Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2012, № 1

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение 

высшего профессионального образования 
 
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ 
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2012 

ISSN 2071-6168 
 
 
УДК 621.86/87 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 522 с. 
 
Рассматриваются научно-технические проблемы в области машиностроения и машиноведения, технологии и оборудования обработки металлов давлением, материаловедения, технологии и оборудования обработки 
металлов 
резанием, 
энергетики, 
электроснабжении 
электроприводов, 
управления качеством, стандартизации и сертификации, моделирования 
процессов обработки металлов давлением. 
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике 
технических наук. 
 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, 
Е.А. ФЕДОРОВА, А.К. ТАЛАЛАЕВ, В.А. АЛФЕРОВ, В.С. КАРПОВ, 
Р.А. КОВАЛЁВ, А.Н. ЧУКОВ 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), А.Н. Карпов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора), 
С.П. Судаков (выпускающий редактор), Б.С. Яковлев (отв. секретарь), 
И.Е. Агуреев, А.Н. Иноземцев, С.Н. Ларин, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, 
А.Э. Соловьев 
 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 
 
«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных 
журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, 
в которых должны быть опубликованы научные результаты 
диссертаций на соискание учёной степени доктора наук 
 
 
© Авторы научных статей, 2012 
© Издательство ТулГУ, 2012 

МЕХАТРОННЫЕ СИСТЕМЫ (ТЕОРИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ) 
 
 
УДК 623.418.4 
М.Г. Иванов, зам. нач. центра, (916) 804-77-60, maksim_ivanoff@mail.ru 
(Россия, Москва, ФГУП «НИИСУ»), 
И.И. Огольцов, канд. техн. наук, зав. кафедрой, (499) 158-50-00, 
ogoltsovii@mail.ru (Россия, Москва, МАИ) 
 
ПУТИ УПРОЩЕНИЯ СХЕМЫ РЕАЛИЗАЦИИ СЛОЖНОЙ 
ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 
 
Рассмотрены пути и технические решения, направленные на понижение 
сложности технической системы, состоящей из объединения двух следящих приводов, 
за счет замены одного привода его электронной моделью. 
Ключевые слова: сложная техническая система, следящие приводы, структура системы. 
 
При разработке новых и совершенствовании существующих технологий требования к повышению эффективности и точности систем наведения постоянно повышаются. Особенно проблемы точности актуальны в 
системах видеонаблюдения, при использовании систем лазерной локации, 
в системах оптической связи и др. Задача высокоточного наведения сильно 
усложняется при расположении систем на борту подвижного основания 
(летательный аппарат, морской и наземный транспорт, космические платформы). В работе [1] показано, что определяющую роль в вопросе обеспечения динамической точности системы играет её структура. Именно она 
является тем фактором, который определяет предел достижимой точности 
отработки задающего и компенсирования возмущающих воздействий. В 
соответствии с основными принципами системного подхода такую же важнейшую роль играет и структура объединения подсистем. 
Сложные технические системы часто состоят из двух следящих 
приводов, работающих в одной плоскости сопровождения. Один следящий 
привод решает задачу сопровождения подвижной цели, условно будем его 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 1 
 

 
4

называть автоматическим визиром (АВ). Второй следящий привод наводит 
полезную нагрузку, используя для этого информацию от привода АВ. Условно будем называть его подвижной пассивной установкой (ППУ). Исторически в силу разделения функций первой появилась и получила наибольшее 
распространение 
последовательная 
структура 
объединения 
следящих приводов АВ и ППУ. Структурная схема последовательного варианта показана на рис. 1. На ней отражены основные воздействия: φц
а –
абсолютный угол линии визирования цели, Мн – внешний момент, действующий на нагрузку, φ0 – угловое переносное движение носителя и точки 
приложения этих воздействий. Переменная П на рис. 1 отражает наличие 
угла поправки наведения ППУ относительно АВ. Ошибка системы в целом 
Θк сформирована в методических целях. В реальной системе информация о 
ней отсутствует, поэтому на рис.1 она показана пунктирной линией. 

 
 
Рис. 1. Последовательная структура объединения приводов 
 
Традиционная последовательная структура обладает рядом существенных недостатков. В такой структуре ошибки подсистем суммируются и 
ошибка комплекса в целом оказывается выше, чем ошибки входящих в нее 
подсистем: 

 

 

Второй существенный недостаток схемы рис.1 – отсутствие информации об ошибке комплекса в целом и использование её для управления. 
Третий важный недостаток – воздействие φ0 по-разному передается 
на подсистемы АВ и ППУ. Оператор Wпке отражает преобразование переносного движения носителя из базиса привода АВ в базис привода ППУ. 
Этот оператор отличен от 1 при П ≠ 0. Это приводит к появлению неустранимой составляющей ошибки, вызванной возмущением φ0. 

.
к
ав
ппу
Θ ≥ Θ
+ Θ

Мехатронные системы (теория и проектирование) 
 

 
5

Для частичного устранения указанных недостатков были разработаны и широко применяются двухканальные схемы объединения приводов 
[2], содержащие грубый и точный каналы следящих приводов. В таких системах к исполнительной части привода точного канала предъявляются особые требования (большое передаточное число редуктора, высокая жесткость передачи и др.), которые не всегда могут быть легко обеспечены на 
практике. 

 
Применение основных принципов синтеза структуры [1] к рассмотренной ранее схеме на рис.1 позволило разработать новую схему - двухкаскадную структуру объединения следящих приводов. Она показана на рис.2. 
Её важнейшая особенность – привод АВ располагается в обратной связи 
привода ППУ. В соответствии с приведенной схемой следящий привод 
ППУ управляется от датчика рассогласования привода АВ, расположенного на выходной платформе АВ. Соответственно привод АВ управляется от 
датчика относительного угла поворота привода ППУ (с учетом дополнительного сигнала П). Все обозначения на схеме рис. 2 имеют тот же физический смысл, что и на схеме рис.1. 
Проведем сравнение двух вариантов схем. Для этого определим передаточные функции ошибки комплекса Θк относительно основного входного воздействия φа
ц. Для первого и второго вариантов схем будем иметь 
соответственно 

Рис. 2. Двухкаскадная схема объединения приводов 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 1 
 

 
6

ппу
ав
ав

ппу
ав

ппу
ав
ппу
ав

ппу
ав

W
W
W

W
W
Ф

W
W
W
W

W
W
Ф

а
ц
к

а
ц
к

+
+

−
+
=

+
+
+

+
+

=

Θ

Θ

1

1

1

1

,

,

ϕ

ϕ
 

Анализ полученных передаточных функций показывает, что при определенных условиях передаточная функция ошибки двухкаскадного варианта может стремиться к нулю. Эти условия инвариантности ошибки комплекса 
Θк 
относительно 
входного 
воздействия 
φа
ц 
определяются 
выражением 
 

 
Полученные выражения передаточных функций отдельных подсистем могут быть практически реализованы в ограниченной полосе частот, 
но и этого часто оказывается достаточным для существенного уменьшения 
величины Θк. При двухкаскадной схеме объединения приводов точность 
системы в целом повышается за счет взаимной компенсации друг другом 
ошибок отдельных подсистем. Добиться этого удается за счет согласования 
динамических характеристик подсистем. На практике эти условия удается 
реализовать значительно легче, чем обеспечивать повышение динамических характеристик отдельных подсистем. 
При двухкаскадной структуре возможны различные варианты компоновки поворотных платформ приводов: с раздельной компоновкой, с 
расположением платформы одного привода на платформе другого. В двухкаскадной структуре проще обеспечить условия гиростабилизации нагрузки при расположении следящих приводов на подвижном основании, по 
сравнению с другими структурами объединения приводов. 
При дальнейшем совершенствовании двухкаскадной структуры 
следящий привод АВ, расположенный в обратной связи, может быть заменен на его электронную модель, работающую в реальном масштабе времени. При этом сложная система в целом может быть значительно упрощена 
при сохранении всех достоинств по точности отработки задающих воздействий 
 
На рис.2 выделена та часть схемы, которая может быть реализована 
в виде электронной цифровой модели. Основная задача электронной модели состоит в том, чтобы по сигналу относительного угла поворота привода 
ППУ вычислить эквивалентный относительный угол поворота привода АВ. 
Для практического решения поставленной задачи целесообразно в качестве 
чувствительного элемента в приводе АВ использовать ПЗС матрицу с достаточно большим (лучше переменным) полем зрения. При этом ПЗС матрица устанавливается неподвижно на выходной платформе привода ППУ. 
Величина смещения центра, относительно которого измеряется ошибка со
1.
ППУ
АВ
W
W
=
+

Мехатронные системы (теория и проектирование) 
 

 
7

провождения вычисляется в электронной модели привода АВ. При такой 
схеме поле зрения ПЗС матрицы должно быть больше, чем суммарная величина ошибки подсистемы АВ и поправки П. 
Целесообразность применения двухкаскадных структур объединения приводных систем оправдана практическими соображениями возможностей достижения высоких характеристик точности сопровождения 
сложной системы в целом при использовании отдельных приводных систем с более низкими требованиями к их динамике по отдельности. Главное, 
чтобы динамические характеристики подсистем были согласованы между 
собой. 
 
Список литературы 
 
1. Терсков В.Г. Принципы структурного синтеза следящих систем 
//Динамические свойства автоматических устройств. М.: МАИ, 1980. 
С. 31-37. 
2. Терсков В.Г. Математические модели двухканальных систем, 
особенности синтеза структуры объединения подсистем, обусловленные 
взаимными связями //Математические и цифровые модели следящих приводов летательных аппаратов. М.: МАИ. 1982. С.17-25. 
3. Иванов М.Г., Огольцов И.И. Применение новых вариантов объединения приводных систем в сложных технических комплексах // Труды 
XVIII Международного научно-технического семинара "Современные 
технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации". 
М.: МИРЭА, 2009. 126 с. 
 
M.G. Ivanov, I.I. Ogoltsov 
WAYS OF SIMPLIFICATION OF THE CIRCUIT OF REALIZATION OF 
COMPLEX TECHNICAL SYSTEM 
Ways and the technical decisions directed on downturn of complexity of technical 
system, consisting of association of two watching drives are considered, due to replacement 
of one drive with his electronic model. 
Key words: the complex technical system, watching drives, structure of system. 
 
Получено 30.11.11 
 
 
 
 
 
 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 1 
 

 
8

УДК 62-523.8. 681.3 
С.А. Гагарин, асп., sergey_gagarin@mail.ru (Россия, Москва, МАИ) 
 
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 
МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ ТРЁХФАЗНОГО 
ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗАМИ, СОЕДИНЁННЫМИ 
ПО СХЕМЕ «ТРЕУГОЛЬНИК» 
 
Представлены энергетические характеристики мехатронного модуля цифрового электропривода с векторным широтно-импульсным управлением скоростью входящего в его состав трёхфазного вентильного двигателя, фазы которого соединены 
по схеме «треугольник». 
Ключевые слова: цифровой электропривод, вентильный двигатель, импульсное 
управление, векторная широтно-импульсная модуляция, энергетические характеристики. 
 
Работы по созданию и исследованию энергоэффективных способов 
векторного широтно-импульсного управления скоростью трёхфазного вентильного двигателя (ВД), входящего в состав мехатронного модуля (ММ) 
цифрового электропривода, ведутся на протяжении двух последних десятилетий. Различным способам векторной широтно-импульсной модуляции 
(ВШИМ), направленным на улучшение спектрального состава напряжений 
на выходе импульсного усилителя мощности (ИУМ) и снижение коммутационных потерь в ИУМ, посвящено большое количество научных работ и 
публикаций, среди которых следует отметить [1-4]. Однако при проектировании ММ привода необходима информация о количестве потребляемой 
ММ мощности и эффективности её использования с учётом реальных параметров ВД, схемы соединения фаз его статорной обмотки и дополнительных потерь мощности [5], вызванных пульсациями фазных токов 
вследствие переключения ключевых элементов (КЭ) ИУМ. Поэтому разработка методов и средств определения энергетических характеристик ММ 
при произвольном способе ВШИМ является актуальной задачей. 
В случае цифровой реализации ВШИМ управление величиной и 
положением результирующего вектора магнитной индукции поля статора 
ВД осуществляется путём последовательного задействования на периоде 
широтно-импульсного сигнала (ШИС) различных комбинаций включённых и выключенных КЭ ИУМ, что обеспечивает различные схемы подключения фаз статора к источнику питания (ИП) и отключению от него. 
Комбинации включённых и выключенных КЭ, при которых фазы статора 
подключены к ИП, соответствуют базовым векторам магнитной индукции 
поля статора, в то время, как остальные комбинации соответствуют нулевым векторам. Моменты включения каждого КЭ и длительность его нахождения во включённом состоянии определяются текущим положением ро

Мехатронные системы (теория и проектирование) 
 

 
9

тора ВД, его требуемым направлением и частотой вращения. Как правило, 
для формирования базовых векторов используются КЭ, расположенные во 
всех трёх стойках ИУМ (трёхстоечная ВШИМ – 3ВШИМ). Однако существуют способы, при которых для формирования базовых векторов используются только две стойки ИУМ (двухстоечная ВШИМ – 2ВШИМ) [6] 
либо последовательно чередуются в течение периода фазных напряжений 
две и три рабочие стойки (комбинированная ВШИМ – КВШИМ) [6-8]. 
Кроме того, каждый из перечисленных способов может быть реализован 
посредством различных последовательностей задействования базовых и 
нулевых векторов на периоде ШИС с использованием различных наборов 
нулевых векторов и вариантов распределения времени между ними. В настоящей работе исследуются способы 3ВШИМ, 2ВШИМ и КВШИМ, при 
которых эпюры прикладываемых к фазам ВД напряжений для различных 
требуемых положений результирующего вектора имеют вид, показанный 
на рис. 1. 
 

 
 
Рис. 1. Эпюры напряжений, прикладываемых к фазам ВД 
 
Длительности задействования базовых и нулевых векторов на периоде ШИС определяются по формулам 

(
)

Θ

ϕ
−
ϕ
=
+

sin

cos
1
д
шис
1

B
i
B
p
m
T
T
; 
(
)

Θ

ϕ
−
ϕ
=

sin

cos
д
шис
2

B
i
B
p
m
T
T
; 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 1 
 

 
10

(
)

2

2
1
шис
2
1

B
B
Z
Z
T
T
T
T
T
+
−
=
=
, 

где 
B
T1  и 
B
T2  – длительности включения используемых в текущем секторе 
базовых векторов, с; 
шис
T
 – период ШИС, с; m  – индекс модуляции, характеризующий требуемую частоту вращения; p  – число пар полюсов; 
д
ϕ  

– текущее угловое положение ротора ВД, рад; 
B
i
ϕ  и 
B
i 1
+
ϕ
 – угловые положения используемых базовых векторов в электрической системе координат, рад; Θ – угловая ширина сектора между смежными базовыми векто
рами, равная 60° в случае 3ВШИМ и 2ВШИМ и 30° в случае КВШИМ; 
Z
T1  

и 
Z
T2  – длительности включения нулевых векторов, с. 
Для определения энергетических характеристик ММ при способах 
3ВШИМ, 2ВШИМ и КВШИМ в среде моделирования Simulink была разработана компьютерная модель ММ (рис. 2), которая учитывает изменение 
контура протекания тока при переключении КЭ ИУМ, синусоидальную 
форму противоЭДС, взаимоиндукцию между фазами статорной обмотки 
ВД и их соединение по схеме «треугольник». 

 

 
 
Рис. 2. Модель ММ в Simulink 
 
Модель включает в свой состав: 
– блок цифровой системы управления (ЦСУ), формирующей логические сигналы, поступающие на управляющие входы КЭ ИУМ, в соответствии с алгоритмами 2ВШИМ, 3ВШИМ и КВШИМ; 
– блок ИУМ, в качестве которого используется элемент Universal 
Bridge библиотеки SimPowerSystems с КЭ типа MOSFET; 
– блок трёхфазного синхронного двигателя с фазами, соединёнными по схеме «треугольник» [5], и параметрами, приведёнными в табл. 1; 
– блок идеального ИП постоянного напряжения (27 В); 
– блоки задания кода управления, поступающего на вход ЦСУ, частоты ШИС и статического момента нагрузки, прикладываемого к ротору 
ВД;