвертор содержит два транзисторных ключа VTn и VT^, к которым
подключены мост обратных диодов VD\—VDq и управляемый
коммутатор обмотки БКД, собранный на тиристорах VS2i—KS26-
Два транзисторных ключа необходимы для выключения тири-
143

сторов и регулирования среднего значения напряжения. Силовые
транзисторные ключи работают в режиме ШИР на частоте 3,3 кГц.
Путь тока при открытых транзисторах показан на рисунке сплошной
линией: от положительного полюса источника через транзистор VTu,
тиристор VS2\, обмотки af b, тиристор VS26> транзистор VT\2 к
отрицательному полюсу источника. При запирании обоих
транзисторов ток протекает через обмотки двигателя а и b в прежнем на-
5лок
литании
•^КШ^ф
ПреоЬразооатель
V7>/
^7
VBt
„Ж Ж|Ж
W, V W
ЖЖЖ VT12±p±
&-Q$^
Ы
hi
n
Ш"
<vr
yw,
шш.
Д5ига-
гпелъ
Рис. 5.3. Функциональная схема привода с бесколлекторным
двигателем фирмы «Индрамат»
правлении, диоды VD6, фильтр С, диод VD{ (показано штриховой
линией).
Форма токов на элементах схемы представлена на рис. 5.4.
Через /52 обозначен ток, протекающий в звене постоянного тока,
через Ivd — ток в обратных диодах, через 1Vt — ток через
транзисторный ключ.
При выбранном законе коммутации на обмотки статора
подается двуполярное высокочастотное напряжение переменной
скважности (с частотой коммутации транзисторов). Силовой транзисторный
ключ VTn (VT12) представляет собой сборку из четырех
параллельно включенных транзисторов, расположенных на одном радиаторе.
На этом же радиаторе укреплен транзистор предусилнтеля (на
схеме не показан). На заводе-изготовителе предусмотрен подбор
транзисторов для каждого ключа.
Структурная схема привода показана на рис. 5.4. Напряжение
звена постоянного тока Utvm через транзисторный ключ ТК
поступает на трехфазный тиристорный инвертор ТИ и на БКД М, на валу
которого находятся тахогенератор BR датчик положения ротора ДП.
144

Сигнал задания скорости U3 сравнивается с сигналом тахогенератора
UBr и в виде разности An поступает на регулятор скорости PC, а
затем на ограничитель заданного тока ТО. Сигнал А/, представляющий
собой разность заданного тока /3 и истинного /и> поступает на
регулятор тока РТ. На вход В1 компаратора К поступает напряжение
пилообразной формы частотой 3,3 кГц, и на вход В2 — напряжение
с выхода регулятора тока, формируя на его выходе широтно-моду-
лированный сигнал. Последний через блок логики Л поступает на
транзисторный ключ ТК. Блок логики Л по сигналам ДП с помощью
ТИ переключает фазы двигателя М.
PC ТО К РТ
°-Ч^-*$$Щ^
Рис. 5.4. Структурная схема привода фирмы «Индрамат»
Структурно привод представляет собой традиционную систему
подчиненного регулирования с ПИ-регуляторами в контуре тока
и скорости. Особенность состоит в том, что сигнал обратной связи
по току снимается с шунта. Привод имеет защиту от повышения
и снижения напряжения звена постоянного тока, неправильного
срабатывания логики, контроль правильности коммутации
тахогенератора, контроль температуры радиаторов, защиту от пропадания
напряжения питания ±15 В и короткого замыкания в транзисторном
ключе.
Фирма гарантирует диапазон регулирования 1:2000, время пуска
без добавочных маховых масс 60 мс и полосу пропускания до
120 Гц.
В СССР разработки приводов подач с БКД ведутся
во ВНИИР, НЭТИ и ЭНИМС. Во ВНИИР разработаны
приводы с моментами 10—35 Н-м, с использованием
бестрансформаторной транзисторно-тиристорнои силовой
схемы. Применение двухконтурной системы с ПИ-регу-
10—894
145

лятором в контуре скорости и релейным регулятором
в контуре тока обеспечивают практически
безынерционное регулирование в контуре тока, что теоретически
предопределяет возможность построения привода с полосой
пропускания до 100 Гц и более. Результаты по
диапазону регулирования укладываются в нормы, оговоренные
стандартом СЭВ.
Разработанные в ЭНИМС приводы с БКД с
моментами 13—21 Н-м построены-по трансформаторной схеме
с использованием тиристорно-транзисторного инвертора.
Алгоритм работы силовой части аналогичен схеме,
примененной во ВНИИР. Регулятор построен по принципу
систем, работающих в скользящем режиме с
использованием моделей. Последнее позволяет отказаться от
технически сложно реализуемых датчиков тока.
В НЭТИ выполнена разработка привода с БКД с
моментом до 21 Н-м. В качестве инвертора применен
транзисторный мост. Основные технические данные привода:
р = 2,2 кВт; Лном=Ю00 об/мин; МН0м=21 Н-м; /п//НОм—
= 4; Z) = 110 000; *п=0,05 с.
Глава шестая
ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ В ПРИВОДАХ
6.1. УРАВНЕНИЕ ИДЕАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ
Создание современных аналоговых
широкодиапазонных быстродействующих приводов постоянного тока
невозможно без использования операционных усилителей,
что в первую очередь объясняется необходимостью
применения их в качестве регуляторов. Этим не
исчерпывается функциональное назначение устройств с применением
операционных усилителей, причем область
применения их все больше расширяется. Практически
операционные усилители вытеснили транзисторы из приводов,
за исключением устройств, где требуется сравнительно
большая мощность (стабилизаторы напряжений,
выходные каскады СИФУ и т.д.).
Схемотехнике на операционных усилителях
посвящена значительная часть как отечественной, так и зарубеж-
146

кой литературы. Однако большинство источников
рассматривает применение операционных усилителей,
главным образом в устройствах радиоэлектроники. Цель
данной главы — выделить из всего многообразия схемных
решений с применением операционных усилителей
устройства, специфические для приводов.
Аналитическое определение коэффициента передачи
реального операционного усилителя представляет собой
весьма сложную задачу. Для решения этой задачи
принимается ряд допущений, в результате которых
реальный усилитель заменяется идеальным.
Рис. 6.1. Схема замещения Рис. 6.2. Схема замещения
идеального операционного уси- идеального операционного
усилителя с инверсным входом лителя с прямым и инверсным
входами
Для идеального операционного усилителя
справедливы следующие положения: бесконечно большой
коэффициент усиления (&-^оо); бесконечно большое входное
сопротивление (/?вх->о°); нулевое выходное
сопротивление (/?зых-*-0); бесконечная полоса пропускания;
нулевое выходное напряжение при нулевом входном сигнале.
Как следует из принятых допущений, ейХ=0 и iBX=0
(рис. 6.1). Так как потенциал точки Л равен нулю (*вх =
=0), то справедливы равенства: Ui=I\Z\\ £/вых=
=—hz0,z\ Л =/2, откуда
Um^—^Ui. (6.1)
zi
Если входные сигналы подаются на инверсный и
прямой входы (рис. 6.2), выражения для определения
коэффициента передачи примут вид: Ui—IiZ{ = U2; UBhlx-\-
+/2<z0,c = ^2; I\=h> откуда
^вых —^ ^l + ( 1 +-^H
Далее рассмотрены основные схемы регуляторов
и представлены их передаточные функции.
ю*
147

Схема включения П-регулятора представлена на рис.
6.3, а. Пропорциональный П-регулятор характеризуется
следующими выражениями:
На рис. 6.3, б показана форма выходного напряжения
П-регулятора при единичном скачке входного сигнала.
Схема И-регулятора представлена на рис. 6.4, а,
а форма его выходного напряжения на рис. 6.4, б.
Интегральный регулятор характеризуется следующими
выражениями:
где T=RiC0,c.
г—CZb U%
"м-—"г
1
рГ
"^бых
*4£
oHZ>
#,=/
а)
*>
Рис. 6.3. Схема (а) и форма выходного сигнала П-регулятора при
единичном скачке на входе (б)
Схема Д-регулятора представлена на рис. 6.5, a, a
форма его выходного напряжения на рис. 6.5, б.
Дифференциальный регулятор характеризуется следующими
выражениями:
Zo,c = *o,c; *1 = ЩрСг); ишх=-игРТу
где T=R0,cCu
В реальных случаях для уменьшения пульсаций
выходного сигнала включают резисторы Ri (показан
штриховой линией на рис. 6.5, а). Выходное напряжение
меняется так, как показано на рис. 6.5,6 штриховой
линией.
Схема ПИ-регулятора представлена на рис. 6.6, а,
а форма его выходного напряжения —на рис. 6,6,6. Про-
148

порционально-интегральный регулятор РТ
характеризуется следующими выражениями:
у = /? 1 * — РГо.с + 1 . ^ п
го,с Ко,с+~7 I г, = /?;
Рио,с ьос
где Г0>с=/?о,сС0,с; 7,1=/?1C0fC; k=R0,c/Ri.
Hi Ri I
O-CZZb-A
JliCJL
—о
<У
Рис. 6 4. Схема (а) и форма выходного сигнала И-регулятора при
единичном скачке на входе (б)
U, R, ft
О)
о
к-^Вых
•иы
1)
Рис. 6.5 Схема (а) и форма выходного сигнала Д-регулятора при
единичном скачке на входе (б)
Схема ИП-регулятора или инерционного звена
первого порядка показана на рис. 6.7, а, а форма его
выходного напряжения — на рис. 6.7, б.
Интегрально-пропорциональный регулятор характеризуется следующими
выражениями:
и%
L
^L
■"Ьъ
Ub%'1
<о = 0
б)
Рис. 6.6. Схема (а) и форма выходного сигнала ПИ-регулятора при
единичном скачке на входе (б)
149

1
1 T P' 0,0
где k=R0,c/R\\ T0}c=Ro,cC0>c.
Рис. 6.7. Схема (а) и форма выходного сигнала ИП-регулятора при
единичном скачке на входе (б)
Схема ПИД-регулятора показана на рис. 6.8, а,
а форма его выходного напряжения — на рис. 6.8,6.
Пропорционально-интегрально-дифференциальный
регулятор характеризуется следующими выражениями:
2о,с = (рТ0,с + 1)/С0,с (как и для ПИ-регулятора);
гг = RJ(pT1 + 1) (как и для ИП-регулятора);
11 __ 11 (pT1 + \)(pT0tC + l) tj
°ВЫХ ^БХ rj, WBX\ „
_|_ 7*1 + ^о,с _|_ pTlJjhS
где 7'о,с=^о,сСо,с; T\=R\Ci\ To\=RiC0,c»
+
Rq,c
*l I—\p>
ЫС
А—О
<У
Рис. 6.8. Схема (а) и форма выходного сигнала ПИД-регулятора при
единичное скачке на входе (б)
150

Таблица 6.1. Символические обозначения звеньев
Наименование звена
Пропорциональное
Интегрирующее
Дифференцирующее
Инерционное звено первого
порядка

Пропорционально-дифференциальное
Инерционное звено второго
порядка

Пропорционально-интегральное
Дифференцирующее с
затуханием

Обозначение
Р
I
D
vz,
PD
vz2
PI
VD
Символ
-]
Q
—
—
—
),
— i
[/•
1
\r
V^
VL-
L,
у
151

Продолжение табл. 6.1
Наименование звена
Чистое запаздывание

Обозначение
—
Символ
1
1ш
Наряду с классическими схемами представляет
интерес ПИ-регулятор с раздельно регулируемыми
усилением и постоянной времени [4], часто встречающийся в
приводах зарубежного производства (рис. 6.9). Коэффициент
усиления пропорциональной части k=R0lC/R\kA,
причем &4=1, если /?4 в положении 10; &4=0, если /?4 в
положении 0.
Таким образом, Ro^/Rx^k^Loo. Указанное
равенство справедливо при условии /?4>#о,с Постоянная
времени определяется соотношением
Т = К,с С0>с (R2 + R3)/(R0iC +R2+ R3).
Рис. 6.9. Схема ПИ-регулятора
с раздельно регулируемыми
усилением и постоянной
времени
Как следует из рассмотренного, пропорциональная
часть регулятора и постоянная времени
устанавливаются независимо, что весьма важно при формировании
требуемых динамических характеристик привода.
Применение операционных усилителей в приводах не
ограничивается только построением регуляторов. По
мере усложнения алгоритмов управления операционные
усилители находят все более широкое распространение.
Часто в иностранной литературе при составлении структурных
схем привода пользуются стандартным набором символов,
соответствующих определенным передаточным функциям. В табл. 6.1 даны
символические обозначения девяти типов звеньев.
152

6,2. ЛИНЕЙНЫЕ ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИМЫЕ СХЕМЫ
Многовходовой сумматор-вычитатель (рис. 6.10)
предназначен для алгебраического сложения нескольких
величин [6, 7]. Коэффициент усиления для любого
напряжения, поданного на инверсный вход, равен
kg =■— RoyJRu
а на прямой
и.
(v*;) (G-^+3).
где /?0,с — сопротивление в цепи отрицательной обратной
связи; Ru Rj — значения сопротивлений по прямому и ин-
Рис. 6.10. Схема миоговходово-
го сумматора-вычитателя
версному входам соответственно; G-3, G+3 — суммарные
эквивалентные проводимости цепей, присоединенных к
инверсному и прямому входам соответственно,
1 + 4-+.~+4- ' '
С_з =
#1
я*
#о,е
Обычно возникает задача суммирования с разными
весовыми коэффициентами. Выбрав требуемым образом
значения величины резисторов 7?0,с Ri и /?/,
рассчитывают значения G-э и G+a, после чего подбирают значения
сопротивлений резистора Ra или Rb так, чтобы
выполнялось равенство G-3—G+d.
Операцию сложения — вычитания можно осуществить,
используя только инверсные входы на двух
операционных усилителях. Сравнивая два этих варианта можно
отметить, что последнее решение допускает вариацию
весовых коэффициентов без достаточно трудоемкого расчета,
но увеличивает количество корпусов*
153

Повторитель напряжения (рис. 6.11, а) представляет
собой разновидность неинвертирующего усилителя,
применяющегося для согласования высокого внутреннего
сопротивления источника сигнала с низким
сопротивлением нагрузки. Входное сопротивление RBK и выходное
R'Bblx равны соответственно
Авх — &Авх,* Авых — Двых'^
ч
-1- -*цЛ Jh JL | ь
a) -S—= '
Рис. 6.11. Схема повторителя напряжения (а) и то же с
регулируемым входным сопротивлением (б)
ТГ
"•■£*>
Рис. 6.12. Схема
стабилизатора напряже-
I %ix ния непрерывного
действия
Рис. 6.13. Схема усилителя
тока
Входное сопротивление при таком включении может
быть более 10 МОм, а выходное — менее 10 Ом. Для
регулировки входного сопротивления применяют схему,
показанную на рис. 6.11,6. При этом входное
сопротивление
Яв
l+*o.c/*i
154

Стабилизаторы напряжений непрерывного действия
могут быть реализованы как на микросхемах, так и на
операционных усилителях. Операционный усилитель
усиливает разность опорного и выходного напряжений и
управляет проводимостью последовательного
(параллельного) регулирующего элемента (рис. 6.12). В [5, 7]
предложены различные варианты схем стабилизации как
одно-, так и двухполярного напряжения с регулировкой
в широких пределах.
Усилители тока, преобразующие малый входной ток
в напряжение, находят применение в устройствах
гальванической развязки цепей с использованием оптопар.
В схеме рис. 6.13 [5] сопротивление нагрузки для
источника тока (фотодиода) RBX стремится к нулю (при
/?о,с=1 МОм & = 5(Ы03, /?вх=20 Ом). Благодаря этой
схеме увеличивается быстродействие фотодиода и
повышается линейность световой характеристики.
6.3. ЛИНЕЙНЫЕ ЧАСТОТНО-ЗАВИСИМЫЕ СХЕМЫ
Кроме приведенных в § 6.1 регуляторов на основе
операционных усилителей к линейным частотно-зависимым
схемам можно отнести схемы дифференциального
интегратора, активного фильтра и других устройств, которые
рассмотрены далее.
Рис. 6.14. Схема
дифференциального интегратора
Дифференциальный интегратор (рис. 6.14) позволяет
получить алгебраическую сумму интегралов нескольких
входных напряжений [7]. Для напряжения Uu поданного
на инверсный вход операционного усилителя через
резистор Ru передаточная функция
^|(р)=-1/(рС0.с/?«),
155

а для напряжения U'., поданного на прямой вход через
резистор,
Ц7'. (р) — * * + рСр,с/6-э С-э
pC0tCR] l + pCJG+э G+3 '
где G-9=l//?i + l//?2+...+ l//?a; G+0=\/R[ + l/R2 +
+...+1//?б — эквивалентные активные проводимости
прямого и инверсного входов операционного усилителя.
Выбирая Со,с = С1 с помощью включения резисторов
Ra или Rb> выравнивают значения проводимостей G_3
и G+э, после чего
W'}(p) = V{pCo,cRj).
Активные фильтры выполняются на основе
операционных усилителей. Они представляют собой частотные
безындуктивные устройства, с помощью которых можно
усилить или ослабить полосы частот или некоторые час-
юты. Рассмотрим синтез фильтров нижних частот
(ФНЧ), наиболее часто встречающихся в технике
электроприводов.
Передаточная функция ФНЧ описывается
выражением
W Pn + biPn-1+.~+bn-iP + bn *
где Н — коэффициент передачи фильтра в полосе
пропускания; п — порядок фильтра; Ьх—Ьп — коэффициенты
полинома.
Наибольшее распространение получили полиномы
Чебышева и Баттерворта. Полиномы Чебышева
обеспечивают некоторые колебания коэффициента передачи
вокруг заданного уровня и максимально крутой
монотонный спад за пределами полосы пропускания. Полиномы
Баттерворта обеспечивают более гладкую частотную
характеристику в полосе пропускания и монотонный спад
за пределами полосы, однако крутизна спада не столь
велика и погрешность коэффициента передачи больше,
чем для полиномоз Чебышева.
Для упрощения процедуры синтеза ФНЧ высоких
порядков их образуют путем соединения требуемого числа
ФНЧ перзого и второго порядков. Фильтр первого
порядка реализуется обычной /?С-цепочкой (рис. 6.15,а),
156

Рис. 6.15. Схемы фильтров:
а — первого порядка: б — второго порядка; в — третьего порядка; г —
частотная характеристика фильтра, показанного на рис. 3.15, в
ФНЧ второго порядка, аналогичен LC-фильтру рис.
6.15,6. Полиномы Чебышева и Баттерворта с
разложением на множители представлены во многих книгах.
В табл. 6.2 приведены нормализованные значения
емкостей ФНЧ, выходные характеристики аппроксимированы
полиномами Чебышева и Баттерворта вплоть до
шестого порядка.
Нормализованные значения емкостей приведены для
А>1=#2=/?з=1 Ом. Выбрав значения емкостей из табл.
6.3, найдем их истинное значение в зависимости от
полосы пропускания и выбранного масштабного
коэффициента.
Пусть требуется рассчитать ФНЧ с использованием полинома
Чебышева третьего порядка с полосой пропускания до 400 Гц,
Емкости конденсаторов не должны превышать 1 мкФ.
157

Таблица 6.2. Нормированные значения емкостей ФНЧ при
различных аппроксимациях
Порядок
фильтра п
2
3
По полиному Чебышева
Ci | С2
2,218
16,18
4 } 3,125
1 7,546
5
6
8,884
11,55
4,41
6,024
16,46
0,6061
0,06428
1,269
0,14893
0,254
0,09355
1,904
0,3117
0,06425
с3
2,567
—
3,935
—
По полиному Баттерворта
ct
1,414
3,546
1,082
2,613
1,753
3,235
1,035
1,414
3,863
с2
0,7071
0,2024
0,9241
0,3825
0,4214
0,3089
0,966
0,7071
0,2588
С3
1,392
—
1,354
—
По табл. 6.3 принимаем для ФНЧ третьего порядка Ci = 16,180 Ф,
С2=0,06428 Ф, С3=2,567 Ф, так как
С: = С,/2л/0,
где fc—.полоса пропускания,-получаем с[ =6,45-103 мкФ; С\ =
= 0,0256-103 мкФ; Сз=Ы03 мкФ. Примем масштаб для СХ и С2
равным Mi = 13-103, тогда С] -=dlMx и С[ = CJ/M! = 0,5 мкФ; С"2 =
= 1970 лФ;
^1 = ^2=: 13 кОм.
Выбрав для Съ масштаб M2==Mi = 13-103, тем самым выбираем Q=
=0,077 мкФ и #з=13 кОм.
На рис. 6.15, в и г представлены полная схема ФНЧ третьего
порядка, аппроксимированная по полиному Чебышева, и частотная
характеристика ФНЧ.
6.4. СХЕМЫ С НЕЛИНЕЙНЫМИ И УПРАВЛЯЕМЫМИ ОБРАТНЫМИ
СВЯЗЯМИ
Компараторы предназначены для получения
логических сигналов в функции знака входной величины (рис.
6.16, а). Они находят применение в приводе не только как
логические устройства (приводы с раздельным
управлением), но и как элементы регуляторов для реализации
скользящих режимов. Для увеличения быстродействия
и повышения помехозащищенности вводится положитель-
158

ная обратная связь, образующая гистерезисную петлю
шириной нь^ст
где иСт—напряжение стабл-
#2 + #3
литронов в цепи отрицательной обратной связи (рис.
6.16,6). Стабилитроны, ограничивая выходное
напряжение, способствуют увеличению быстродействия.
Компараторы без обратных связей ОС имеют быстродействие
порядка примерно единиц мкс, а с ОС — сотни не.
-W-W-
"»ь«А
А
Uae—
5)
Us—
(fa
\
Ui
—э*
"ПК
' *~
а)
Рис. 6.16. Схема (а) и выходные характеристики компаратора (б)
Различные варианты схем компараторов на основе
операционных усилителей ОУ общего и специального
применения наиболее полно представлены в [7].
Функциональные преобразователи предназначены для
реализации нелинейной функции путем аппроксимации
ее отрезками прямых. Подобные устройства находят
применение в приводе при создании адаптивных
регуляторов, устройств нелинейного токоограничения и др.
Схема, представленная на рис. 6.17, а, реализует
параболическую кривую. При изменении полярности напряжений
подпора диодов можно реализовать степенную функцию
(графики обеих функций показаны на рис. 6.17,6).
Недостаток данной схемы состоит в ее температурной
нестабильности. На рис. 6.18, а и б представлены
термостабильная схема и характеристики функционального
преобразователя, позволяющего независимо менять
наклон отрезков и точки излома. Крутизна прямолинейных
участков характеристики Si=—R0)C(l/R—l/Ri); 52 =
=-д0,с/Я; 5з=-#о,с(1//?-1//?2).
Ограничители выполняют разнообразные функции
в устройствах привода: ограничение максимальных уров-
159

Рис. 6.17. Схема функционального преобразователя (а) и выходные
характеристики параболического и степенного типов (б)
Рис. 6.18. Схема (а) и выходные характеристики термостабилизи-
рованного функционального преобразователя (б)
ней выходных напряжений регуляторов, реализацию
устройств токоограничения и т.д. Простейшие ограничители
с постоянным и переменным уровнем ограничения
представлены на рис. 6.19, а, б. Когда стабилитроны открыты
и напряжение на R0)C равно ±£/ст, то UBUX=±UCT для
схемы рис. 6.19, а и £/Вых=±а£/Ст для схемы рис. 6.19, б,
где а определяется положением движка потенциометра
до.с
160

Если стабилитроны закрыты, то для схемы рис.
6.19, а
^ пТЛТ" ^ TIT m
Ri
для схемы рис. 6.19,6
U =~U А°'с
ивых — ^ вх
Ло.сО-а)
Ri + а/?о.с
Один из вариантов схем, используемых для
реализации токоограничения, зависимого от скорости,
представлен на рис. 6.20. До тех пор пока напряжение (/, на вы-
иь% *i
■ т Rq.c I
Ubb\%
О
S)
Рис. 6.19. Схема ограничителя:
а — без регулируемого ограничения; б — с регулируемым ограничением
о-
Rf I яр,с ^ fp..
14.. Ув'
-1 #ihax
•Г£/ст
-Si^fe;
л,
+ I ifmtn
4*
Увих
О
Щ
Ж$
Ю*
Рис. 6.20. Схема зависимого токоограничения
11-894
131

ходе регулятора скорости, собранного на операционном
усилителе DAh по абсолютному значению не превысит
опорных напряжений Umax фтгп), стабилитроны VD\
и VD2 будут закрыты. При этом 0Вых будет
определяться напряжением регулятора скорости. Как только оно
превысит по модулю Umax{Umin), диод VD{ (VD2)
откроется и f/вых станет равным Umax(Umin)-
Для реализации устройства зависимого токоограни-
чения следует заменить Umax{Umin) напряжением U =
=/(п) требуемой формы. Часто в приводе возникают
задачи управляемого ограничения не только
максимального, но и минимального значения выходной величины
регулятора. Подобное устройство классифицируется в [4]
как «регулируемое запирание». На рис. 6.21, а
приводится один из вариантов такой схемы. Ограничение
минимального значения величины целесообразно производить
бесконтактным способом путем подачи управляющего
сигнала на полевой транзистор. На рис. 6.21,6
показана характеристика устройства.
Задатчик интенсивности (рис. 6.22, а) преобразует
ступенчатые сигналы на входе в линейно-изменяющиеся
с заданным темпом. Устройство состоит из
операционного усилителя DAU сравнивающего входной сигнал U\
с выходным f/вых. Обычно выбирают одинаковые входные
сопротивления (/?i = #2) и большой коэффициент
усиления. Уставки потенциометров Ra и Rb определяют
максимальный уровень ограничения напряжения для обеих
полярностей. Усилитель DA2 необходим для
инвертирования, усилитель DAZ включен по схеме интегратора.
При подаче на входе DA\ положительного ступенчатого
сигнала U\ на его выходе устанавливается напряжение,
определяемое уставкой —a£/on, где Uou —
стабилизированное опорное напряжение. На выходе интегратора
DAZ происходит нарастание напряжения dUBbJX/dt—
= a[/on#4Co,c; когда оно становится равным \UBblx\—Uu
выходное напряжение DA{ падает до нуля. Аналогично
протекает процесс при уменьшении входного напряжения
до нуля с тем отличием, что темп спадания выходного
напряжения £/вых при неизменной постоянной времени
интегратора определяется вел ич иной+р£Лш. Процесс
разгона и торможения показан на рис. 6.22,6.
Устройство для выделения абсолютного значения
сигнала необходимо при согласовании двуполярного
выходного напряжения усилителя с однополярным напряжени-
162

и *
ЫЬык
Vmin \__\L [
1/7/
Выкл.
5)
VT1 Ь
Вкл.
Рис. 6.21. Схема
регулируемого ограничения
минимального значения (а)
и выходные характеристики
ограничителя (б)
ем СИФУ или формирователем скважности ШИП,
применяется в приводах с адаптивным управлением. В том
случае, если требования к линейности характеристики
^вых= | UBX\ не высоки, то может быть предложена
сравнительно простая схема рис. 6.23. При положительном
входном сигнале открыт диод VD2 и ток протекает по
цепи прямого входа, а при отрицательном сигнале—по
цепи обратной связи и инверсного входа. Включая в цепь
обратной связи диод VD3, диапазон линейности
расширяется с 0,6 до 50 В
Выпрямители широко применяются в приводах.
Выпрямители, выполненные на диодах, имеют порог
чувствительности несколько менее 1 В (кремниевые—0,7 В;
германиевые — 0,3 В). Выпрямители, построенные на
операционных усилителях (рис. 6.24, а), позволяют
уменьшить порог чувствительности до 1 мВ. Для
положительной полярности входного сигнала выходное напряжение
равно нулю, так как диод VD2 закрыт отрицательным
напряжением на выходе усилителя, а открытый диод
VD\ и резистор /?3 шунтируют цепь обратной связи —
резистор R2. При отрицательной полярности диод VD2
открывается и усилитель работает как инвертор с
коэффициентом усиления по напряжению ku=R2/R\-
Пороговое напряжение диода VD2 уменьшается в k раз при
R{ = R2 (k — коэффициент усиления усилителя без
обратной связи). Изменив полярность включения диодов
(показано штриховой линией), можно получить
выпрямитель, работающий при положительном входном сигнале.
На рис. 6.24, б даны выходные характеристики
устройства для двух вариантов включения диодов.
11*
163

Uti
U41
hi
i
Ag | Aff |
! L *
A
~1
_J« | |
1
1 • ! !
11
iii »_
U U <
>! ! 1
1 ill!
i 111/
\
L
/
J "BblX
a)
Рис. 6.22. Схема (а) и
выходные характеристики
задатчика интенсивности
с различным темпом
нарастания и спада (б)
Аналоговые ключи коммутируют аналоговые
сигналы; если они построены на транзисторах, то имеют
сравнительно большое сопротивление в состоянии
«включено» (сотни ом). Построение ключа на операционных
усилителях позволяет снизить это значение до десятых долей
ома (рис. 6.25). Схема управляется противофазными
сигналами, подаваемыми на полевые транзисторы VT\
и VT2. Когда VT{ включен, а VT2 выключен, усилитель
DA работает в режиме инвертора, выходное напряжение
которого при идеальном ключе VTX
/?вых=/?вых/(1 + ^/Ы
где ku=R0,c/R', Rbx и k — входное сопротивление и ко-
эффицииент усиления собственно DA.
Как показано в [7], /?Вых= (1-=-3) -100 Ом, £=(20ч-
164

Рис. 6.23. Схема выделения
модуля входной величины
R
Рис. 6.24. Схема (а) и
выходные характеристики однополяр-
ного выпрямителя (б)
Ri
Ъ^/Di
VD,
& ж t
a)
>
^8blK i
иьы%*Ш
иьы% А
Ui
Ul
-W- d) ~W-
Ч-50)-Ю3. Сопротивление открытого состояния VTi
также уменьшается в k раз при R0tC = R. Когда KTi
выключен, а VT2 включен, выход устройства через резистор
обратной связи практически подключен к земле.
Фазочувствительный демодулятор является
составной частью схемы модулятор — демодулятор (М—ДМ),
по которой осуществляется гальваническое разделение
аналоговых сигналов в приводах. Простейшая схема
демодулятора представлена на рис. 6.26. В основе схемы —
различие коэффициентов усилений операционного
усилителя DA по прямому и инверсному входам. При
равенстве входных сопротивлений и сопротивлений обратной
связи &п=2; &и=—1. Поэтому, когда ключ VT{ замкнут,
UBbix=—UBXi когда разомкнут,—1/Вых = ^вх.
В [5, 6] приведен ряд схем, в которых демодулятор
наряду с фазочувствительным двухполупериодным
выпрямлением усиливает входной сигнал.
Управляемые генераторы применяются в устройствах
защиты приводов. Они выдают импульсы при наличии
определенного потенциала на входе. В [6, 7] предложена
оригинальная схема такого устройства (рис. 6.27, а)
ь основе его лежит релаксационный генератор. Обычно
релаксационный генератор выполняется на операционном
усилителе с положительной и отрицательной обратными
165

связями, причем положительная связь должна иметь
опережающий характер по отношению к отрицательной.
Тогда цепь положительной обратной связи обеспечит
лавинообразный переход из одного состояния в другое,
а время нахождения в каждом из состояний будет
зависеть от отрицательной обратной связи. Так, в данном
случае положительная обратная связь имеет
дифференцирующий характер, а отрицательная обратная связь —
резистивный. Включение диода VD\ в цепь
отрицательной обратной связи приводит к тому, что импульсы на
выходе генератора появляются только при положитель-
Рис. 6.25. Схема
аналогового ключа
Рис. 6.26. Схема фазочув?
ствительного модулятора
ной полярности сигнала на входе. Диаграмма работы
показана на рис. 6.27, б.
Преобразователь напряжение — частота применяется
в приводах постоянного тока с импульсным датчиком
как задатчик частоты вращения. Одна из предложенных
в [7] схем, отличаясь достаточным уровнем линейности
(±1 %) и шириной диапазона частот (20 Гц —10 кГц),
весьма проста (рис. 6.28). Она содержит интегратор
(DAX), компаратор с положительной обратной связью
DA2 и ключ VD.
В исходном состоянии схемы, соответствующем
логической единице на выходе компаратора DA2, диод VD
закрыт и напряжение на выходе DA{ при заданных Rx
и С0,с меняется с темпом, определяемым напряжением
0\х. При некотором напряжении на выходе DAU
определяемом глубиной положительной обратной связи,
компаратор изменит полярность выходного напряжения на
отрицательную, диод VD откроется и конденсатор С0,с
быстро разрядится по цепи VD—R3, после чего
компаратор вновь примет исходное состояние. Частота импульсов
на выходе компаратора определяется напряжением UBX.
Кроме указанных в приводах постоянного тока при-
166

меняются следующие устройства на операционных
усилителях: генераторы синусоидальных колебаний с
регулируемой частотой и амплитудой, в том числе и с
квадратурным выходом [7]; генераторы прямоугольных
импульсов с регулированием частоты, скважности [7]; ге-
Рис. 6.27. Схема (а) и осциллограмма напряжений управляемого
генератора (б)
Рис. 6.28. Схема
преобразователя напряжение — частота
^W^i
ьо,с
нераторы треугольных импульсов с независимо
регулируемой частотой и амплитудой [7]; одновибраторы [5, 6];
триггеры Шмитта [5]; аналоговые
перемножители-делители [7]; широтно-импульсные модуляторы [5]; АЦП
и ЦАП [5]. Перечисленное не исчерпывает всего
многообразия решений с использованием операционных
усилителей, практические схемы большинства из которых
наиболее полно представлены в [7].
167

Глава седьмая
НАЛАДКА И НАСТРОЙКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Комплектный электропривод, предназначенный для
установки в механизм подачи станка с ЧПУ, как
правило, проходит стендовые испытания в режиме
регулирования скорости еще до установки его на станок. Обычно
подобные испытания сводятся к внешнему осмотру,
проверке комплектности поставки и уточнению
рекомендаций по монтажу в соответствии с данными, изложенными
в инструкции по эксплуатации привода. Однако
изредка приходится вести наладку неработоспособного
привода. Предлагаемая ниже методика рассчитана именно
на такой случай, но она включает в себя и процедуры,
необходимые для традиционных стендовых испытаний.
7.1. НАЛАДКА ПРИВОДА ЭТ6С
Условимся понимать под термином «налаженный
электропривод» систему с заданными статическими
характеристиками и любыми динамическими (в том числе
и неудовлетворительными). В таком понимании система
в целом и все ее узлы должны быть работоспособны
и правильно функционировать; структуру же
регуляторов условимся считать неизменной по отношению к
показанной на принципиальной схеме в паспорте привода.
Подрегулировка отдельных узлов привода и выбор
параметров регуляторов для обеспечения оптимальных
динамических параметров привода будем называть в
дальнейшем «настройка».
Таким образом, при ремонте неработоспособного
привода сперва необходима наладка, а затем настройка.
Алгоритмы наладки даже одного типа привода могут
существенно отличаться, но для большинства типов ти-
ристорных электроприводов подачи постоянного тока
целесообразно в первую очередь проверить
работоспособность всей системы управления при выключенной
силовой части привода. В связи со спецификой наладки
отдельных узлов иногда в привод вводятся дополнительные
аппараты или устройства, облегчающие процесс
наладки. Обычно это делается при подготовке привода к
работе.
168

Предлагаемая ниже методика наладки привода ЭТ6С
может рассматриваться только как дополнение к
техническому описанию, изложенному в паспорте на привод,
и потому осуществима лишь после тщательной
проработки последнего, особенно принципа действия привода
и его отдельных узлов, принципиальных и монтажных
схем.
Подготовка привода ЭТ6С к работе—обнаружение
и устранение дефектов и несоответствий комплектации
путем внешнего осмотра, осуществление монтажа и
подключения привода. Остановимся подробнее на этих
операциях.
Таблица 7.1
Номинальный ток
эл ектроДвигател я,
А
От 5 до 25
От 25 до 40
От 40 до 60
Тип
тиристора
Т10-40
Т10-50
Т10-60
Т10-80
Класс тиристора при вторичном фазном
напряжении трансформатора
до 140 В | до 170 В | До 220 В
6
8
10
Проверка внешнего вида и комплектности поставки
привода. Произвести внешний осмотр всех составных
частей электропривода — двигателя, тиристорного
преобразователя, силового согласующего трансформатора
и двух реакторов. Убедиться в отсутствии забоин и
механических повреждений. Проверить комплектность
поставки. При применении двигателя, отличного от
указанного в паспорте, необходимо, чтобы выполнялись
следующие условия:
1) вторичное напряжение силового трансформатора
соответствовало номинальному напряжению двигателя;
2) номинальные параметры тиристоров
соответствовали данным, приведенным в табл. 7.1;
3) выбранные реакторы обеспечивали уравнительные
токи/ур^(15н-20) % /ном;
4) количество витков датчика тока и сечение провода
соответствовали номинальному току двигателя:
169

Номинальный ток Количество витков Сечение провода,
электродвигателя датчика тока мм2
От 5 до 35 2 4
От 35 до 60 1 6
Монтаж электропривода. Монтаж электропривода
производят в соответствии со схемой рис. 7.1, но
отличающейся тем, что на первичной стороне силового
трансформатора должен быть установлен один
автоматический выключатель F1 и на вторичной стороне
трансформатора— два автоматических выключателя (F2 и F3).
При монтаже оборудования обратить особое внимание на
надежность заземлений, подходящих к корпусу
двигателя, преобразователя и силового согласующего
трансформатора.
Наладка системы управления. Условимся, что все
изменения в силовой части привода и в схеме управления,
производимые в процессе наладки и имеющие
вспомогательный характер, устраняются перед началом
очередной проверки, а все коммутационные аппараты
приводятся в исходное состояние.
Особенность наладки системы управления состоит
в том, что она производится при отключенном силовом
питании вторичных цепей (F2 и F3 выключены).
Наладка системы управления включает ряд операций.
Проверка напряжений питания системы управления
приводом. Цель операции — проверка питающего
напряжения и его пульсаций. Включить автомат F1.
Относительно точки 0 с помощью вольтметра постоянного тока
или осциллографа измерить напряжения блока питания
БП в точках 20, 22, 127 у 128. Значения напряжений, В,
должны быть:
20 ±(12,6±0,2) \ выходные напряжения
22 — (12,6±0,2) / стабилизатора СТ;
128 —(24±2) 1 выходные напряжения
127 —(24±2) / выпрямителя В
Пульсации стабилизированных напряжений в точках
20 и 22 не должны превышать 40 мВ (измерение по
осциллографу).
Фазировка привода. Цель операции — произвести
подключение силовой части преобразователя таким
образом, чтобы нулевому сигналу на входе СИФУ, соот-
170

ветствовал угол управления между анодным
напряжением, подаваемым на тиристоры катодной группы и
импульсом управления, равный или более 150° от начала
синусоиды (или 90° от точки естественного зажигания).
В блоке питания привода БП предусмотрена защита
от неправильной фазировки ЗФ, разрешающая работу
привода при определяемом чередовании фаз
напряжений трансформатора управления ТУ. Однако ввиду ряда
причин, приводящих к ненадежной работе схемы,
целесообразно проверять правильность фазировки другими
методами.
Фазировку можно проводить двумя методами:
косвенным и непосредственным. Косвенный метод состоит в
контроле правильности подключения обмоток силового
трансформатора и трансформатора управления. Включить
Г1 и с помощью фазоуказателя или осциллографа
убедиться, что порядок чередования фаз Л, Б и С прямой.
При обратном порядке переключить любые две фазы из
трех.
С помощью двухлучевого осциллографа (например,
типа С1-18) убедиться, что синусоидальные напряжения
в точках А1—Z1—В1—XI—С1—У1 сдвинуты
относительно друг друга на 60° указанной последовательности. Для
проведения этих измерений надо общую точку силового
трансформатора 01 подсоединить к выводу «земля»
осциллографа, а входы осциллографа последовательно
подключать к точкам А1—У1. При отсутствии
осциллографа правильность подключения вторичных обмоток может
быть проверена с помощью вольтметра. В результате
измерения напряжений должны быть соблюдены
следующие равенства:
UA1ZI = UZ1B1 = иВ1Х1 ~ UX1C1 ^ UClYl = UY1A1 ~
= U A101 ==---== U Z101 = <|)>
^ш - ив,а = исш = игш = Ux,y, = Uv1Z1 = УЩ',
илш - Ub,y, = исш = 2^ф.
Кроме того, следует убедиться в выполнении
равенства UA\a2 = Ub\b2=Uc\c2 (при проведении измерений
вольтметром или осциллографом следует соединить
точки силового трансформатора 01 и 02).
Непосредственный метод фазировки заключается
в проверке разности фаз между анодным и управляющим
171

R10VjC№
A101
20
R106
R1Q5 С105Л103
\lS2 \C106
l\
»—
С107
г\НТ102
T^rcw Awj.
1101
710$
дюб\
ЙяшТ
£0
A111
П I
if
M
A121
к 30
A131
i30
n^jfl
А1Ч1
к 30
22
A151
138
R410 R40S
17A«
17Б*
17B«
17Г*
17E^-
«I$P$^J
1370-
№
ЖМ
Рис. 7.1. Принципиальная схема привода ЭТбС
172

ikf^-g1 ik»=A iL^i? tL^J-g b±fJj jyb*Ji?
OwN.4 "j-yVvS Гопл 5 "lrvM-\.§ Пуч-УЧ-З ГуУГЧ^
«г
rpi»rp«rp»,p"p»'p;,

Рис. 7.1. Продолжение
напряжениями, подаваемыми на каждый из тиристоров.
Непосредственно фазировка проводится при нулевом
сигнале на выходе СИФУ (распаять перемычку в т. 19 и
закоротить ее с т. О (со стороны формирователя
импульсов). Подать на один из входов двухлучевого
осциллографа (например, типа С1-18) импульс управления
тиристором катодной группы Д01 таким образом, чтобы т. 50
была соединена с «землей» осциллографа. На вывод
«земля» второго входа осциллографа присоединить т. 01
(общую точку вторичной обмотки силового трансформа-
174

CS1S Х"~ гг" П
a CS14[ W»ljl
■оог
"тГ\
Lffi ЩШ1
Ч Г 1 " 72S W 1К §"$"% Ъ 5
d-
Q4 5 6 7 8 9
39
СТ
15/7
>;27
J-o->-o^//
l-o-jj;—окис
Ь22

тора), а на второй вывод — одну из фаз силового
трансформатора Al 11.
Включить автоматический выключатель F1, после
чего включить кнопку «Пуск» (КнП в блоке питания БП)
й^иЛ Рис. 7.2. Осциллограммы
^ ~* ^ фазного напряжения
силового трансформатора
управляющих импульсов на
тиристоре
и методом перебора отыскать такую фазу, относительно
напряжения которой иф импульс управления тиристором
«и будет отставать от начала фазной синусоиды на 150—
170° (рис. 7.2). Результат зафиксировать и провести
аналогичную процедуру для всех тиристоров катодной
группы. Учитывая высокое качество монтажа, фазиров-
ку анодной группы можно не производить.
Если в процессе фазировки выяснится, что
отсутствует какая-либо из фаз силового напряжения вторичной
обмотки трансформатора (А1 11), то следует проверить
наличие фаз непосредственно на вторичной обмотке
трансформатора (вольтметром или осциллографом), после
чего либо устранить дефекты монтажа, либо заменить
трансформатор.
При отсутствии импульсов управления на одном из
тиристоров следует убедиться в том, что на вход
формирователя импульсов поступает опорное напряжение
синусоидальной формы (точки 4—9) и нулевое напряжение
(т. 19). На выходе компараторов (А101—А151)
напряжение имеет двухполярную прямоугольную форму со
скважностью равной двум. После дифференцирования
цепочкой R105, С105, R106 импульсы усиливаются
транзисторами Т101 и Т102, а по другому каналу — транзистором
ТЮЗ, затем подаются на обмотки импульсных
трансформаторов. Форма напряжения на элементах показана на
рис. 7.3 (Ua/oi—напряжение на выходе компаратора
А101\ UqUk — напряжения на базе и коллекторах
транзисторов Т101, Т102 и ТЮЗ).
Несмотря на то что форма импульсов на первичной
обмотке может быть аналогична показанной на
рисунке, управляющие импульсы на тиристоре могут
отсутствовать. Последнее может быть вызвано либо
обрывом во вторичной цепи трансформатора, либо неис-
176

}
Г \*s v_x \*
h
ГГ
к
1
п
к
|_
Y
п
_|
К г
i
1 *
р
~ТГ
и
"ТГ
и
t
U 7
аА101
aSTWf
UKTfDf
UKT10Z
UKT10Z
Рис. 7.3. Осциллограммы формирователя управляющих импульсов
правностью собственно тиристора. После устранения
дефектов проводится окончательная проверка схемы фази-
ровки.
Выключить автомат F1, после чего произвести
перекоммутацию на подводящих выводах автоматов F2
и F3 в соответствии с ранее полученными
результатами.
Регулировка блока опорных напряжений. Цель
операции— предварительно^ симметрирование СИФУ для
исключения возможности пропадания импульсов
управления тиристорами при работе двигателя на высоких
скоростях.
Окончательное симметрирование проводится при
работе обеих силовых групп по форме кривой
уравнительного тока. Включить автоматический выключатель F1.
С помощью вольтметра (осциллографа) измерить
напряжения в точках 17А, £, Б, Г, Д, Е относительно
точки 0. При напряжении сети £/с = 380±15 В выставить
с помощью потенциометров R101 (Rill, R121, R131,
R141, R151) значения напряжений [/=6,1—6,3 В.
Подключить закрытый вход осциллографа (вход по перемен-
~ной составляющей) к точкам 0,137 (0,138) и, установив
предел измерений на 50 мВ/см, добиться с помощью тех
же потенциометров того, чтобы кривая переменной
составляющей напряжения Un на экране осциллографа
соответствовала показанной на рис. 7.4.
Проверка работоспособности усилителей-регуляторов.
Цель операции — выявление неисправных микросхем.
12—894
177

Включить автоматический выключатель и кнопку «Пуск»
КнП. Проверить «нуль» датчика тока, установив
вольтметр на точки 0,120. С помощью потенциометра R506
установить напряжение на выходе датчика тока не более
0,25 В.
Подавая на точки 0, 91 ступенчатый задающий
сигнал t/3^2B и меняя его полярность,
проконтролировать изменение полярности сигналов на выходе каскадов
регуляторов в точках 155(А301), 177{А302)У 173(А303),
19(А601), 146{А701).
Рис. 7.4. Осциллограмма уравнительных токов до и после
подрегулировки
Регулировка минимального угла управления. Цель
операции — обеспечение надежного включения всех
тиристоров при работе на холостом ходу и максимальной
частоте вращения. Включить автоматический
выключатель F1 и нажать кнопку КнП. Подсоединив вход
осциллографа к точкам 0, 162 (выход нуль-органа А101) и
подав задающий сигнал, с помощью резисторов R411
(R415) установить длительность узкой части двухполяр-
ного выходного сигнала Vаю/ прямоугольной формы на
нуль-органе А101у равную 1—1,5 мс для каждой из
полярности задающего сигнала. Указанное время
соответствует углу, равному 18—27° (рис. 7.5). Аналогичные
операции провести с компараторами А111у A121t A131y
А141, А151.
Регулировка канала обратной связи по току. Цель —
повышение чувствительности и точности работы узла.
При работе преобразователя с двигателями, имеющими
номинальный ток менее 35 А, для увеличения
чувствительности и точности работы датчиков тока (диодов
Д501, Д502) целесообразно выполнить второй виток
в каждом из датчиков тока. Закончив перемонтаж,
включить F1 и КнП и с помощью резистора R506 установить
«нуль» в т. 120.
178

Предварительная регулировка узла токоограничения.
Цель операции — исключение толчков тока в процессе
отладки. Включить F1 и КнП, после этого с помощью
резистора R213 установить в т. 151(152) при
напряжении задания (/3=0 напряжение £/=2В. Этой уставке
будет соответствовать ток отсечки, не превышающий
двойной номинальный ток (10?с^21иом как далее будет
показано).
Рис. 7.5. Осциллограммы
на выходе
формирователя импульсов при углах
управления amin и атах
Наладка силовой части привода. Наладка силовой
части привода включает ряд процедур, определяющих
работоспособность силовых элементов схемы
(тиристоров, двигателя, реакторов, силового трансформатора)
и настройку элементов управления при работе привода
в режиме разомкнутой системы.
Симметрирование СИФУ по форме кривой тока. Цель
операции —проверка работоспособности силовой части
привода и устранение в кривой уравнительного тока
пульсаций частотой /=50 Гц. Включить шунты в каждую
из групп в цепи уравнительного тока. Разомкнуть
перемычку в т. 19 с выхода регулятора тока на вход СИФУ.
Точку 19 со стороны входа СИФУ соединить с точкой 0
(не путать с точкой 01 силовой схемы). Включить
автоматические выключатели Fl, F2 и F5. Нажать кнопку
КнП и по осциллографу контролировать форму кривой
уравнительного тока каждой из групп. Частота
пульсаций кривой тока должна быть 300 Гц, и кривая должна
иметь начально-непрерывный характер («площадку»
нулевого уровня). Характер кривой тока показан на рис.
7.6.
При «отрыве» кривой от нуля следует «подравнять»
пульсации опорных напряжения на новом, меньшем
уровне так, как это рекомендовано при регулировке блока
опорных напряжений. Если это не помогает, изменить
емкости конденсаторов С101—С151, увеличив их на 0,1 мкФ,
затем «подравнять» пульсации.
иА101
I
иглах
CCmirj
t
12*
179

Уравнительный ток при напряжении сети Uc =
= (380±15)В не должен превышать приведенных ниже
значений:
Ток якоря, А ... До 10 20 30 40 50 и выше
Уравнительный ток, А 2—3 3—4 3,5—4 4—5 5—7
При правильной настройке СИФУ двигатель не
должен вращаться.
Следует указать, что увеличение «площадок»
нулевого уровня в обоих случаях является результатом
сдвига по фазе опорного напряжения вправо относительно
'МалааАааЛ
0,02 с
Рис. 7.6. Осциллограмма кривой тока якоря двигателя после
симметрирования опорных напряжений
анодного напряжения на тиристорах, что ухудшает
динамические параметры привода в нижней части диапазона
регулирования скорости. Отсутствие «площадок» в
кривой тока приведет к появлению постоянной
составляющей тока через реакторы при работе двух групп; при
этом реакторы не будут ограничивать уравнительные
токи между группами, что приведет к короткому
замыканию в контуре уравнительных токов.
Отличие в амплитудах кривой тока приводит к
появлению пульсации частотой 50 Гц как в силовой части
привода, так и в управляющей, что помимо увеличения
потерь в двигателе и шума может привести к потере
управляемости, поэтому наряду с шириной «площадок»
следует контролировать равенство амплитуд пульсаций
тока.
Может оказаться, что частота кривой тока якоря не
равна 300 Гц. В этом случае, измеряя осциллографом
анодное напряжение на каждом из шести работающих
тиристоров одной из групп, можно обнаружить
неисправный: если тиристор не включается, то в кривой анодного
напряжения нет «площадки» нулевого уровня. Так как
180

наличие анодного напряжения и импульсов управления
на тиристоре проверялось при проведении фазировки
привода, то следует заменить неисправный тиристор.
После смены тиристора следует вновь проконтролировать
форму кривой тока.
Наладка привода при работе разомкнутой системы.
Цель наладки — проверка работоспособности силовой
части преобразователя, двигателя и тахогенератора,
а также СИФУ при регулировании скорости разомкнутой
системы в обе стороны. Разомкнуть перемычку в т. 19
и подсоединить ее со стороны СИФУ к задатчику
скорости. Отключить одну из групп (отсоединив т. 50 или
51), включить автоматические выключатели Fl, F2 и F3.
Перед нажатием кнопки КнП вывести задатчик
скорости в положение, соответствующее нулевому уровню
напряжения (вывести на нуль). Плавно меняя задающее
напряжение, проходят весь диапазон скоростей,
контролируя при этом уровень искрения под щетками
двигателя.
При номинальной частоте вращения для данного
двигателя измерить напряжение на якоре двигателя и
тахогенератора (£/я и UTr). Напряжение на якоре двигателя
должно быть на 5—10 % ниже номинального значения.
Напряжение на выходе тахогенератора, отнесенное к
частоте вращения, должно быть не ниже 30/1000В/(об/
/мин) для машин серии ПБВ. Аналогичные испытания
провести при работе с другой группой тиристоров.
Вывести задатчик скорости на нуль, отключить
выключатель Flt подсоединить обе группы тиристоров, затем F1
и нажать кнопку КнП. Проделать все операции,
указанные выше.
Выбор полярности обратной связи по скорости. Цель
операции — произвести переключения в схеме,
обеспечивающие отрицательную обратную связь по скорости.
Проводя наладку привода в разомкнутом режиме,
зафиксировать соотношение между полярностью сигнала
задатчика на входе СИФУ и направлением вращения
якоря двигателя. Выключив выключатели F2 и F3, и
выведя задатчик на нуль (отключив вообще), провернуть
вал двигателя в ту же сторону, что и ранее, и определить
полярность в т. 19, на выходе регулятора тока, которая
отключена от входа СИФУ. Если полярность сигнала
совпадает с полярностью задатчика на входе СИФУ, то
следует поменять полярность сигнала на выходе якоря
181

тахогенератора (точки 0 и 90) или двигателя (точки 01
и 52). После проведения указанной процедуры
произвести повторную проверку.
Выбор полярности обратной связи по току. Цель —
произвести переключения в схеме, обеспечивающие
отрицательную обратную связь по току. Застопорить
двигатель, отсоединить перемычку от т. 19 и включить задат-
чик скорости со стороны СИФУ. Включить в цепь
якоря двигателя амперметр постоянного тока. Вывести за-
датчик на нуль. Включить обе группы тиристоров,
замкнув точки 50 и 51. Включить автоматы-выключатели F1,
F2 и F3 и нажать КнП. Увеличивая сигнал,
поступающий от задатчика на СИФУ, следить за тем, чтобы ток
якоря не превысил номинального значения. При /я^/ном
определить полярность сигнала задатчика и полярность
сигнала в т. 19 со стороны регулятора тока. Если
полярность сигналов противоположны, то связь отрицательная,
если одинаковы — то положительная. В последнем
случае следует поменять местами точки 123 и 124 в блоке
обратной связи по току.
Выбор параметров регуляторов тока и скорости. Цель
операции — формирование переходных процессов
требуемой формы при возмущениях по управлению и нагрузке.
Метод выбора может носить как чисто
экспериментальный, так и расчетный характер.
2Гкспериментальное определение параметров
регуляторов методом подбора состоит в том, что сначала, при
заторможенном двигателе, подбирают параметры регулятора тока (РТ), после
чего при вращающемся двигателе подбираются параметры
регулятора скорости (PC).
Затормозить вал двигателя, включить в его якорную цепь
амперметр и шунт, разомкнуть перемычку в т. 156 и включить на вход
РТ (точки 0 и 156) задатчик напряжения, выведя его на нуль.
Включить Fl, F2, F3 и нажать кнопку КнП. Плавно увеличивая
задающее напряжение, добиться того, чтобы ток в якоре двигателя
не превышал номинального значения. Форму тока якоря
контролировать с помощью осциллографа по сигналу, снимаемому с
шунта.
Подавая сигналы ступенчатой формы на вход РТ и изменяя
параметры элементов коррекции С602, С603, С604 и R604, добиться
того, чтобы ток нарастал до установившегося значения за
минимальное время. Форсировке процесса соответствует уменьшение С и
увеличение R. Чрезмерная форсировка может привести к возникновению
182

автоколебаний, что находит свое проявление в виде резкого выброса
отдельных пульсов в осциллограмме кривой тока якоря.
Выключить привод, запаять найденные элементы РТ,
растормозить двигатель, соединить перемычку в т. 156 и подключить задатчик
напряжения на точки 0t 9L Подключить осциллограф к тахогене-
ратору, установить на выходе задатчика напряжение, равное £/3~
«1 В, после чего скачком снизить напряжение до нуля. Включить
привод и, задавая ступенчатые сигналы на точки 0, 91 (пуск, тормо-
Рис. 7.7. Структурная схема привода ЭТ6С
жение, реверс), подобрать такие значения элементов коррекции PC
С315, С316, С317 и R319, чтобы переходный процесс имел требуемую
форму. Проверить форму переходных процессов при разных
значениях скоростей, затем произвести реверс под нагрузкой на скорости
менее 1 об/мин. При необходимости заменить ранее выбранные
элементы PC.
Расчет параметров корректирующих элементов РТ и PC
проводится в соответствии со структурной схемой привода ЭТ6С,
показанной на рис. 7.7. В основе предварительного расчета лежат
заданное качество переходных процессов по управляющему и
возмущающему воздействию и априорный анализ параметров силовой части
привода. Уточненный расчет возможен после ряда экспериментальных
исследований устойчивой замкнутой системы. На структурной схеме
через
ТсР + 1
Тср
ГтР + 1
Ттр
1/Л>
ТэР+1 '
cM®'(Jp)
обозначены передаточные функции: ПИ-регуляторов скорости и тока,
тиристорного выпрямителя якорной цепи двигателя,
электромеханической постоянной времени, kc и kT —коэффициенты обратной
связи по скорости и току, kT=RT/RBx,j\ TT — CTRT\ kc = RclRBx,c] Tc —
= Сс#с; Re, #т, Со Ст —значения сопротивлений и емкостей
конденсаторов в цепях PC и РТ; #Вх,с, Явх.т — входные сопротивления
PC и РТ соответственно. Выбор параметров регуляторов произво-
183

дится по заданным показателям переходных процессов в
соответствии с табл. 7.2. Так, для т. 2 с относительным динамическим
отклонением АеМш и времени регулирования /рв„ при возмущающем
воздействии и Де , и *ру,— при управляющем необходимо задать
безразмерные коэффициенты /4=0,823, £ = 0,2 и С=0,7 [8].
Параметры РТ находятся из соотношений:
71т = 71э(°)р);
1 сор Тэ (сор)
«_' *во , ч L
тТ (СОр)
где о)р — расчетная полоса пропускания замкнутого привода,
которой соответствует сдвиг по фазе выходного сигнала относительно
входного на 90° при амплитуде входного сигнала 0,1 В; Тэ —
электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя.
Таблица 7.2
Расчетная
точка
1
2
3
4 '
5
Параметры
оптимальной настройки
А
0,583
0,823
1,Н
1,54
2
в | с
0,12
0,2
0,307
0,44
0,593
С,5
0,7
0,9
1,1
1,3
Показатель переходного процесса
по возмущающему
воздействию
Л*М* | 'Pi в*
1,66
1,34
1,09
0,92
0,79
9
6,25
4,5
3,5
3
по управляющему
воздействию
Л*У* 1 /Р. У*
0,05
0,05
0,1
0,15
| 0,2
6,5
3,5
2,5
2
1,5
При о)р=2я-40 с-1 уровень токоограничения не должен
превышать четырехкратного по отношению к номинальному, а при сор =
= 2я-50 с-1 — двукратного. Несоблюдение этих условий может
вызвать возникновение субгармонических низкочастотных
автоколебаний.
Пусть выбрана полоса пропускания сор=2я-20 с-1. По
заданному значению сэр и для заданного типа двигателя по кривым
рис. 7.8, предложенным в [8], находим значения Тъ и kB0/Ra, Как
будет показано далее, для машин серии ПБВ при сор = 2Я'20 с-1
значения kT лежат в пределах 0,5<&т<0,8. По заданным kT и Тэ
можно рассчитать значения RT и Ст.
Приближенный расчет параметров PC может быть проведен на
основе каталожных данных электродвигателя. Постоянная времени
184

PC рассчитывается по обобщенным параметрам и выбранной частоте
среза сор: ТС=АС/Вщ = 0,023 с для т. 2 и о)р = 2л-20 рад/с.
Коэффициент усиления пропорциональной части PC
/lAL.(rt
kc=-
<МфЬс
Как показала практика, в первом приближении можно принять
= 0,1 (два витка в датчике тока, 7?408= 120 кОм).
Учитывая, что
се Ф = £НомЛ»ном = 0»85(/НОМ 30/яяном;
kl=UJ^M =10-30Inn _
з' ном
20 И0
/0bJ
0 L 0
пвв-ти
-L-
//7
J0 Л Гц,
Рис. 7.8. Кривые зависимости
коэффициента передачи
силовой части привода kB0/R3
и электромагнитной постоянной
времени Та от частоты / для
разных типов двигателей
Щ
1я L
It
11
Г1
< .
м
_^
ч
ri
Рис. 7.9. Осциллограммы тока
двигателя и выходного
напряжения регулятора скорости,
необходимые для расчета
величины &т
С учетом того, что Л==0,823, С=0,7, о)р=2я-20 с"1 и £т =
=0,1 Ом-1,
*с = 1,93-10-»
Jn~
и*
По значениям Гс, Явх.с и kc могут быть рассчитаны значения
Rc и Сс. Уточненный расчет параметров PC и РТ возможен после
экспериментального определения значений величин &т, сеФ, kc.
Измерения можно производить как при изменении нагрузки
185

в статическом режиме, так и по осциллограммам пусков и
торможений на участках, где можно считать процесс установившимся (рис.
7.9). После проведения необходимых измерений расчет этих
параметров может быть произведен по формулам:
*;=д1/р>с/д/Я)
где A Up, с — приращение напряжения на выходе PC, В; А/я —
приращение тока, двигателя, соответствующее А£/Р)С в установившемся
режиме, А;
где (/х,х — напряжение на якоре двигателя при холостом ходе, В;
сох,х — угловая скорость при холостом ходе, рад/с;
где U3 — задающее напряжение, В; со — скорость, соответствующая
этому напряжению, рад/с. В качестве примера рассчитаем параметры
PC и РТ привода ЭТ6С с двигателем ПБВ-100М (Рном=0,75 кВт,
£/н=60В, А1ном=1000 об/мин, / = 0,01 кг-м2), трансформатором типа
ТСб (5 = 6 кВ-А; £/2ф=П0 В) и реактором типа PT2.
1. Приближенный расчет параметров PC и РТ для сор =
=2л>20 с-1. В соответствии с рис. 7.8 находим:
Тэ = 5 мс, £в0/#э = 18 Ом-1.
Задаваясь йт^ОД вычисляем параметры РТ:
#t = #bx,tV> #во4 = Яб02*т= 15-103.0,6 = 9-103 Ом;
Ст = TT/RT = Сб03 = ТУ #во4 = 5- Ю-3/9.10~3 = 0,56- 10~6 Ф.
Окончательно выбираем /?во4=9• 103 Ом; Сб05=0,5- 10_в Ф. По
заданным исходным значениям находим kc и параметры PC:
JnloM 0,01(1000)2
*с = 19,3.10-з-^= 19,3.Ю-3 ' К ' =3,2;
^ном Ь0
#с = kc #вх,с; #320 + #319 = kc (#зов + #30t) = 3,2 (2,4 + 2,4) =
= 15,3-103 Ом;
Cc = TJRC\ C315 = 23- Ю-з/15,3. Ю3 = 1,5-10-* Ф.
2. Уточненный расчет параметров PC и РТ. Условимся все
параметры данного расчета обозначать индексом «У» — уточненный.
а) Определение kc и сеФу. При работе двигателя на холостом
ходу с помощью изменения задающего напряжения (73,у установить
частоту вращения /ix,x,y=1000 об/мин, после чего измерить
напряжения иэ>у и Ua,Y: £/3,у=9,8 В; £/я,у=42 В. Тогда
k'cy = 9,8/104,7 = 0,0936 В.с;
се Фу = 42/104,7 = 0,401 В-с.
186

б) Определение &т,у. Соединив движок потенциометра R305
с общей точкой питания 0, произвести пуск на скорость 500 об/мин.
С помощью R312 установить в т. 156 напряжение 4 В, что
соответствует уровню токоограничения 57 А. Измерив AUVtC,y и А/я,у,
рассчитаем kT у определим &т,у, #т,у, Ст,у, &с,у, Re,у и Сс,у:
*;,у = А^/р.с.у/Д/я.у = 4/57 = °>0702 °м;
Л 1 Цр.уРэ.у _ 1 2я20» 10-3.5 ^
Т'У <,y(V«.)y С* 0^°702-18 °'7
#604=#602y ^т,у=10,8 кОм. Выбираем /?6о4у=Ю кОм.
Свозу = Тэтшу = 5-10-з/Ю. Юз = 0,5-10-вф;
^Ayk'Tiy(opy Jy ^Q,05y.l20 0,01 _
С,У Су (сеФ)уА;у 0.7 0,401-0,0936 ' '
(Язи + Лз2о)у = *с,у (Л3«1 + Л3ов)у = 2,78 (2,4 + 2,4) =
= 13,4 кОм;
Тс 23-Ю-3
С316У= (*з19 + *32о)у =1^7^з- = 1,77'10 6Ф'
Выбираем (#319+#з2о)у=13,6 кОм и C3i5y=l,75-10"6 Ф.
Настройка минимальной и номинальной скоростей.
Цель операции — устранить «ползучую» скорость при
задающем напряжении, равном нулю, и установить
соответствие между /У3=±10 В и номинальной
(максимальной) скоростью.
Включить выключатели F1,F2 и F3, дать нулевое
задающее напряжение и включить КнП. С помощью
потенциометра R324 добиться неподвижного положения вала
двигателя.
Плавно разгоняя привод, установить задающее
напряжение £/3= + Ю В (—10 В) и с помощью
потенциометра R302 добиться требуемой скорости двигателя.
Отладка токоограничения привода. Цель операции —
формирование кривой токоограничения IH—f(n)
требуемой формы. Включить в цепь якоря двигателя шунт.
Установить задатчик на вход привода. Включив
выключатель автоматического выключателя F1, установить с
помощью резистора R213 в т. 151 (152) напряжение отсечки
по току при пуске, равное £/ш= (З-т-4) /НОм&т.
Включив выключатели F2 и F3 и нажав кнопку КнП, с
помощью R305 добиться, чтобы, начиная с частоты вращения
п = 300 об/мин, стало бы уменьшаться напряжение /Уш.
187

Подключить вход осциллографа к шунту в якорной цепи
и задать ступенчатые сигналы, соответствующие п =
= 700—750 об/мин. С помощью резистора R208 получить
излом кривой динамического тока в требуемом месте,
что соответствует U\bo= 1,5—3 В. Задавая ступенчатые
сигналы, соответствующие максимальной частоте
вращения, оценить пусковой ток в начале и конце разгона
и сравнить с током, допустимым для двигателя (рис.
7.10). Одновременно необходимо контролировать уровень
искрения под щетками двигателя при пусках и реверсах.
На этом настройка привода заканчивается.
Рис. 7.10. Осциллограммы тока и скорости при пуске и торможении
двигателя при зависимом токоограничении
7.2. НАЛАДКА ПРИВОДА ЭТУ3601
Наладка привода ЭТУ3601 имеет много общего с
наладкой ЭТ6С, поэтому в дальнейшем процедуры,
аналогичные описанным ранее, будут изложены кратко.
Прежде чем приступить к наладке, следует ознакомиться
с паспортом на привод.
Подготовка привода к работе. Цель операции
—проверка внешнего вида и комплектности поставки;
подключение и монтаж согласно принципиальной схеме;
проверка исправности цепей якоря и обмотки возбуждения
двигателя, якоря тахогенератора омметром; проверка
функционирования тахогенератора. Принципиальная
схема управления приводом показана на рис. 7.11, а на рис.
188

7.12 приведена принципиальная схема основных узлов
привода. Отличие схемы рис. 7.11 от схемы, даваемой
в паспорте привода, состоит в том, что в нее для
облегчения процесса наладки введены два автоматических
выключателя: F1 и F7. Выключатель F1 подключает
силовую трехфазную сеть 380 В/50 Гц к первичной обмотке
силового трансформатора 75, а выключатель F7
подключает сеть к первичной обмотке трансформатора
управления 77. Напомним, что ко вторичной обмотке
трансформатора Т5 подключен автоматический выключатель
F6. Также как и ранее, условимся после проведения той
или иной процедуры настройки устранять все изменения
в схеме, носящие вспомогательный характер и приводить
все коммутационные аппараты в исходное состояние.
Наладки системы управления. Наладка системы
управления включает в себя такие процедуры, как
проверку напряжений питания, фазировку, проверку
функционирования регуляторов, предварительную установку
максимального начального и минимального углов, частичную
проверку устройства логики, проверку СИФУ, проверку
работы датчика проводимости вентилей, проверку
работы устройств защиты. При наладке системы управления
выключатель F6 выключен и включаются только
выключатели F1 и F7.
Проверка напряжений питания. Методика измерения
напряжения питания аналогична методике измерения,
применяемой для ЭТ6С. Напряжение на контрольных
точках 34, 43 платы Е1 (рис. 7.11) равна +12 В, в точках
34, 41—1-24 В. Стабилизированные напряжения в точках
34, 38 и 34, 40 равны —15 B+J5 % и +15 B+f5 %
соответственно. Величина пульсаций для обоих
напряжений не должна превышать 100 мВ.
Фазировка. Цель операции — установить
соответствие между синхронизирующими и анодными
напряжениями тиристоров. При отключенных F6 и F7 (включен
только F1) проверить порядок чередования фаз Л, В, С
на первичной обмотке трансформатора 75. При
необходимости произвести переключения, обеспечивающие
прямой порядок чередования фаз, затем следует убедиться
в соответствии фаз напряжений обмоток (фаза А
соответствует Л3, В—Вз и С—С3).
Проверка осуществляется измерением разности
фазных напряжений первичной и вторичной обмоток
трансформатора, причем вторичное фазное напряжение изме-
189

ряется непосредственно на выводах Л3, £з, Сз
преобразователя. Для измерений необходимо отсоединить
напряжение +15 В с вывода 20 (снять разрешение
включения привода), соединить общие точки первичной и
вторичной обмоток Т5, затем включить F1 и F6 и измерить
вольтметром напряжения UAaz, Ubbz, Уссз- При соответ-
Т
®1
•ы
_o-'vvv.0__<!>£—tzd-
Г
I .А«_
г4^-—^>
190

ствии фаз первичных и вторичных обмоток
трансформатора должно соблюдаться равенство Uaaz = Uoia—Uq2a^
При несоблюдении этого равенства необходимо с
помощью вольтметра для фазы первичной обмотки найти
соответствующую ей вторичную и провести соответствую-
АЗ ВЗ СЗ
\ V Ч OOOOOOOOUUUVJ
F64~VA «j Ь5 с3 xs ц Ьч ty х« а5 b5 c5xs
А
191

Рис. 7.11. Функциональная схема электропривода ЭТУ3601
щие переключения в силовой схеме. Аналогично
проверить соответствие фаз на первичной обмотке
трансформатора Т5 и на выводах преобразователя А\, В\, Си
питающих первичную обмотку трансформатора управления
77. При соответствии фаз вольтметр покажет нулевое
напряжение, при несоответствии [/=380 В.
192

Проверка функционирования регуляторов.
Подсоединить вольтметр постоянного тока (осциллограф) к
точкам 24, 34 платы El (выход нелинейного звена), дать
разрешение на включение привода (подать напряжение
+ 15 В на вывод 20). Включить автоматические
выключатели F1 и F7, подать задающее напряжение и
произвести реверс. Полярность напряжения 02лм должна
изменяться. Если этого не произойдет, то следует повторить
13-894 193

194

13*
195

SQ
5
X
о
о
25
X
А
*ч
ГО
К
с
К
sr
к
К
CU
с
(N
.
h*
Рис.
CD
СО
&
н
(Т>
го
ч
о
со
я
Он
е
CQ
о
с?
£0
X
ъ
к
1 дель
C4J
Юэ
196

эксперимент, установив измерительный прибор на выход
РТ (т. 74), а при необходимости на выход регулятора
скорости (т. 5) и на выход задатчика скорости (точки
21 и 22). Следует проверить возможность регулирования
задающего напряжения в пределах 0-г- ±10 В. Таким
образом, можно будет отыскать неисправность в прямом
канале от задатчика скорости до выхода нелинейного звена.
Предварительная установка максимального,
начального и минимального углов управления и частичная
проверка функционирования устройства логики.
Рекомендованная в паспорте методика установки минимального,
начального и максимального углов управления с
помощью сопротивлений /?5о, ^?4ь #49 базируется на
измерении углов управления по осциллограмме в точках 8ФИ,
34 платы Е1.
Для установки требуемого значения анач следует
произвести имитацию разрешения включения привода от
датчика проводимости вентилей ДПВ и, не давая
разрешения на включение привода, включить выключатели
F1 и F7. Благодаря срабатыванию реле /С, напряжение
в т. 28 на выходе управляющего органа, собранного на
микросхеме А5 и транзисторе V15, должно быть равно
нулю. С помощью R41 установить а„ач=120° (рис.
7.13, а). Далее дать разрешение на включение привода
и подать задающее напряжение. Контролировать
значение oimin, которое должно быть равно amm~5-M0°. При
необходимости коррекции угла amin надо изменить R50.
Для получения с помощью R49 значения ата*»150о
необходимо имитировать режим инвертирования. Для этого
достаточно включить F1 и F7. Дать разрешение на
включение привода, подать задающее напряжение и
убедиться в том, что есть импульсы управления на тиристорах
(т. 52).
Если импульсы отсутствуют, то кратковременно
закоротить базу транзистора V10 на общую точку 23, дать
сигнал от ДПВ. Убедившись в наличии импульсов,
произвести реверс задающего напряжения. Переключатель
характеристик ПХ останется в прежнем состоянии, и угол
управления станет равным amaxt что соответствует ин-
верторному режиму (рис. 7.13,6).
Указанный метод измерения носит косвенный
характер и пригоден для силовой схемы, собранной как на оп-
тотиристорах, так и на тиристорах. При применении
тиристоров возможен и непосредственный метод—измере-
197

ние угла между анодным напряжением и импульсом
управления. На один вход двухлучевого осциллографа
подать общую точку вторичной обмотки трансформатора
и одну из фаз. На другой вход — управляющий импульс
тиристора катодной группы, включенного на эту фазу
(например, анодное напряжение и02А2 и напряжение
управления С/7-8 тиристора V2). Необходимо, чтобы точки
02 и 8 двух напряжений были подсоединены к выводу
«земля» осциллографа.
*WH,3f J
и '
#4.<Л/,ЭК j
ДГнач
#о
[ 18L
Iе
I
_
1 -
\
a
« arj
ii ii _
1—i i—11-
.П.*Я7^П *> n *
11- 11 П _
атах t
h* *н
^ni—ii—ii—r
S) t
U
st
T "ll\
t
^Aw
X /' X ".
\
Ктах
nil Ш
1!^^^ /^\n r
\У » '
Рис. 7.13. Осциллограммы
напряжений импульсов
управления на формирователе
импульсов и на тиристоре
при различных углах управ-'
ления
Включить выключатели F1 и F7 и произвести
измерения углов управления в последовательности,
указанной выше. На рис. 7.13, б приведены осциллограммы
напряжения управления иу,э-к, соответствующие углам
управления a,min, анач и атах при анодном напряжении ид.
Следует учитывать, что значения этих углов отсчитыва-
ются от точки естественного зажигания, которой в
данном случае соответствует угол ао=30°. Возможен и
другой метод установки углов. Дать разрешение на
включение привода от датчика проводимости вентилей ДПВ,
подключить вольтметр (осциллограф) к точкам 28, 34
платы Е1 (выход управляющего органа), включить F1
и F7. При задающем напряжении £У3^0,5 В с помощью
R41 платы Е1 установить £/28,34=—(0,5-М) В.
Произвести реверс задающего напряжения. Если
стрелка вольтметра, отклонившись, вернется на прежнее
198

место, значит, устройство логики У Л осуществляет
работу переключателя характеристик должным образом.
Снять разрешение на включение привода. Напряжение
управляющего органа должно стать равным £/28,з4~
»—7 В. При имитации режима инвертирования по
методике, изложенной выше, напряжение на выходе
управляющего органа должно быть [728,з4~8 В. Проведенная
настройка носит предварительный характер,
окончательно значения этих углов выбираются при настройке
замкнутого привода.
Проверка СИФУ. Цель операции — определение
работоспособности СИФУ и симметрирование
пилообразных напряжений. С помощью осциллографа проверяют
наличие импульсов управления на тиристорах одной из
групп, их смещение при установке задатчика скорости
в нейтральное положение и исчезновение при реверсе
задающего напряжения. Наличие импульсов только в
одной из групп тиристоров для каждой полярности
задающего сигнала свидетельствует о правильности работы
узла логики УЛ.
При работе разомкнутого привода может оказаться,
что в кривой тока якоря двигателя будет составляющая
частотой 50 Гц. В этом случае целесообразно провести
симметрирование пилообразных напряжений в два этапа:
без включения силовой сети и с включением.
Симметрирование пилообразных напряжений без включения
силовой цепи имеет предварительный характер и
осуществляется следующим образом.
Базу транзистора V10 соединяют с общей точкой,
осциллограф подключают к точкам ЗФИ, 34 платы Е1,
включают F1 и F7, дают разрешение на включение
привода и устанавливают задающее напряжение. При этом
на выходе управляющего органа появляется напряжение,
соответствующее а,тт. С помощью сопротивления R1
в узле СИФУ выравнивают значения ат/я в различных
каналах в соответствии с осциллограммой (рис. 7.14),
затем осциллограф подключают к т. ЗФИ, 34 и с помощью
сопротивления R11 устанавливают одинаковый наклон
кривых пилообразного напряжения. Амплитуда должна
быть не менее 8 В. Окончательная настройка СИФУ
производится по симметрии кривой тока при работе
привода в разомкнутом режиме.
При осуществлении реверса следует проверить время
выдержки устройства логики УЛ, для чего следует под-
199

ключить осциллограф к точкам 20, 23 платы Е2. Пауза
должна быть не менее 0,5—1 мс (рис. 7.15). При
необходимости изменения времени паузы следует заменить
конденсатор С8 на плате Е2.
Проверка работы датчика проводимости вентилей.
Цель операции — проверка симметрии выходного
напряжения ДПВ и оценка крутизны фронтов. Подключить
осциллограф к точкам 13, 23 платы Е2, включить
выключатели Fly F6 и F7 и не, давая разрешение на включение
привода, проконтролировать осциллограмму напряжения
£Лз,2з. Амплитуды шести прямоугольных импульсов дол-
kkkkH
0,01с —ц
azwk
0,5-1 м с
Рис. 7.14. Осциллограмма
пилообразных напряжений в
точках ЗФИ, 34
Рис. 7.15. Осциллограмма в
точках 23, 20, иллюстрирующая
выдержку времени при реверсе
жны быть примерно одинаковыми и составлять около
12 В, крутизна фронта — около 0,1 В/мкс и сдвиг по
фазе относительно друг друга 60°,что соответствует
времени 3,3 мс (рис. 7.16, а). Отсутствие хотя бы одного из
импульсов свидетельствует о неисправности либо опто-
пары ДПВ, либо тиристоров. При несимметрии
импульсов по фазе можно произвести подстройку с помощью
изменения сопротивлений резисторов R6—R11. При
наличии пологих фронтов (рис. 7.16,6) следует сменить
соответствующую оптопару. Несоблюдение указанных
условий может привести к сбою в работе узла логики УЛ.
Проверка работы устройства защиты. Цель
операции — настройка максимальной токовой защиты и
защиты от перегрузки. Указанным видом защит уделяется
первоочередное внимание по той причине, что их
исправность определяет работоспособность привода. Защита о г
«ползучей» скорости косвенно проверяется при
регулировке узлов управления. Так, при установке анач
проверялось равенство нулю напряжения на выходе
управляющего органа при отключении задатчика частоты
вращения. Защита же от пониженного напряжения, как правило,
очень редко выходит из строя и в настройке не
нуждается.
200

Оба вида токовой защиты настраиваются путем
подачи напряжения от постороннего источника на точки 45,
46 платы Е1 (выход датчика тока ДТ на рис. 7.11). При
настройке максимальной токовой защиты
кратковременно подается напряжение, которое должно
соответствовать (/45 4б=йд,т [(5-т-6)/ном], причем коэффициент йд,т
равен: 0,042 В/А при /НОм<40 А; 0,021 В/А при /ном<
<100 А; 0,015 В/А при /НОм<200 А.
САШ
12В
игз,гз к
пппппп
3,3tlC
ПК
fOOмне.
*;
б)
Рис. 7.16. Осциллограммы выходного напряжения датчика
проводимости вентилей
Если защита не срабатывает, следует произвести
настройку с помощью изменения сопротивления R60 (см.
рис. 7.11). При настройке защиты от перегрузки
напряжение £/45,46 должно быть равно: £745,4б=&д,т (1,1-М,2)/НОм.
С помощью R72 добиться того, чтобы начиная с этого
значения напряжения конденсатор С23^ установленный в
цепи обратной связи микросхемы А6, начинал
перезаряжаться с минуса на плюс и защита срабатывала.
Наладка силовой части привода. Наладка силовой
части привода включает такие процедуры, как
симметрирование СИФУ, настройка замкнутого регулируемого
привода и отладка токоограничения.
Симметрирование СИФУ. Цель операции— добиться
одинаковой амплитуды импульсов тока с помощью
симметрирования СИФУ. Подключить осциллограф к шунту
в якорной цепи двигателя, отключить одну из тиристор-
ных групп, установить движки потенциометров R17, R33
и R16 на нуль, разорвать перемычку в т. 74 платы £/,
подключить задатчик напряжения в т. 74 со стороны
нелинейного звена. Вывести задатчик на нуль, включить
автоматические выключатели Fl, F6, F7 и дать
разрешение на включение привода. Задавая частоту вращения
л^0,3 Пном, и контролируя осциллографом форму тока,
с помощью сопротивлений на панели СИФУ доблваются
201

равенства амплитуд импульсов тока, после этого
проходят весь диапазон скоростей, контролируя форму тока
якоря двигателя, форму кривой выходного напряжения
тахогенератора и процесс коммутации под щетками
двигателя. Амплитуды пульсаций тока якоря должны
отличаться не более чем на 20—30%, в кривой выходного
напряжения тахогенератора должны отсутствовать про-
Рис. 7.17. Осциллограмма
выходного напряжения
регулятора скорости
**и
1
1 *■■
h
к К к N к 1\ г
JS,3nc *
Рис. 7.18. Осциллограмма начального тока якоря двигателя
Рис. 7.19. Осциллограмма тока якоря при оптимальной настройке
валы и оборотные пульсации более 10 % среднего
напряжения при отсутствии колебаний в кривой тока.
Коммутация под щетками должна быть темная. После
окончания опыта произвести аналогичные измерения при
включении другой группы тиристоров.
Настройка замкнутого регулируемого привода. Цель
операции — выбор элементов коррекции РТ и PC, выбор
сигнала функционального преобразователя ФПЕ,
настройка начального угла для обеспечения требуемой формы
переходных процессов. Экспериментальный метод наст-
202

ройки привода состоит в последовательной процедуре
настройки РТ, а затем PC.
До включения привода необходимо разорвать цепь
обратной связи PC, подключить на вход привода
генератор прямоугольных сигналов и подать на вход
осциллографа сигнал с выхода регулятора скорости (т. 5) (рис.
7.17).
Включить F1 и F7, дать разрешение на включение
привода, затем подать на вход привода с частотой
несколько единиц герца сигнал такой амплитуды, чтобы на
Рис. 7.20. Оптимальный вид кривых переходного процесса пуска
и торможения
осциллографе был прямоугольный сигнал. С помощью
потенциометров R17 и R33 довести до минимума
выходные сигналы на РТ и PC. Повернуть движок
потенциометра R41 против часовой стрелки до упора
(соответствует увеличению начального угла анач).Снять
разрешение включения привода, включить F6 и вновь дать
разрешение на включение. Контролируя осциллографом
форму тока на шунте, вращать движок R4 до появления
начального тока (рис. 7.18).
Вывести движок потенциометра R33 до упора,
повернув его по часовой стрелке. Вращая движок R17,
добиться предельно-непрерывной формы тока нагрузки (рис.
7.19) (ток не должен превышать номинального значения).
Подбирая номинальные значения элементов коррекции
РТ С7 и R22 добиваются того, чтобы форма тока
приближалась к прямоугольной и в кривой тока не было
перерегулирований. Установить С4 и R10 в цепи обратной
связи PC. С помощью R17 задать требуемую кратность
пускового тока, а с помощью R33 устранить возможные
первоначальные выбросы в кривой тока. Изменяем
сигнал на входе ФПЕ с помощью R16 и добиваемся прямо-
203

угольной формы токовой диаграммы (рис. 7.20).
Недостаточный уровень сигнала может быть причиной
низкочастотных колебаний и уменьшения крутизны заднего
фронта, избыточный — причиной высокочастотных
колебаний и уменьшения крутизны переднего фронта.
Параметры PC и РТ могут быть определены и
расчетным путем в соответствии с методикой, изложенной
в § 7.1. Однако в этом случае величина kBo/Rs должна
быть определена с учетом характеристики нелинейного
звена. Эта характеристика
может быть получена
следующим образом. При
заторможенном вале
электродвигателя отпаять резистор R34
с выхода РТ в контрольной
т. 74 платы £7, затем подать
на вход нелинейного звена
через резистор R34
напряжение от регулируемого за-
датчика. Плавно меняя
входное напряжение задатчика,
снять зависимость /я =
=/(^р,т). Ток якоря должен
изменяться до значений /я^
^1,5/ном. Подбором
сопротивлений R35 и R36 приблизить указанную зависимость
к линейной. Как показала практика, ввиду существенной
нелинейности характеристики /я=/({/Р|Т) наилучшие
результаты настройки дало значение kB0JRBf
соответствующее току /я=(0,6Ч-0,7)/ном. Дальнейший расчет
параметров элементов коррекции РТ и PC проводится в
соответствии с ране$ приведенной методикой.
Отладка токоограничения привода. Цель операции—
формирование кривой токоограничения требуемой
формы. В отличие от привода ЭТ6С, для которого кривая
токоограничения аппроксимируется тремя ломаными
линиями, в ЭТУ3601 она заменяется двумя (рис. 7.21).
Уровень токоограничения, соответствующий наибольшему
току, устанавливается с помощью резистора R6,
минимальный уровень токоограничения — с помощью резистора
R5, а наклон характеристики — R3. Сопротивления
резисторов, кОм, могут быть рассчитаны по формулам:
и 10(/тг>ном (п2 — пг) в
3 ^д,т0,84(1 + 0,1/?6)%ом(/1~/2) ;
Рис. 7.21. Кривая
токоограничения,
ная в приводе
зависимого
реализован-
204

n = (^,T0,84/2 —0,6)-0,1-^6 + 0,6 #
5 0,l(/n —(Агдд.0,84/2 —0,6)(0,01/?e+ 0,1) ;
R6 Ш±- 10,
Лд,т-0,84 f/, + ^—-^Л — 0, >
где f/Tr,HoM — номинальное напряжение тахогенератора;
Ль П2У /ь ^2 — координаты характеристики токоограни-
чения; Un — напряжение источника стабилизированного
напряжения, —15 В; пном — номинальное значение
частоты вращения двигателя.
7.3. НАСТРОЙКА СЛЕДЯЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Современные следящие электроприводы подачи
постоянного тока имеют как двухконтурную, так и трехкон-
турную структуру, причем преимущественное развитие
получают трехконтурные структуры. Настройка
следящих приводов (выбор параметров корректирующих
устройств) проводится в два этапа: сначала настраивается
регулируемый привод, а затем собственно следящий. При
качественном выполнении механизма подачи станка
(высокая жесткость передачи и минимальное значение
люфтов от двигателя до датчика положения)
статические и динамические параметры следящего привода
зависят главным образом от свойств регулируемого
привода.
Процесс настройки регулируемого привода сложнее,
чем следящего. Последнее объясняется необходимостью
выбора параметров ПИ-регуляторов контуров тока и
скорости, в то время- как в следящем — только П-регулято-
ра контура положения. Рассмотрим процесс настройки
двухконтурного регулируемого привода.
Предлагаемая ниже методика настройки дает
возможность в производственных условиях (минимум
аппаратуры, исследовательских процедур и исходных
данных об элементах привода) реализовать систему с
удовлетворительными статическими и динамическими
характеристиками. В основе предлагаемой методики настройки
лежат идеи, изложенные в [9]. В соответствии со
структурой регулируемого привода, показанной на рис. 7.8,
передаточная функция замкнутого контура тока при 7Т =
205

W3(p) =
Mk'
1 +
\lkx
(7.1)
Передаточная функция разомкнутого контура скорости
kc %Фу 1 + ткР _ kck 1+тсР
Wc(p) =
Тс JkT Р2{1+Т'эр) Тс р»(1+т;р)#
где k =
смфк'с
Jki
Т9 =
kTkTkJRg
(7.2)
Рис. 7.22. Логарифмические амплитудно-частотные характеристики
регулируемого привода
Соответствующая Wc(p) ЛАЧХ показана на рис. 7.22
в виде кривой Аи Ви Си D\. Низкочастотная часть ха-
рактеристики имеет наклон — 40 дБ/дек и асимптоту
Фн3381/ ^~kt изломы в точках В{ и Сх обусловлены
постоянными Тс и Тэ соответственно, а частота среза
СОСр — кс к.
(7 3)
Достоинство принятой структуры состоит в том, что
206

при подобном представлении возможно
экспериментальное измерение kB0/R3 и Тэ путем снятия ЛАЧХ цепи вход
тиристорного преобразователя — ток якоря двигателя,
что и было выполнено для широкой гаммы
исполнительных двигателей постоянного тока, предназначенных для
работы в составе комплектного электропривода ЭТ6С
[9]. Оптимизация динамических свойств привода с
учетом указанных данных никаких затруднений не
вызывает [8].
Применение этой методики в производственных
условиях при настройке приводов с другими параметрами
силовой части и СИФУ затруднительно ввиду отсутствия
точных данных о таких величинах, как &во, Rs и др.
Большой объем экспериментальных исследований и
необходимость специальной аппаратуры затрудняют
возможность измерения этих параметров.
Предлагаемая методика настройки позволит
исключить громоздкие исследования, рекомендованные в [9].
Следует указать, что качество синтезированной системы
будет хуже в силу целого ряда допущений, принятых для
упрощения процесса настройки.
Алгоритм упрощенной настройки:
1) путем определенного выбора параметров ПИ-регу-
ляторов тока и скорости заведомо обеспечить
устойчивость системы;
2) меняя параметры ПИ-регулятора токового контура,
уменьшить эквивалентную постоянную времени токового
контура до предельно возможного значения;
3) изменяя в определенной последовательности
параметры ПИ-регулятора скорости, добиться требуемых
динамических свойств привода в целом.
Начало настройки состоит в обеспечении
устойчивости системы при сколь угодно малом быстродействии.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
1) обеспечить устойчивость внутреннего (токового)
контура;
2) для ЛАЧХ разомкнутого скоростного контура
увеличить протяженность участка с наклоном —20 дБ/дек
и добиться того, чтобы частота среза была либо на этом
участке, либо вблизи него.
Для решения первой задачи необходима
приближенная оценка значений величин £в0, R3 и kT. Это
достигается путем измерения UVi /я и 0Т при подаче на вход
СИФУ сигнала от постороннего источника питания.
207

Таблица 7.3
Параметр
Мном>
Н-М
ЛНОМ i
об/мин
/ном> А
J, кг • м2
7„
10~3 с
АВ()/^Э >
Ом-1
СМФ,
Н-м/А
С, а
kT, Ом
Л, 1/с
#пр
ПБВ100
М | L
7,16
1000
18
0,01
5,3
18,0
0,40
0,1
0,110
36,4
2
10,5
1000
24
0,013
5,75
20,0
0,44
0,1
0,083
40,7
1,66
ПБВ112
S | М | L
14
750
31,5
0,035
6,75
—
0,44
0,13
0,063
25,9
—
17,5
600
29
0,042
7,3
—
0,60
0,17
0,069
35,2
-_
21
500
28
0,049
7,65
18,0
0,75
0,2
0,071
43,1
13,6
ПБВ132
М
35
600
50
0,188
7,35
—
0,7
0,17
0,040
15,8
L
47,7
600
50
0,236
7,85
34,0
0,95
0,17
0,040
17
13,5
ПБВ160
М | L
76,4
500
78,5
0,242
10,63
—
0,97
0,2
0,025
32
105
500
90
0,298
11,8
—
1,17
0,2
0,022
36
Как показано в [9], влияние нелинейности и
дискретности преобразователя не будет сказываться при
частотах, меньших сор = 2я30«200 с-1, чему соответствует
постоянная времени Гр = 0,005 с. Как следует из табл. 7.3,
в которой приведены номинальные параметры
двигателей серии ПБВ и параметры, полученные
экспериментально [9], 0,005<Гэ(сорХ0,01 с"1. Так как Гэ(сорХГр,
можно задаться ТЭ = ТЭ = ТТ. По приближенно
измеренному коэффициенту kT рассчитываются йт, RT и Ст.
Для решения второй задачи положим Гс=10 Тэ.
Однако система может иметь малый запас устойчивости
из-за того, что частота среза будет находиться на
участке ЛАЧХ с наклоном 40 дБ/дек (рис. 7.22). При этом
возможны два варианта: частота среза находится на
низкочастотной асимптоте (кривая Л6В6С60в) либо на
высокочастотной (кривая A5B5C5D5). В первом случае
практически возможно возникновение низкочастотных
колебаний, во втором высокочастотных. Для исключения этих
явлений желательно, чтобы частота среза лежала на
середине участка с наклоном ЛАЧХ—20 дБ/дек, чему со-'
208

ответствует условие а)ср/о)с = о)э/а)ср или соСр= yl/T'9Tc.
С учетом последнего равенства и равенства (7.3)
определим &с, что позволит рассчитать Сс и Rc в
соответствии с выражением
и. _ Уитэтс
Оценим значения параметров регуляторов для приводов ЭТ6С
с исполнительными двигателями серии ПБВ. Коэффициент усиления
токовой обратной связи &т выбран из условий работы усилителей
при максимальных выходных сигналах, но в линейной зоне, а также
из условий обеспечения требуемой кратности пускового тока. Так,
ограничивая зону линейности усилителя максимальным значением
10 В и желая получить пусковой ток /ц=5/НОм, выбирают W—
= 2//ном. Как следует из табл. 7.3, значения Тэ и &Пр лежат в
пределах 0,005<ГЭ<0,01; 1,3<&пР<2. В соответствии с табличными
данными для 0,005<ГЭ<0,01 и 1,3<&пР<2 при tfex^lS кОм имеем:
0,5<&т<0,8; 0,75 кОм<#т<12 кОм; 0,5 мкФ<Ст<1,5 мкФ. С
учетом (7.2) для Т'Э=Т9 и Гс^ЮГэ при 17<&<43,1 получаем:
0,68<&с<4; 3,0 кОм</?с<20 кОм; 2,5 мкФ<Сс<15 мФ.
Для других типов преобразователей и двигателей
расчет регуляторов следует вести с учетом конкретных
параметров силовой цепи привода. Ясно, что наибольшую
трудность представляет оценка величин Тэ и kB0/RDy так
как параметры МНОм, яНОм, 'ном и / заданы в паспорте на
двигатель, а смФ, k\ и k легко могут быть рассчитаны.
Однако погрешность, вносимая при измерении kB0/R3
в статическом режиме в процессе настройки токового
контура и допущение, что Гэ« 0,005 с, не приведут к
потере устойчивости привода. И, наконец, при
настройке привода на станке следует учесть маховые массы
механизма, соответственно скорректировав
значение /.
Обеспечив устойчивость системы, произведем
настройку регулятора контура тока при неизменных параметрах
регулятора контура скорости. Пусть ЛАЧХ исходной
устойчивости системы имеет вид кривой A\B{C\D\.
Считая исходное значение Тэ равным 5—10 мс, будем
менять параметры РТ таким образом, чтобы сохранялось
равенство TT = CTRT = T3 = const, но сопротивление RT
увеличивалось, а Ст уменьшалось. Указанной процедуре
соответствует превращение кривой ЛАЧХ AiBiCiDi
14-894
209

в кривую AlBlC2D2 за счет уменьшения Гэ, вызванного
ростом kT.
Увеличение сопротивления RT проводится до тех пор,
пока не возникнут высокочастотные колебания из-за
потери устойчивости в- контуре тока. Затем Rr
уменьшается на 10—20 % и настройка контура тока заканчивается.
Следующий этап — настройка PC. Сначала
увеличивают Rc до тех пор, пока система не потеряет
устойчивость, затем RK уменьшают на 20—30%. Увеличение Rc
ведет только к увеличению Гс, причем низкочастотная
асимптота ЛАЧХ остается неизменной:
f Тс V Сс авх.с
Увеличению Тс соответствует деформация кривой
ЛАЧХ из A\B\C2D2 в АхВъСъОъ. Далее, уменьшая Сс,
уменьшаем Тс и о)н. ЛАЧХ превращается из кривой
Л,ВзС30з вЛ4В4СзОз.
На этом процессе настройка регулируемого привода
заканчивается. Качество привода проверяется по реакции
привода на ступенчатые сигналы управления на разных
скоростях (пуски, торможения, реверсы). Кроме того,
проверяется реакция привода на возмущения по
нагрузке на малых скоростях. По результатам проверок
возможна корректировка параметров регуляторов.
В качестве иллюстрации наиболее сложного момента настройки
рассмотрим пример расчета элементов корректирующих устройств,
обеспечивающих заведомо устойчивый переходный процесс в приводе
ЭТ6С с двигателем ПБВ100.
Паспортные данные двигателя ПБВ100: МНом=10,5 Н-м;
Яном=Ю00 об/мин; /вон-24 А; /=0,013 кг-м2.
Расчет параметров РТ: Гэ«5« Ю-3 с, зададимся &т=0,5, тогда
для Явх.т^б кОм /?!= 15-0,5=7,5 кОм; Ст=0,67 мк4>. Принимаем
Ст=0,6 мкФ. Это соответствует стандартным значениям емкостей
конденсаторов 0,5+0,1 мкФ.
Расчет параметров PC:
Т = 107\ = 50--10-3 с;
с э
л== СмФкс _ ^ном^з//ном%ом_40 7 с_ь
JkT 2///ном
fec= . -1,55.
k
210

При /?вх,с==4,8 кОм
Re = Явх,с *с = 7,5 кОм; Сс = Tc/Rc = 6,7 мкФ.
Принимаем Сс = 6,5 мкФ, что соответствует стандартным
значениям емкостей конденсаторов: 0,5+1 + 5 мкФ.
При выбранных параметрах коррекции частота среза равна
63 с"1, система будет иметь запас по фазе около 60°.
Если в процессе наладки возникнут высокочастотные колебания,
причины появления которых анализировались ранее, то следует
уменьшить сопротивление RT и увеличить емкость Ст в цепи охвата
РТ таким образом, чтобы их произведение осталось неизменным
и равным Тэ. При низкочастотных колебаниях следует увеличивать
сопротивление Rc в цепи охвата PC.
Процесс наладки двигателя, имеющего
электромагнитное возбуждение, может быть существенно упрощен [4].
При отключенной обмотке возбуждения предварительно
заторможенного двигателя и П-регулятора в контуре
тока (конденсатор Сс сначала закорачивается)
ограничивается выходное напряжение так, чтобы выполнялось
неравенство /я<2/я,ном.
Установив &т = 0,1 (/?Т=Ю кОм, #ВХ|Т = Ю0 кОм)
и Ст = 5 мкФ, увеличить RT до тех пор, пока не начнутся
колебания в кривой тока, затем RT на 20 % уменьшить.
Далее рекомендуется уменьшать Ст по мере
возможности. Оптимальным считается такой переходный процесс
по току, при котором время нарастания до
установившегося значения составляет 3,5 мс для реверсивной
мостовой схемы при совместном управлении. Настройку
регулятора скорости рекомендуется начинать при &с=1
и Гс = 500 мс.
Далее в [4] рассмотрены два возможных случая,
возникающие при увеличении kz с 1 до 50—200:
1) при возникновении колебаний частотой 10 Гц и
выше рекомендуется уменьшить kQ\
2) при возникновении колебаний частотой 1—2 Гц
следует увеличивать kc до тех пор, пока амплитуда
колебаний существенно уменьшится, затем увеличить Тс
путем увеличения Сс.
Предложенная методика настройки может быть
рекомендована для любого типа регулируемого
электропривода, имеющего ПИ-регуляторы в контурах тока и
скорости. Следует заметить, что реальная методика
настройки может оказаться несколько более сложной из-за
наличия различного рода нелинейностей в приводе.
14*
211

Рассмотрим процесс настройки регулятора положения
следящего привода. В отличие от регулируемого привода
процесс настройки следящего привода чрезвычайно прост,
так как все следящие приводы станков с ЧПУ имеют
П-регулятор в контуре пути и поэтому настройка
сводится к выбору добротности. Однако наличие внешнего
следящего контура предъявляет ряд специфических
требований к внутреннему контуру — регулируемому приводу.
Ниже приведен ряд рекомендаций и даны расчеты, не
претендующие на теоретическую строгость, но
позволяющие с инженерной точностью выбрать необходимую
добротность в зависимости от требований к станку.
Обычно добротность kv выбирается
экспериментальным путем, однако при этом необходимо учитывать
следующие ограничения:
1) собственная частота механической части привода
Омех, полоса пропускания регулируемого (скоростного)
привода соек и добротность должны быть связаны
соотношением (оМех/о)ск^о)ск/^и:=Зч-5 и более;
2) добротность не должна превышать 30—40 с"1 для
преобразователей по схеме трехфазного управляемого
выпрямителя, 60—90 с"1 для шестифазного и 150—200 с-1
для широтно-импульсных преобразователей;
3) добротность желательна не менее 16 от1 и
одинакова для всех формообразующих следящих приводов
станка. Последнее условие диктуется необходимостью
получения допустимой контурной погрешности при
обработке детали.
Сложность настройки состоит в том, что при
указанной добротности часто невозможно реализовать
монотонный процесс торможения (разгона) в режиме
позиционирования, поэтому в современных системах ЧПУ
заложены алгоритмы, позволяющие изменять добротность в
зависимости от заданной скорости.
Выберем основные параметры контура пути. Найдем
постоянную времени следящего привода, мс:
Гш = 0,0105^--,
где ТМ1 — постоянная времени привода, мс; п — частота
вращения, об/мин; Mi — момент, Н-м; /' — приведенный
момент инерции, кг-м2; ц — КПД передачи.
Допустимый момент принимается в соответствии
с паспортными данными электродвигателя, причем счи-
212

тается неизменным в процессе разгона. Ускорение при
выходе на ускоренный ход, м/с2:
а= 16,67-^-.
MVI1
В зависимости от назначения станков и параметров
его механической части допустимые ускорения
ограничиваются тем или иным значением. Так в [10] указано,
что в современных станках с ЧПУ нормальной точности
максимальное допустимое ускорение ад лежит в
пределах 0,8—1,5 м/с2; в станках высокой точности 0,2—
0,4 м/с2, что определяется возможностью формирования
процесса торможения с ускоренного хода без
перерегулирования.
Сравнивая рассчитанное ускорение ах с допустимым,
оценивают уровень выбранного токоограничения
(момента разгона Mi) и корректируют в зависимости от
требований к станку и возможностей двигателя. Наряду
с постоянной времени Тмь характеризующей темп
разгона (токоограничение), в [10] вводится еще одна
постоянная времени TM2l характеризующая поведение
следящего привода при аппроксимации передаточной функции
его замкнутого контура №3,сл апериодическим звеном:
1 + ТМ2 р
где ТМ2 — постоянная времени, мс, TM2=l000/kv.
Несложно показать, что для линейно-нарастающего
входного сигнала (скачка скорости), являющегося
одним из типовых режимов работы следящего привода
подачи станка с ЧПУ, в следящей системе первого порядка
скорость двигателя будет нарастать по
экспоненциальному закону с постоянной бремени Тм2. Так как
ускорение двигателя при пуске (торможении) зависит только
от заданной скорости и постоянной времени, то возможно
решение обратной задачи: расчет максимального
ускоренного хода Vmax, м/мин, по заданным значениям
постоянной ТМ2 и допустимого ускорения ад:
1/ = г ад
шах м216,67*
На рис. 7.23 приведены графики зависимости
предельных скоростей от добротности kv при выборе в качестве
параметра ускорения а. Пользуясь этим графиком, мож-
213

6 д 10 IZ If 16 18 20 ZZKv.e"1
Рис. 7.23. Зависимость
предельной скорости v от добротности
kv при разных значениях
ускорения а
но указать предельное
значение рабочей подачи,
выбранное из условий &<,=
= 16 с-1, и добротность,
позволяющую работать без
перерегулирований при
заданной СКОРОСТИ Vmax. KpO-
ме того, можно указать
закон изменения добротности
в функции скорости при
движении с постоянным
ускорением, что наиболее
целесообразно для привода
подачи.
Проиллюстрируем сказанное
примером. Пусть для заданной
точности станка допустимое
ускорение 1 м/с2. Это означает, что для
минимально допустимой
добротности на рабочих подачах kv=\6с-1
наибольшая скорость рабочего хода равна 3,75 м/мин (точка Л на
рис. 7.23), а добротность, которой соответствует скорость 10 м/мин,
должна быть не более 6 с-1 (т.В). Как следует из рассмотренного
примера, в процессе разгона следует либо формировать кривую
задания скорости v=f(t) для уменьшения ускорения при работе с
постоянной добротностью &t,= 16 с-1, либо с помощью системы ЧПУ
отрезками прямых аппроксимировать гиперболическую зависимость
kv=f(v)f что и реализуется в современных станках с ЧПУ
отечественного и зарубежного производства. Если при этом выполняется
неравенство Тт>Тм2, то ток двигателя не будет достигать уровня,
равного токоограничению.
Таким образом, методика настройки следящих
приводов подачи сводится к следующему:
1) для каждой из координат станка в зависимости от
кратности пускового момента, приведенного момента
инерции и ускоренного хода определяются постоянная
времени Тми и ускорение аи которое сравнивается с
допустимым ад. При необходимости снижается пусковой
момент Ми
2) в зависимости от качества переходного процесса
подбирается добротность на каждой из координат, затем
устанавливается одинаковое значение, наименьшее из
всех (но не менее 16 с-1);
214

3) для полученной добротности определяется ГМ2
и сравнивается с Гмь
4) по добротности kv и допустимому ускорению ад
поверяются диапазон рабочих ходов и закон изменения
kv=f(v)t реализуемый ЧПУ при разгоне на ускоренный
ход.
7.4. ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ И МЕТОДЫ ИХ ОБНАРУЖЕНИЯ
Наладка и ремонт следящего привода заключается как в
обнаружении причины и места неисправности, так и в настройке регули»
рующих элементов привода.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся неисправности
следящего привода, вызывающие останов станка или снижающие
качество обработки.
Колебания следящего привода. Они проявляются в
повышенном специфическом шуме, вибрации привода как в неподвижном
состоянии, так и при движении. Причиной колебаний привода станка
могут быть неисправности во всех его составляющих
(электроприводе, системе ЧПУ, датчике положения, механической передаче)
и в их некорректной стыковке, поэтому для быстрого обнаружения
места и устранения причины неисправности целесообразно
предусмотреть возможность размыкания следящего привода и проверки
отдельных его звеньев.
Проверка регулируемого электропривода. Следящий привод
колеблется с частотой 2—7 Гц в зависимости от собственной частоты
регулируемого электропривода (контура скорости). Если при
размыкании контура положения колебания системы затухают, следует
изменить параметры RC, увеличив его быстродействие (уменьшить
емкость и увеличить сопротивление в цепи обратной связи RC).
Другой причиной неустойчивости следящего привода при
устойчивом регулируемом электроприводе является наличие нелинейно-
стей в контуре регулирования скорости — большая зона
нечувствительности, вызванная изменением фазы начальных импульсов при
несогласованном совместном управлении группами тиристоров,
насыщением регуляторов и т. д. Следует уменьшить начальный угол
управления (при совместном управлении это соответствует
увеличению уравнительных токов при нуле сигнала управления) и
проверить исправность микросхем регуляторов. Частота колебаний при
наличии нелинейностей невысокая — от долей до единиц в секунду.
Если при размыкании контура положения колебания сохраняются,
следует изменить параметры RC, уменьшив его быстродействие
(увеличить С и уменьшить R). Если при размыкании контура положения
имеет место неуправляемая большая скорость, следует проверить
215

надежность контактов цепи обратной связи по скорости
(сохранность проводов, контакты в разъемах и клеммниках, щеточный
контакт и исправность обмотки якоря тахогенератора и т.д.). Если
появляются повышенный гул и отдельные рывки даже в
разомкнутом контуре положения, необходимо проверить и при необходимости
выравнять опорные напряжения, настроить и выравнять начальные
углы управления, проверить наличие всех управляющих импульсов
и отсутствие сложных импульсов, убедиться в исправности и
управляемости всех тиристоров. Напряжение между управляющим
электродом и катодом ну,э-к открытых тиристоров должно
соответствовать рис. 7.24. Горизонтальные участки с малой амплитудой
и длительностью работы тиристоров появляются, когда тиристор
проводит ток; в этом случае имеет место падение напряжения в
управляющей цепи от силового тока.
U,
у%з=к А
и
г*
/77
Рис. 7.24. Осциллограмма
напряжения на управляющих
электродах открытых
тиристоров
Чр т
Рис. 7.25. Осциллограмма
выпрямленного напряжения
преобразователя при отсутствии
одной из фаз
Причиной неравномерного перемещения может быть также
неудовлетворительное состояние щеточно-коллекторного узла
двигателя и тахогенератора, а также обрыв и витковое замыкание в их
обмотках. Проверка выполняется визуально и путем измерения
омметром сопротивления между соседними коллекторными
пластинами.
Проверка системы управления приводом от ЧПУ. При
отключенном электроприводе (без перемещения) проверить линейность
зависимости напряжения управления на входе электропривода от
заданного перемещения (при отсутствии перемещения). Сигнал
управления измеряется вольтметром с высокой чувствительностью,
погрешность высвечивается на дисплее ЧПУ либо определяется другим
возможным способом. В зоне нуля проверка выполняется при
приращениях сигнала управления на каждую дискрету.
Проверка цепи обратной связи по положению. При отключенном
электроприводе и ЧПУ исключить зазоры в приборном редукторе,
216

муфтах, шпоночных соединениях и других механических узлах
между электродвигателем и датчиком положения. При разомкнутой
цепи обратной связи по положению включить электропривод в
режиме регулирования с малой скоростью, подав на его вход небольшой
сигнал от автономного источника либо разбалансировав усилитель
электропривода. Проверить линейность погрешности, высвечиваемой
на дисплее или табло ЧПУ, от угла поворота двигателя
(погрешность должна расти плавно без скачков, провалов, изменения знака).
Также плавно должно расти напряжение на входе электропривода.
При неудовлетворительном результате проверить питание и
выходные усилители датчиков и их исправность.
Проверка механической передачи. Если частота колебаний
пропорциональна скорости, то это свидетельствует о неравномерности
нагрузки на двигатель, перекосах и зажимах механических узлоз.
При отключенном электродвигателе вручную провернуть его за вал
или коллектор. Если механизм не приходит в движение
одновременно с электродвигателем, следует выбрать зазоры в редукторе,
шариковой винтовой передаче, подтянуть муфты. Эту операцию можно
выполнить обратнььм путем — привести в движение механическую
плередачу вручную при заторможенном двигателе и выбрать зазоры.
Стыковка следящего привода. Если частота колебаний
постоянна и независима от скорости и все проведенные проверки не дали
результатов, следует снизить добротность привода. Добротность
привода измеряется на скорости (0,1—1,0) Уб,х по погрешности на
дисплее или табло ЧПУ и заданной скорости. Добротность на
современных станках регулируется в пределах 15—60 с-1. Более
быстродействующим электроприводам, коротким и жестким
механическим передачам соответствуют большие добротности.
Перебеги при торможении. Они возможны при нарушении
апериодического характера переходного процесса и наличии
перерегулирования от сигнала скоростной компенсации при
неудовлетворительной стыковке следящего привода. В первом случае следует
полностью исключить или уменьшить сигнал скоростной компенсации
или снимать его по определенному закону в процессе торможения.
Во втором случае следует снизить добротность следящего привода
либо увеличить полосу пропускания (быстродействие)
электропривода и других составляющих следящего привода, если это возможно.
Для исключения перебегов можно также увеличить время разгона —
торможения от ЧПУ.
Медленное дотягивание имеет место при позиционировании из-за
недостаточного усиления в контуре положения. Для исключения
этого явления следует увеличить добротность следящего привода или
ввести скоростную компенсацию там, где это нужно и возможно.
Погрешность при выходе в нуль и нестабильность выхода в нуль
217

возникают Tip и неисправности ЧПУ и неотрегулированных «нулях»
ЧПУ и электропривода. При отключенном электроприводе следует
отстроить «нуль» напряжения на входе электропривода при
отсутствии задания от ЧПУ. Настройка выполняется в выходном блоке
управления приводом от ЧПУ. При отключенной системе ЧПУ и
разблокированном электроприводе устранить вращение двигателя
балансировкой усилителя регулятора в электроприводе. Проверить
остаточный сигнал от ЧПУ на входе электропривода при выходе
в «нуль». Этот сигнал должен быть не более дискреты. Если
остаточный сигнал при неподвижном приводе достаточно большой,
следует проверить, не замкнут ли вход электропривода, а также,
если это возможно, увеличить коэффициент усиления регулируемого
электропривода и добротность следящего привода.
Ползучая скорость без задания от ЧПУ. Она может иметь
место при обрыве обратной связи по положению либо при
закорачивании входа электропривода в режиме «нуль скорости». В первом
случае движение электропривода от ЧПУ может происходить от сигнала
скоростной компенсации без сбоя и неисправность выявляется
только при отсутствии задания от ЧПУ. Во втором случае следует ввести
изменения в схему автоматики станка для того, чтобы исключить
замыкание входа электропривода при наличии разрешения на
включение привода.
Сбой привода при быстром ходе. Он наступает в двух случаях:
либо привод не выходит на максимальную скорость, либо при
выходе на максимальную скорость рассогласование больше
допустимого. При отсутствии максимальной скорости следует проверить
наличие всех фаз силового и опорного напряжений. Наиболее быстро
это проверить осциллографом по напряжению на уравнительных
реакторах ыу,р в схемах с совместным управлением или по
выпрямленному напряжению в схемах с раздельным управлением (рис. 7.25).
Эту же проверку можно осуществить с помощью вольтметра
измерением синусоидальных напряжений последовательно от
источников переменного силового и опорного напряжения. При отсутствии
неисправностей в схеме следует проверить правильность настроек:
максимального сигнала от ЧПУ, сигнала обратной связи по
скорости.
Для увеличения скорости быстрого хода надо увеличить сигнал
управления от ЧПУ (до ±10 В) и (или) ослабить обратную связь
по скорости. Обратную связь по скорости следует уменьшать до
тех пор, пока продолжается рост максимальной скорости при
максимальном сигнале от ЧПУ. Дальнейшее ослабление обратной связи
не только нецелесообразно, но и вредно, так как может привести
к колебательности следящего привода вследствие снижения
усиления внутреннего контура — контура регулирования скорости. Регу-
218

лировку начального угла управления следует проводить очень
аккуратно, так как уменьшение начального угла вызывает рост
уравнительных токов в схемах с совместным управлением и снижает
мертвую зону в схемах с раздельным управлением и может привести
к недопустимому росту сквозных токов между выпрямительной
и инверторной группами тиристоров. Первым признаком
недопустимого уменьшения начального угла является повышение шума
и появление колебаний электропривода.
Если привод имеет слишком большую скоростную погрешность
при движении с максимальной скоростью, что вызывает
переполнение счетчика в ЧПУ и сбой привода, следует измерить
погрешность и рассчитать добротность и при необходимости увеличить ее.
Так как на максимальной скорости происходит сбой привода, то
измерения следует проводить на скорости 0,1утах, если сбой
привода наступает до выхода на установившуюся скорость в процессе
разгона, то следует уменьшить динамическую погрешность
увеличением добротности следящего привода либо увеличением
быстродействия регулируемого электропривода соответствующей
настройкой параметров регулятора скорости. Если это повышение качества
следящего привода вызывает колебательность, то необходимо
увеличить время разгона привода от ЧПУ. Однако значительное
увеличение времени разгона снижает производительность станка.
Привод не отрабатывает заданное перемещение по каждой
дискрете. Это имеет место при недостаточной чувствительности
электропривода. Следует увеличить добротность следящего
привода или коэффициент усиления регулируемого электропривода
(проверить работу операционных усилителей регуляторов).
Отсутствие перемещения рабочего органа или движение
рывками с последующим сбоем привода при равномерном вращении
электродвигателя. Это наблюдается при некачественном
соединении электродвигателя с механической передачей (нарушение
соединения в муфте или шариково-винтовой передаче или повышенный
зазор).
Огранка при контурном фрезеровании. Она появляется при
недостаточной динамической жесткости регулируемого
электропривода. Необходимо увеличить быстродействие привода при
возмущении по нагрузке настройкой регуляторов.
Повышенная контурная погрешность. Она имеет место при
невыравненных добротностях одновременно работающих приводов,
Некруглость увеличивается при зазорах в механических передачах*
Помимо рассмотренных неисправностей возможны и другие,
обусловленные не только следящими приводами подач, но также
и приводом главного движения, инструментом, программой
обработки и т. д.
219

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андрейчиков Б. И. Динамическая точность систем
программного управления станками. М.: Машиностроение. 1964. 368 с.
2. Мягков В. Д. Краткий справочник конструктора. Л.:
Машиностроение, 1975. 814 с.
3. Управление вентильными электроприводами постоянного тока/
Е. Д. Лебедев, В. Е. Неймарк, М. Я. Пистрак и др. М.: Энергия.
1970. 200 с.
4. Landhoff J., Raatz E. Geregelte Gleichstromantriebe AEG —
Telefunken—Handbucher. Bd 19, Berlin: Elitera-Verlag. 1977.
164 S.
5. Нестеренко В. К. Интегральные операционные усилители. М.:
Энергоиздат, 1982. 128 с.
6. Гутников В. С. Применение операционных усилителей в
измерительной технике. Л.: Энергия, 1975. 116 с.
7. Алексенко А. Г., Коломбет Е. К., Стародуб Г. И.
Применение прецизионных аналоговых интегральных схем. М.: Радио и связь.
1981. 224 с.
8. Динамика вентильного электропривода постоянного тока/Под
ред. А. Д. Поздеева. М.: Энергия. 1975. 123 с.
9. Королев Э. Г., Волкомирский И. А., Лебедев А. М. и др.
Эффективность применения высокомоментных двигателей в станко-
строении/М.: Машиностроение. 1981. 144 с.
10. Kief H. F. NC-Handbuch. Michelstadt: NC-Handbuch Verlag
1977. S. 161—166.
11. Flotter W., Ripperger H. Die Transvektor — Regelung fur
Feldtorientierten Betriebeiner Asynchronmaschine. — Siemens-Z 1971
Bd 45. № 10. S. 761—764.
12. Следящий асинхронный электропривод в скользящем
режиме для автоматизированных станков/В. И. Уткин, Б. 3. Брейтер,
Д. В. Изосимов и др. — Электротехническая промышленность.
Электропривод. 1982. № 7. С. 14—17.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие , , . , 3
Глава первая. Основные характеристики приводов
современных станков с ЧПУ 5
1.1. Особенности станков с ЧПУ , 5
1.2. Определение и классификация приводов станков « 7
1.3. Классификация и основные характеристики
регулируемых электроприводов 9
1.4. Требования к электроприводам станков .... 12
1.5. Классификация и общие технические требования
к электроприводам подачи постоянного тока
металлорежущих станков с ЧПУ 16
1.6. Классификация и общие технические требования
к электроприводам главного движения постоянного
тока металлорежущих станков с ЧПУ # 24
Глава вторая. Следящие приводы подач .... 28
2.1. Структура следящего привода 28
2.2. Погрешности следящего привода , 47
2.3. Влияние погрешностей следящего привода на
качество обработки 53
2.4. Связь электропривода с системой ЧПУ , 70
2.5. Следящие приводы современных отечественных
станков с ЧПУ 75
Глава третья. Электродвигатели приводов подач . . 80
3.1. Общие сведения 5 80
3.2. Высокомоментные электродвигатели современных
приводов подач 91
3.3. Перспективы применения различных видов
электродвигателей в приводах подач 96
3.4. Методика выбора двигателя 98
3.5. Пример расчета двигателя 106
Глава четвертая. Следящие электроприводы и
электродвигатели подач зарубежных фирм ПО
4.1. Электроприводы и электродвигатели стран Интер-
электро ПО
4.2. Электроприводы и электродвигатели фирмы «Фанук» 121
221

Глава пятая. Перспективы применения приводов подач
переменного тока • ♦ 129
5.1. Приводы подач постоянного и переменного тока , 129
5.2. Приводы подач с асинхронными двигателями . » 135
5.3. Приводы подач с бесколлекторными двигателями . 14Э
Глава шестая. Применение аналоговых интегральных
микросхем в приводах 146
6.1. Уравнение идеального усилителя 146
6.2. Линейные частотно-независимые схемы . . ♦ * 153
6.3. Линейные частотно-зависимые схемы . . . . 155
6.4. Схемы с нелинейными и управляемыми обратными
связями 158
Глава седьмая. Наладка и настройка электроприводов 168
7.1. Наладка привода ЭТ6С 168
7.2. Наладка привода ЭТУ3601 188
7.3. Настройка следящих электроприводов , 205
7.4. Основные неисправности и методы их обнаружения 215
Список литературы , ♦ 220

Производственное издание
ЛЕБЕДЕВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ
ОРЛОВА РАИСА ТЕРЕНТЬЕВНА
ПАЛЬЦЕВ АЛЕКСАНДР МАХАЙЛОВИЧ
Следящие электроприводы станков с ЧПУ
Редактор С. А. Саванов
Редактор издательства Л. А. Решмина
Художественные редакторы В. А. Гозак-Хозак,
Г. И. Панфилова
Технический редактор В. В. Хапаева
Корректор И. А. Володяева
ИБ Ко 934
Сдано в набор 22.06.87. Подписано в печать 25.12.87. Т-25232. Формат
84Х1087з2. Бумага типографская № 2. Гарнитура литературная. Печать
высокая. Усл. печ. л. 11,76. Усл. кр.-отт. 11,97. Уч.-изд. л. 12,11. Тираж
20 000 экз. Заказ 894. Цена 65 к.
Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
Владимирская типография Союзполиграфпрома при Госкомиздате
СССР, 600000, г. Владимир, Октябрьский проспект, д. 7

УВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИ!
Энергоатомиздат выпустит в 1988 году
следующие книги в области создания и эксплуатации
современных электроприводов:
Браславский И. Я. Асинхронный
полупроводниковый электропривод с параметрическим
управлением.— 1 р.
Евзеров И. X., Ткаченко А. А., Перельмутер В. М.
Тиристорные электроприводы КТЭУ мощностью до
2000 кВт. — 30 к.
Кочергин В. В. Следящие системы с двигателем
постоянного тока. — 65 к.
Никольский А. А. Точные двухканальные следя-
дие электроприводы с пьезокомпенсаторами. — 50 к.
Системы электропривода и
электрооборудование роторных комплексов/Ю. Т. Калашников,
А. О. Горнов, В. Н. Остриров и др.— 1 р. 10 к.
Комплектные тиристорные электроприводы:
Справочник/И. X. Евзеров, А. С. Горобец, Б. И. Мош-
кович и др.— 1 р. 30 к.
Яуре А. Г., Певзнер Е. М. Крановый
электропривод: Справочник.— 1 р. 60 к.
Автоматизация типовых технологических
процессов и установок: Учебник для вузов/А. М. Ко-
рытин, Н. К- Петров, С. Н. Радимов, Н. К. Ша-
парев. — 2-е изд., перераб. и. доп.— 1 р. 10 к.
Рекомендуемые книги Вы можете приобрести
во всех книжных магазинах, распространяющих
научно-техническую литературу.