ВЫСОКОТОЧНАЯ КВАЗИИТЕРАЦИОННАЯ ДВУХКАНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С МЕХАНИЧЕСКИМ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ
The mechanics’ kinematical diagram and mathematical model, kvazyiterative two-channel control system functional and block diagrams of the differential servodrive with channels standard tuning for high-precision metal-cutting machine tool workpiece feeding mechanism are considered. Electrical dynamic...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2015
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/892 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870202674170822656 |
|---|---|
| author | Худяев, А.А. Кунченко, Т.Ю. |
| author_facet | Худяев, А.А. Кунченко, Т.Ю. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "А.А. Худяев",
"institution": "Национальный технический университет ״Харьковский политехнический институт״, ул. Кирпичева, 2, Харьков, 61002, Украина"
},
{
"author": "Т.Ю. Кунченко",
"institution": "Національний технічний університет \"Харківський політехнічний інститут\", вул. Кирпичова, 2, Харків, 61002, Україна"
}
] |
| author_sort | Худяев, А.А. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-12-29T12:29:23Z |
| description | The mechanics’ kinematical diagram and mathematical model, kvazyiterative two-channel control system functional and block diagrams of the differential servodrive with channels standard tuning for high-precision metal-cutting machine tool workpiece feeding mechanism are considered. Electrical dynamics and accuracy characteristics computer simulation results are provided. Considerable advantages of rapidity control accuracy of the presented two-channel servodrive as compared to the common one-channel feeding mechanism servodrive are presented. The advantages of the two- channel servodrive due to the low power of on additional (precise) control channel can only be realised in the range of minor and partially, medium displacement of the workpiece. References 8, tables 2, figures 6. |
| first_indexed | 2026-06-16T01:13:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн.електродинаміка. 2015. № 1 21
УДК 681.5.033 + 681.587’57
ВЫСОКОТОЧНАЯ КВАЗИИТЕРАЦИОННАЯ ДВУХКАНАЛЬНАЯ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С МЕХАНИЧЕСКИМ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ
А.А.Худяев, канд.техн.наук, Т.Ю.Кунченко
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»,
ул. Фрунзе, 21, Харьков, 61002, Украина.
e-mail: medvedeva_14@mail.ru
Рассмотрены кинематическая схема и математическая модель движения приводного механизма, функцио-
нальная и структурно-алгоритмическая схемы квазиитерационной двухканальной системы управления диффе-
ренциального электропривода с типовой настройкой каналов применительно к подаче рабочего органа метал-
лорежущего станка. Приведены результаты компьютерного моделирования электродинамических и точно-
стных характеристик. Показаны преимущества в быстродействии и точности управления предлагаемой
двухканальной системы по сравнению с традиционной одноканальной системой управления электропривода
подачи. Преимущества в быстродействии двухканального электропривода из-за малой мощности дополни-
тельного (точного) канала управления могут быть реализованы только в зоне малых и, частично, средних пе-
ремещений рабочего органа. Библ. 8, табл. 2, рис. 6.
Ключевые слова: квазиитерационная двухканальная система, дифференциальный электропривод, механизм по-
дачи, точность управления.
Постановка задачи. К электроприводам (ЭП) механизмов подач (МП) металлорежущих стан-
ков с ЧПУ и обрабатывающих центров предъявляются все более возрастающие требования по быст-
родействию и точности управления инерционными рабочими органами (РО), прежде всего, рабочим
столом с изделием [1,2]. Для достижения желаемых динамических характеристик от традиционного
одноканального ЭП подачи с типовой настройкой часто требуется чрезмерно большой коэффициент
усиления и практически нереализуемая полоса воспроизводимых частот. Эффективным структурным
средством повышения быстродействия и точности управления МП, особенно в динамических режи-
мах, при сохранении требуемых силовых воздействий на объект управления может служить приме-
нение различных многоканальных следящих приводов, построенных и функционирующих по итера-
ционному [1−4] или близким к итерационному [6] принципам. В таких приводах при условии ком-
пенсации негативного динамического взаимовлияния каналов (ДВВК) по нагрузке может быть при-
нята типовая настройка каналов управления по принципу систем подчиненного регулирования (СПР)
[2,5]. При отсутствии компенсирующих связей между каналами в многоканальном ЭП подачи может
быть реализована упрощенная типовая настройка, когда по принципу СПР предварительно настраи-
ваются автономные каналы управления, а окончательная настройка контуров положения отдельных
взаимосвязанных через нагрузку приводов осуществляется в процессе компьютерного моделирова-
ния и экспериментальных исследований многоканального следящего ЭП в целом.
Одним из вариантов построения итерационных следящих ЭП МП являются многоканальные
ЭП подачи РО на базе многодвигательных приводных механизмов (ПМ) с суммирующими диффе-
ренциальными редукторами – механическими дифференциалами (МД). Сегодня для итерационных
двух- и трехканальных ЭП подачи с МД в ПМ полностью не исследована эффективность возможных
вариантов соответствующих структурных схем системы управления, не разработаны с учетом ДВВК
по нагрузке математические и компьютерные модели для их анализа и выработки практических ре-
комендаций. В частности, отсутствует анализ эффективности двухканального следящего ЭП МП с
суммирующим симметричным МД в ПМ и маломощным исполнительным двигателем (ИД) в точном
канале управления.
Целью работы является получение уточненной математической модели движения двухдви-
гательного дифференциального ПМ и оценка потенциальной эффективности применения (с точки
зрения повышения быстродействия и точности управления) соответствующей квазиитерационной
двухканальной системы управления энергосберегающего ЭП МП с типовой настройкой каналов и
МД в ИУ применительно к подаче РО крупного многоцелевого металлорежущего станка повышен-
ной точности типа «обрабатывающий центр ИР800ПМФ4» (масса станка 13 т).
© Худяев А.А., Кунченко Т.Ю., 2015
22 ISSN 1607-7970. Техн.електродинаміка. 2015. № 1
Материал исследований. Предлагаемая двухканальная система управления дифференциаль-
ного ЭП подачи, построенная по итерационному принципу, включает первый – основной (грубый) К-
1 и второй – дополнительный (точный) К-2 каналы управления по углу с соответствующими подчи-
ненными контурами скорости, настроенными на технический (модульный) оптимум. Такой двухка-
нальный ЭП из-за наличия в нем ДВВК по нагрузке, обусловленного общими элементами в механи-
ческой части, может быть отнесен к подклассу квазиитерационных многоканальных систем, посколь-
ку основные свойства собственно итерационных систем автоматического управления (САУ) для него
в общем случае выполняются лишь частично. В частности, свойство автономности по устойчивости
итерационного двухканального дифференциального привода без применения в его управляющей час-
ти компенсаторов ДВВК по нагрузке при некоторых настройках каналов управления может не вы-
полняться.
Варианты обобщенной структурной схемы квазиитерационной двухканальной системы уп-
равления дифференциального ЭП подачи РО с учетом моментов статической нагрузки Мс,1, Мс,2, пре-
образованных к выходам разомкнутых контуров положения соответствующих каналов управления,
показаны на рис. 1.
Оба варианта структуры равноценны с точки зрения свойств рассматриваемой двухканальной
системы. Вместе с тем, при обязательном наличии в каждом из вариантов высокоточного датчика по-
ложения РО kп,РО структуры отличаются использованием в системе различных датчиков положения
валов ИД отдельных приводов:
д1φп,k или
д2φп,k . Кроме того, на рис. 1 обозначены: Ri(p)(i=1,2) – диф-
ференциальные операторы разомкнутых контуров положения отдельных приводов с учетом соответ-
ствующих управляющих и исполнительных элементов и устройств; p=d/dt – оператор дифференциро-
вания по времени t.
Электроприводы основного К-1 и дополнительного К-2 каналов могут быть построены на ба-
зе типовых транзисторных ЭП подачи постоянного тока с силовыми частями типа ШИП-ДПТ. Для
этого могут быть использованы современные модификации широко известных глубокорегулируемых
комплектных ЭП, например, «ЭШИР-1-2» или «Модуль регулирования серии МR-DC». В качестве
ИД Д1 основного (грубого) привода МП станка предлагается использовать высокомоментный ДПТ с
постоянными магнитами типа 2ПБВ112L (Pном,1=1,1 кВт). Во втором, точном канале К-2 предлагается
применить быстродействующий ЭП подачи небольшой мощности с широкой полосой пропускания.
Например, современный комплектный ЭП постоянного тока «Модуль регулирования MR10M-DC» на
базе высокомоментного маломощного ИД Д2 типа ДК2-3,5-100АТ (Рном,2 =0,35 кВт). Поскольку но-
минальная мощность традиционных одноканальных (автономных) тиристорных ЭП подачи типа
ТПН-ДПТ фирмы «Геттис» (США), установленных на действующих металлорежущих станках дан-
ной модели, равна Pном,авт.= 2,8 кВт, а суммарная мощность приводов двух каналов предлагаемого ЭП
подачи составляет Pном,Σ = 1,45 кВт, то рассматриваемый вариант квазиитерационного двухканально-
го ЭП МП можно считать энергосберегающим ЭП подачи.
На рис. 2, а показана кинематическая схема приводного механизма двухканального диффе-
ренциального ЭП подачи РО (рабочего стола с изделием). Двудвигательный ПМ построен на основе
симметричного конического МД (iМД = 2) с последующим ПР (iПР = 0,5), соединяющим выходной вал
МД с ходовым винтом (Сх.в=1,5916·10-3 м/рад) МП поперечно-подвижного стола (ось Х) станка.
Д1Пk ϕ,
*
1R
1,
1
1, cM EWp
c
−
2,
1
2, cM EWp
c
−
1
1
i
2
1
i
POПk ,
1,cM
2,cM
*
2R
*
2ϕ2Дϕ MДϕ
ПРC
вх.ϕ
вxC . PO
1Дϕ
*
1ϕ
ЗПU
2S2ε
1ε
*
1R
1,
1
1, cM EWp
c
−
2,
1
2, cM EWp
c
−
1
1
i
2
1
i
POПk ,
1,cM
2,cM
*
2R
*
2ϕ2Дϕ MДϕ
ПРC
вх.ϕ
вxC . PO
1Дϕ
*
1ϕ
ЗПU
2S
Д2Пk ϕ,
POПk ,
2
.
ii
CC
MД
вхПР
2ε
2ε 1ε
MД
Рис. 1
ISSN 1607-7970. Техн.електродинаміка. 2015. № 1 23
Математическая модель движения двухдвигательного дифференциального ПМ квазиитераци-
онного двухканального ЭП подачи РО в установившихся режимах механообработки, полученная на
основании рис. 2, а при i1=1,27; i2=2,45 и iПР=0,5, имеет вид
( ) ( ) ( ) 0
4 1,Д2
2
МДц.р21
Д1
2
1,Д1 =−
′
− Σ с
МД Mtp
ii
J
tpJtM ϕ
ηη
ϕ m ; (1)
( ) ( ) ( ) 0
4 2,Д1
2
МДц.р21
Д2
2
2,Д2 =−
′
−− Σ с
МД Mtp
ii
J
tpJtM ϕ
ηη
ϕ ; (2)
( ) ( ) ( ) ( ) ( )t
i
t
i
t
CtCtStS в
МД
ПРПР
МД
х.в.х.в.х.в.2РО 2
ϕ
π
ϕ
ϕ ===≡ ; (3)
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
2
2Д
1
1Д
МД2
2Д
МД1
1Д
МД
*
2
*
1
МД 22 i
t
i
t
ii
t
ii
t
i
ttt
ϕϕϕϕϕϕϕ ±=±=
±
= , (4)
где
МДц.р
2
1
МД
ПМ,11, 4 ηηi
J
JJ
′
+′=Σ ,
МДц.р
2
2
МД
ПМ,22, 4 ηηi
J
JJ
′
±′=Σ ; (5)
МДц.р1
с,1 2 ηηi
MМ c′= ,
МДц.р2
с,2 2 ηηi
MМ c′= ; (6)
знаки «–» и «+» перед третьим слагаемым в левой части уравнения (1), и знаки «+» и «–» в правых
частях соотношений (4) и (5) соответствуют согласному и встречному вращениям двигателей Д1 и
Д2; ( )2,1ПМ, =′ iJ i и МДJ ′ − моменты инерции ПМ, приведенные к валам соответствующих ИД и диф-
ференциала МД: 389,01ПМ, ≈′J кг⋅м2, ПМ,2 0,132J ′ ≈ кг⋅м2, МД 1,223J ′ ≈ кг⋅м2; cM ′ – максимальный мо-
мент статической нагрузки (в рабочих режимах
резания с учетом ПВ), приведенный к валу МД,
646,15≈′cM Н⋅м; tв − шаг ходового винта, tв=0,01
м; ц.р.η и МДη − КПД цилиндрического зубчатого
редуктора и конического МД: ц.р. 0,9η ≈ ,
МД 0,95η ≈ .
Упрощенные структурно-функциональ-
ные схемы предлагаемой квазиитерационной
двухканальной и сравниваемой (аналогичной по
назначению) традиционной одноканальной (авто-
номной) системы управления ЭП подачи показа-
ны на рис. 2, б, где обозначены ОКС1, ОКС2 и
ОКС – оптимизированные контуры скорости со-
ответствующих приводов; автПМ,J ′ − момент инер-
ции ПМ, приведенный к валу ИД одноканального
ЭП, 06763,0автПМ, ≈′J кг⋅м2. На рис. 3 показана
структурно-алгоритмическая схема квазиитера-
ционной двухканальной САУ дифференциально-
го ЭП с СПР-настройкой и учетом ДВВК по на-
грузке применительно к МП РО станка. Расчет и
моделирование двухканального привода выпол-
нены с учетом полученной модели движения
(1)÷(6), но без учета связей между каналами, ком-
пенсирующих влияние ДВВК.
Результаты исследований. Результаты
сравнительного компьютерного моделирования
электродинамических (временных и частотных)
характеристик предлагаемой двухканальной и
Д2Д ϕω ,2
22, , Д
'
ПМ MJ
2i *
2ϕ
2,PM
Д1Д ϕω ,1
11, , Д
'
ПМ MJ
1i
MДMД ϕω ,
МД
'
МД MJ ,
ПРC
х.ввх ϕω ,.
вх
'
вх MJ .. ,
вхC .
2S
РОV
резF трF
стИЗД mm +
1,PM *
1ϕ
ПРiМДi
а
1РП,k
12
1
1
1
+pT
k
,c
,c
μ
2РП,k
12
1
2
2
+pT
k
,c
,c
μ
РПk 12
1
+pT
k
c
c
μ
1εÇÏU
'
,ÏÌÄÄ J;;M 111 ϕ
1i
** ,M 11 ϕ
'
ÌÄJ
2S
** ,M 22 ϕ
'
,ÏÌÄÄ J;;M 222 ϕ
2i
2ε
δ
,,автДM
'
àâò,ÏÌJ
S
Σ,ñòF
2=МДi
МДМДM ϕ;
Σ,стF
автД ,ϕ
б
Рис. 2
24 ISSN 1607-7970. Техн.електродинаміка. 2015. № 1
1,PCk
( )
pT
pTk
Э
ЭРТ
1,
1,1, 1+
1
1
+pT
k
ШИП,1
,ШИП
1p
1
1,
1,
+Э
Э
Т
R 1I
11 ,ном,д ФK
1ДM
pJ 1,
1
Σ
MДрi ηημ .12
1
11 ,ном,д ФK
НмMM
НмMM
трC
CTC
998,08,0
646,158,0
"
'
==
==
1,Tk
1,Ck
1,ϕПk
1,PПk
p
1
1
1
i
2
.21
'
МД p
4i
J
МДрi ηημ
2,PCk
( )
pT
pTk
Э
ЭРТ
2,
2,2, 1+
1
2
+pT
k
ШИП,2
,ШИП
1p
1
2,
2,
+Э
Э
Т
R 2I
22 ,ном,д ФK
pJ 2,
1
Σ
2,Tk
2,Ck
2,SПk
2,PПk
p
1
2
1
i
МДpi ηηη ,22
1
2
,21
'
МД p
4i
J
МДpi ηηη
22 ,ном,д ФK
2,Cε
1,Cε 1Дω
1Дϕ
2ДM
2Дω 2Дϕ
МДi
1
ПРi
t
π2
2ϕ 2S
*
2ϕ
*
1ϕ
НмMM
НмMM
трC
CTC
998,08,0
646,158,0
"
'
==
==
ЗПU
1ε
2ε 2,Tε
1,Tε
Рис. 3
традиционной одноканальной систем управления ЭП подачи показаны на рис. 4÷6, где обозначены:
цифрами «1» и «2» – графики характеристик приводов соответственно первого (основного) К-1 и
второго (дополнительного) К-2 каналов управления, работающих в квазиитерационном режиме в со-
ставе двухканальной САУ ЭП; цифрами «1+2» и «1авт» – графики характеристик квазиитерационной
двухканальной системы управления дифференциального ЭП в целом и традиционной одноканальной
системы управления ЭП, работающей в автономном режиме. Характеристики систем получены с уче-
том технических данных станка модели ИР800ПМФ4 для рабочих подач РО в режиме механообра-
ботки изделия (перерегулирование по положению РО не допускается) при максимальной статической
нагрузке привода. Значения основных показателей качества работы сравниваемых ЭП сведены в
табл. 1 и 2, где обозначено: SМ, SC и SБ – заданные перемещения РО в зоне малых, средних и больших
перемещений МП станка.
Таблица 1
Качество ПП Точность воспроизведения
Вариант
САУ ЭП
Заданное
перемещение
РО
Время регулирования
по уровню 0,01:
tрег,i (i = 1,2), c
Выигрыш в
быстродействии
раз
Статическая ошибка
εуст,i (i = 1,2),
мкм
Выигрыш в
статической
точности, раз
SМ (0,005 мм) – – – –
SС (0,15 мм) 0,24 – 116,6 –
SС (2 мм) 0,24 – 116,5 –
Одноканальная
САУ ЭП
SБ (500 мм) 6,095 – 120 –
SМ (0,005 мм) 0,0265 – 0,033 –
SС (0,15 мм) 0,081 2,963 0,08 1457,5
SС (2 мм) 0,38 0,632 1,7 68,5
Двухканальная
САУ ЭП
SБ (500 мм) 7,555 0,8 5,97 20,1
Теоретические и компьютерные исследования показали значительные преимущества в быстро-
действии и точности управления подачей РО предлагаемой двухканальной системы управления ЭП МП
по сравнению с традиционной одноканальной САУ тиристорного ЭП подачи, применяемой на дейст-
вующих обрабатывающих центрах данного типа. Однако преимущества в быстродействии энергосбере-
гающего двухканального ЭП из-за малой мощности дополнительного (точного) канала управления К-2
могут быть реализованы только в зоне малых и, частично, средних перемещений РО (до SC ≈ 0,5 мм).
ISSN 1607-7970. Техн.електродинаміка. 2015. № 1 25
Таблица 2
Полоса
воспроизводимых частот
по уровню 0,707:
ω П,i ( i = 1,2 )
Вариант
САУ ЭП
Заданное
перемещение
РО
Гц рад/с
Расширение
полосы
пропускания в
двухканальной
САУ ЭП,
раз
Динамическая
ошибка
отработки линейно
нарастающего
сигнала UЗП (t)=0,1t
при t=3 c, м
Выигрыш
в динамичес-
кой точности
(при t=3 с),
раз
SМ (0,005 мм) – – –
SС (0,15 мм) 6,7 42,1 – Одноканальная
САУ ЭП SС (2 мм) 6,7 42,1 –
0,06 –
SМ (0,005 мм) 24,83 156 –
SС (0,15 мм) 8,5 53,4 1,27 Двухканальная
САУ ЭП SС (2 мм) 4,15 26,1 0,62
0,003 20
В диапазоне подач РО 0 < SPO ≤ 0,2 мм двухканальный ЭП позволяет существенно повысить
быстродействие отработки небольших заданий в статических режимах работы. Так, время регулиро-
вания по уровню 0,01Uуст двухканального ЭП tрег,2 в недостижимой для одноканального привода зоне
особо малых перемещений (до SМ=0,005 мм) составляет не более, чем tрег,2=0,0265 с (рис. 4, а и табл.
1), а на нижней границе зоны средних перемещений (SC=0,15 мм) – не более чем tрег,2=0,081 с, что
почти в 3 раза меньше времени регулирования одноканального ЭП tрег,1=0,24 с (рис. 4, б и табл. 1).
Вместе с тем, уже на верхней границе зоны средних перемещении (SC=2 мм) двухканальный привод
запаздывает по отношению к одноканальному приводу более чем на 0,14 с (рис. 4, в и табл. 1). В то
же время статическая точность двухканального ЭП может быть значительно (на порядок и более) по-
вышена во всем диапазоне рабочих подач РО: 0 < SPO ≤ 1000 мм. Например, при подаче РО на пол-
метра (SБ=500 мм) установившаяся статическая ошибка двухканального привода составляет не более
006,0ε 2,уст = мм, а его выигрыш в статической точности по сравнению с одноканальным ЭП – не
менее, чем в 20 раз (табл. 1).
а) t,c
S1(t),
S2(t),
S1+2(t),
Sзад(t),
м
2
1+2
1
t,c
I1(t),
I2(t),
A
2
1
t,c
2
1+2
1
ω1(t),
ω2(t),
ω1+2(t),
рад/с
б) t,c
S1(t),
S2(t),
S1+2(t),
Sзад(t),
S1,авт(t),
м
2
1+2
1
1авт
t,c
I1(t),
I2(t),
I1,авт(t),
A
2
1авт
1
t,c
2
1+2
1
ω1(t),
ω2(t),
ω1+2(t),
ω1,авт(t),
рад/с
1авт
в) t,c
S1(t),
S2(t),
S1+2(t),
Sзад(t),
S1,авт(t),
м
2
1+21
1авт
t,c
I1(t),
I2(t),
I1,авт(t),
A
2
1авт
1
t,c
2
1+2
1
ω1(t),
ω2(t),
ω1+2(t),
ω1,авт(t),
рад/с
1авт
Рис. 4
26 ISSN 1607-7970. Техн.електродинаміка. 2015. № 1
Наибольший эффект повышения точности управления РО с помощью двухканального ЭП по-
дачи наблюдается при воспроизведении изменяющихся задающих воздействий. Так, при отработке ли-
нейно нарастающего управляющего сигнала величина динамической ошибки по положению (при t=3 с)
для двухканального привода составляет εдин,2 =3 мм, что в сравнении с соответствующей ошибкой одно-
канального ЭП εдин,1 =60 мм обеспечивает 20-кратное повышение точности подачи РО с постоянной
скоростью уже при его перемещении на расстояние SPO= 300 мм от начала механообработки (рис. 5, а и
табл. 2). При большей величине подачи РО с заданной постоянной скоростью (до SРО=1000 мм) соот-
ветствующий выигрыш двухканальной системы в динамической точности возрастает.
При наиболее сложных синусо-
идальных задающих воздействиях ма-
лой амплитуды UЗП(t)=Uмаксsin2πft точ-
ностные возможности двухканальной
системы проявляются в наиболее пол-
ной мере. При отработке синусоидаль-
ных воздействий с частотой до f =10÷12
Гц в недостижимой для одноканального
привода зоне особо малых перемеще-
ний (Sмакс≤0,005 мм) двухканальный ЭП
воспроизводит гармонические полез-
ные сигналы практически без искаже-
ний (рис. 5, б). Аналогичный характер
имеет процесс воспроизведения двух-
канальным ЭП синусоидальных воз-
действий с частотой до f=4÷5 Гц и на
нижней границе зоны средних переме-
щений (Sмакс=0,15 мм). При этом тради-
ционный одноканальный ЭП отрабаты-
вает аналогичный сигнал с частотой f=4
Гц уже с существенным запаздыванием по фазе
(фазовым сдвигом) – более, чем в 10 угл. град (рис.
5, в). Начиная с верхней границы зоны средних пе-
ремещений (Sмакс ≥2 мм), преимущества двухка-
нального ЭП в точности воспроизведения сину-
соидальных воздействий из-за относительно высо-
кой инерционности ПМ и предельно малой мощ-
ности ИД дополнительного канала К-2 значитель-
но снижаются.
Двухканальная система управления ЭП в
зоне малых и частично средних перемещений (до
SС=0,2 мм) позволяет существенно расширить по-
лосу воспроизводимых частот ωП,2 без ухудшения
качества апериодического переходного процесса
(ПП) по положению в системе. Так, при настрой-
ках системы на отработку особо малых перемеще-
ний (до SМ=0,005 мм) полоса пропускания двухка-
нального ЭП составляет ωП,2=156 рад/с (24,8 Гц),
что практически нереализуемо в традиционных
одноканальных САУ тиристорных ЭП подачи (рис.
6, а и табл. 2). Для настройки соответствующей
нижней границы зоны средних перемещений
(SС=0,15 мм) имеем ωП,2=53,4 рад/с (8,5 Гц), что
обеспечивает расширение полосы пропускания по
сравнению с одноканальным ЭП в 1,27 раза (рис. 6,
б и табл. 2).
t,c
S1(t),
S2(t),
S1+2(t),
Sзад(t),
S1,авт(t),
м
а)
2
1+2
1
1авт
t,c
2
1+2
1
ω1(t),
ω2(t),
ω1+2(t),
ω1,авт(t),
рад/с
1авт
t,c
S1(t),
S2(t),
S1+2(t),
Sзад(t),
м
б)
2
1+2
1
f = 10 Гц
t,c
S1(t),
S2(t),
S1+2(t),
Sзад(t),
S1,авт(t),
м
в)
2
1+2
1
f = 4 Гц
1авт
Рис. 5
W1(w),
W1+2(w),
Дб
1+2
1
1+2
1
Ψ1(w),
Ψ1+2(w),
град
w, рад/с
а)
W1(w),
W1+2(w),
W1,авт(w),
Дб 1+2
1авт
1+2
1
1
1авт
Ψ1(w),
Ψ1+2(w),
Ψ1,авт(w),
град
б)
w, рад/с
W1(w),
W1+2(w),
W1,авт(w),
Дб
1+2
1авт
1+2
1
1
1авт
Ψ1(w),
Ψ1+2(w),
Ψ1,авт(w),
град
в)
w, рад/с
Рис. 6
ISSN 1607-7970. Техн.електродинаміка. 2015. № 1 27
Насыщение по току второго, дополнительного канала К-2, возникающее при отработке при-
водом относительно больших перемещений РО 0,5 мм ≤ SPO ≤ 1000 мм, приводит к необходимости
существенного снижения коэффициента усиления k2 точного и увеличения коэффициента усиления k1
грубого каналов управления. Это, как следствие, приводит к сужению полосы пропускания энерго-
сберегающего двухканального ЭП подачи в области низких и средних частот (рис. 6, в и табл. 2), что
не позволяет с помощью такого привода в зоне средних и больших перемещений РО в полной мере
реализовать преимущества квазиитерационных двухканальных систем управления дифференциаль-
ных ЭП.
Анализ наличия нелинейных элементов в различных точках структуры системы управления
(рис. 1) показал, что наиболее существенными с точки зрения качества работы двухканального при-
вода являются нелинейности в дополнительном (точном) канале К-2. Влияние возможных нелиней-
ностей, например, типа «люфт» или «зона нечувствительности» в основном канале К-1 на свойства
двухканальной системы практически полностью могут быть скомпенсированы (ослаблены в k2 раз)
работой второго, дополнительного привода К-2 с выбранной требуемой мощностью ИД Д2.
Влияние ДВВК по нагрузке в двухканальном дифференциальном приводе существенно прояв-
ляется только в зоне малых перемещений (до SМ=0,02 мм). При необходимости влияние ДВВК целесо-
образно компенсировать за счет применения специальных компенсаторов – синтезируемых внутренних
перекрестных компенсирующих связей между каналами. Введение таких компенсаторов в структурно-
алгоритмическую схему (рис. 3) позволит перевести рассматриваемую двухканальную систему управ-
ления ЭП МП из подкласса квазиитерационных в класс итерационных многоканальных САУ.
Вместе с тем, следует отметить, что реализация квазиитерационных двухканальных САУ диф-
ференциальных ЭП МП для металлорежущих станков требует наличия в них двух (вместо одного) от-
дельных следящих приводов по выбранной координате подачи, одного высококачественного МД и од-
ного высокоточного (не хуже десятых долей микрона) датчика положения РО. Кроме того, разработка и
эксплуатация таких многоканальных ЭП возможна в условиях высокой культуры производства.
Выводы.
1. Квазиитерационная двухканальная система управления дифференциального ЭП подачи с
типовой настройкой каналов управления для металлорежущих станков с ЧПУ обладает новыми, су-
щественно улучшенными показателями качества управления подачей РО по сравнению с традицион-
ными одноканальными САУ тиристорных ЭП подачи. Однако в связи с принятым энергосберегаю-
щим характером двухканального привода его преимущества в быстродействии и динамической точ-
ности могут быть реализованы только в зоне малых и, частично, средних перемещений РО (до SС=0,5
мм – для станков модели ИР800ПМФ4).
2. Если вопрос энергосбережения не является определяющим, то в основном и дополнитель-
ном приводах двухканального ЭП подачи целесообразно применять ИУ с мощностью, соответст-
вующей мощности ИУ аналогичного типового одноканального ЭП подачи, устанавливаемого на
станки данного типа. В этом случае в квазиитерационной двухканальной системе управления диффе-
ренциального ЭП МП может быть реализовано повышенное качество (быстродействие и точность)
управления во всем диапазоне подачи РО по выбранной координате перемещений (например, по ко-
ординате Х: 0 ≤ SX ≤ 1000 мм – для станков модели ИР800ПМФ4). Достижение максимально возмож-
ной точности управления в таком приводе практически ограничивается только точностными возмож-
ностями передаточных и исполнительных механизмов и устройств ПМ, а также разрешающей спо-
собностью используемого датчика положения РО.
3. Структура квазиитерационной двухканальной САУ дифференциального ЭП подачи с типо-
вой настройкой каналов сравнительно проста даже с учетом ДВВК по нагрузке, а её расчет и оптими-
зация не вызывают особых трудностей. Применение квазиитерационной двухканальной системы
управления энергосберегающего ЭП подачи целесообразно в тех случаях, когда от традиционного
одноканального ЭП подачи инерционного РО станка требуются очень высокие быстродействие и ди-
намическая точность отработки малых управляющих сигналов при значительных нагрузках на выхо-
де привода. Такие требования в полной мере соответствуют растущим требованиям к качеству рабо-
ты приводов МП современных металлорежущих станков и обрабатывающих центров повышенной и
особо высокой точности.
28 ISSN 1607-7970. Техн.електродинаміка. 2015. № 1
1. Лебедев А.М., Орлова Р.Т., Пальцев А.В. Следящие электроприводы станков с ЧПУ. – М.: Энерго-
атомиздат, 1988. – 223 с.
2. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. – М.: Ма-
шиностроение, 1990. – 303 с.
3. Никольский А.А. Новые высокоточные электроприводы с пьезокомпенсаторами для станков, меха-
низмов и приборов // Электротехника. – 1993. – № 1. – С. 27-31.
4. Худяев А.А., Червоный А.В. Электродинамика двухдвигательных линейных электроприводов механиз-
мов подач высокой точности // Электротехнические и компьютерные системы. – 2011. – № 3 (79). – С. 209-213.
5. Худяев А.А., Литвиненко Д.Г. Итерационное подчиненное управление следящими электроприводами
// Вісник Національного технічного університету «ХПІ». – 2011. – № 4. – С. 141-171.
6. Худяев А.А. Механика и электродинамика комбинированного трехканального следящего электропри-
вода подачи для тяжелого станка особо высокой точности // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. –
2012. – Вип. 3 (19). – С. 386-392.
УДК 681.5.033 + 681.587’57
ВИСОКОТОЧНА КВАЗІІТЕРАЦІЙНА ДВОКАНАЛЬНА ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНА СИСТЕМА З МЕХАНІЧНИМ
ДИФЕРЕНЦІАЛОМ
О.А.Худяєв, канд.техн.наук, Т.Ю.Кунченко
Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»,
вул. Фрунзе, 21, Харків, 61002, Україна.
e-mail: medvedeva_14@mail.ru
Розглянуто кінематичну схему та математичну модель рухів приводного механізму, функціональну та структурно-
алгоритмічну схеми квазіітераційнної двоканальної системи керування диференціального електропривода з типовим на-
строюванням каналів стосовно до подачі робочого органу металорізального верстата. Наведено результати комп'ютер-
ного моделювання електродинамічних й точнісних характеристик. Показано переваги у швидкодії й точності керування
пропонованої двоканальної системи в порівнянні із традиційною одноканальною системою керування електропривода по-
дачі. Переваги у швидкодії двоканального електропривода через малу потужність додаткового (точного) каналу керування
можуть бути реалізовані тільки в зоні малих і, частково, середніх переміщень робочого органу. Бібл. 8, табл. 2, рис. 6.
Ключові слова: квазіітераційна двоканальна система, диференціальний електропривод, механізм подачі, точність керування.
HIGH PRECISION KVAZYITERATIVE TWO-CHANNEL SERVOSYSTEM WITH DIFFERENTIAL GEAR
A.Khudiayev, T.Kunchenko
National Technical University “Kharkov Polytechnic Institute”,
Frunze str., 21, Kharkiv, 61002, Ukraine.
e-mail: medvedeva_14@mail.ru
The mechanics’ kinematical diagram and mathematical model, kvazyiterative two-channel control system functional and block dia-
grams of the differential servodrive with channels standard tuning for high-precision metal-cutting machine tool workpiece feeding
mechanism are considered. Electrical dynamics and accuracy characteristics computer simulation results are provided. Consider-
able advantages of rapidity control accuracy of the presented two-channel servodrive as compared to the common one-channel feed-
ing mechanism servodrive are presented. The advantages of the two- channel servodrive due to the low power of on additional (pre-
cise) control channel can only be realised in the range of minor and partially, medium displacement of the workpiece.
References 8, tables 2, figures 6.
Key words: kvazyiterative two-channel systems, differential servodrive, feeding mechanism, control precision.
1. Lebedev А.M., Orlova R.T., Paltsev A.V. Servo drives of numerical control machine. – Мoskva: Energoatomizdat, 1988.
– 223 p. (Rus)
2. Mykhailov О.P. The automatic electric drive of machines and industrial robots. – Мoskva: Mashinostroenie, 1990. – 303
p. (Rus)
3. Nikolskii А.А. New high-precision electric drives with piezoelectric compensators for machines, mechanisms and in-
struments. // Elektrotekhnika. – 1993. – № 1. – Pp. 27-31. (Rus)
4. Khudyaev А.А., Chervonyi A.V. Electrodynamics of high-precision feed mechanisms double-motor linear electric drives.
// Elektrotekhnicheskie i kompiutornye sistemy. – 2011. – № 3 (79). – Pp. 209-213. (Rus)
5. Khudyaev А.А., Litvinenko D.G. The iterative subordinated control of servo drives // Visnyk Natsionalnoho tekhnich-
noho universytetu “Kharkivskyi Politekhnichnyi Instytut”. – 2011. – № 4. – Pp. 141-171. (Rus)
6. Khudyaev А.А. Mechanics and electrodynamics of the combined three-channel feed mechanism servo drive for the very
high-precision heavy machine // Elektromekhanichni i Enerhozberihaiuchi systemy. – 2012. – № 3 (19). – Pp. 386-392. (Rus)
Надійшла 03.02.2014
Остаточний варіант 11.11.2014
|
| id | techned_org_ua-article-892 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:13:46Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/a9/f03d3f48ac1b0de1fda6cc238eb79da9.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-8922022-12-29T12:29:23Z HIGH PRECISION KVAZYITERATIVE TWO-CHANNEL SERVOSYSTEM WITH DIFFERENTIAL GEAR ВЫСОКОТОЧНАЯ КВАЗИИТЕРАЦИОННАЯ ДВУХКАНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С МЕХАНИЧЕСКИМ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ Худяев, А.А. Кунченко, Т.Ю. kvazyiterative two-channel systems differential servodrive feeding mechanism control precision квазиитерационная двухканальная система дифференциальный электропривод механизм подачи точность управления The mechanics’ kinematical diagram and mathematical model, kvazyiterative two-channel control system functional and block diagrams of the differential servodrive with channels standard tuning for high-precision metal-cutting machine tool workpiece feeding mechanism are considered. Electrical dynamics and accuracy characteristics computer simulation results are provided. Considerable advantages of rapidity control accuracy of the presented two-channel servodrive as compared to the common one-channel feeding mechanism servodrive are presented. The advantages of the two- channel servodrive due to the low power of on additional (precise) control channel can only be realised in the range of minor and partially, medium displacement of the workpiece. References 8, tables 2, figures 6. Рассмотрены кинематическая схема и математическая модель движения приводного механизма, функциональная и структурно-алгоритмическая схемы квазиитерационной двухканальной системы управления дифференциального электропривода с типовой настройкой каналов применительно к подаче рабочего органа металлорежущего станка. Приведены результаты компьютерного моделирования электродинамических и точностных характеристик. Показаны преимущества в быстродействии и точности управления предлагаемой двухканальной системы по сравнению с традиционной одноканальной системой управления электропривода подачи. Преимущества в быстродействии двухканального электропривода из-за малой мощности дополнительного (точного) канала управления могут быть реализованы только в зоне малых и, частично, средних перемещений рабочего органа. Библ. 8, табл. 2, рис. 6. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2015-01-15 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/892 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 1 (2015): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 021 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 1 (2015): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 021 2218-1903 1607-7970 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/892/769 Авторське право (c) 2022 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | квазиитерационная двухканальная система дифференциальный электропривод механизм подачи точность управления Худяев, А.А. Кунченко, Т.Ю. ВЫСОКОТОЧНАЯ КВАЗИИТЕРАЦИОННАЯ ДВУХКАНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С МЕХАНИЧЕСКИМ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ |
| title | ВЫСОКОТОЧНАЯ КВАЗИИТЕРАЦИОННАЯ ДВУХКАНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С МЕХАНИЧЕСКИМ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ |
| title_alt | HIGH PRECISION KVAZYITERATIVE TWO-CHANNEL SERVOSYSTEM WITH DIFFERENTIAL GEAR |
| title_full | ВЫСОКОТОЧНАЯ КВАЗИИТЕРАЦИОННАЯ ДВУХКАНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С МЕХАНИЧЕСКИМ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ |
| title_fullStr | ВЫСОКОТОЧНАЯ КВАЗИИТЕРАЦИОННАЯ ДВУХКАНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С МЕХАНИЧЕСКИМ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ |
| title_full_unstemmed | ВЫСОКОТОЧНАЯ КВАЗИИТЕРАЦИОННАЯ ДВУХКАНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С МЕХАНИЧЕСКИМ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ |
| title_short | ВЫСОКОТОЧНАЯ КВАЗИИТЕРАЦИОННАЯ ДВУХКАНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С МЕХАНИЧЕСКИМ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ |
| title_sort | высокоточная квазиитерационная двухканальная электромеханическая система с механическим дифференциалом |
| topic | квазиитерационная двухканальная система дифференциальный электропривод механизм подачи точность управления |
| topic_facet | kvazyiterative two-channel systems differential servodrive feeding mechanism control precision квазиитерационная двухканальная система дифференциальный электропривод механизм подачи точность управления |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/892 |
| work_keys_str_mv | AT hudâevaa highprecisionkvazyiterativetwochannelservosystemwithdifferentialgear AT kunčenkotû highprecisionkvazyiterativetwochannelservosystemwithdifferentialgear AT hudâevaa vysokotočnaâkvaziiteracionnaâdvuhkanalʹnaâélektromehaničeskaâsistemasmehaničeskimdifferencialom AT kunčenkotû vysokotočnaâkvaziiteracionnaâdvuhkanalʹnaâélektromehaničeskaâsistemasmehaničeskimdifferencialom |