Модельное проектирование мехатронных модулей SimInTech

Модельное проектирование  
электромеханических мехатронных  
модулей движения в среде SimInTech

Москва, 2021

С. Г. Герман-Галкин, Б. А. Карташов, С. Н. Литвинов

Под общей редакцией А. Н. Петухова

Учебное пособие может быть рекомендовано к изданию и использованию 
в учебном процессе при обучении студентов (бакалавров по направлению 
15.03.06 Мехатроника и робототехника и магистров по направлению 
15.03.06 Мехатроника и робототехника), а также может быть полезно 
для инженеров смежных специальностей (профессий) и специалистов по 
проектированию, наладке и техническому обслуживанию электроприводов 
мехатронных систем и робототехнических комплексов широкого назначения (Рецензия кафедры «Робототехника и мехатроника» ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» (ДГТУ), протокол № 1 от 
27 августа 2019 г.)

УДК 004.896
ББК 32.973.26, 018.2
 
Г38

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Робототехника и мехатроника» ФГБОУ ВО 
«Донской государственный технический университет» 
(зав. кафедрой к. т. н. доцент Е. А. Лукьянов; рецензия 
подготовлена профессором кафедры Н. Ф. Карнауховым)

Герман-Галкин С. Г., Карташов Б. А., Литвинов С. Н. 
Г38 
Модельное проектирование электромеханических мехатронных модулей движения в среде SimInTech. – М.: ДМК Пресс, 2021. – 494 с.

ISBN 978-5-97060-693-3

Книга содержит основные сведения по математическому моделированию мехатронных модулей движения, краткое описание используемого программного обеспечения SimInTech и элементы проектирования электромеханических модулей движения в его среде.
Пособие предназначено для студентов технических вузов и факультетов, а также может быть рекомендовано аспирантам, научно-техническим 
работникам и конструкторам при создании и эксплуатации мехатронных 
систем.

УДК 004.896
ББК 32.973.26, 018.2

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена 
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного 
разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку 
вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим 
издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

 
©  Герман-Галкин С. Г., Карташов Б. А.,  
Литвинов С. Н., 2021
ISBN 978-5-97060-693-3 
© Оформление, издание, ДМК Пресс, 2021

Содержание

Предисловие ...........................................................................................................9

Введение ................................................................................................................ 12

 Часть I

Технологии моделирования электромеханических  
мехатронных модулей движения в среде SimInTech .......................... 14

 Глава 1

Обобщенная функциональная структура, модели  
и методология проектирования  мехатронных  
модулей движения ............................................................................................. 15

1.1. Принципы построения мехатронных модулей движения .....................................15
1.2. Математические модели мехатронных модулей движения .................................18
1.2.1. Математические модели непрерывных элементов ......................................18
1.2.2. Математические модели цифровых элементов .............................................30
1.3. Задачи, концепция и этапы модельного проектирования модулей  
движения в среде SimInTech ......................................................................................................34
Контрольные вопросы ..................................................................................................................45
Литература к предисловию, введению и главе 1 ..............................................................45

Содержание

 Глава 2

Пакет SimInTech – визуальная среда моделирования  
мехатронных систем ..........................................................................................47

2.1. Принципы и методика моделирования ........................................................................ 47
2.2. Запуск SimInTech .....................................................................................................................49
2.3. Главное командное меню ...................................................................................................51
2.4. Панели инструментов главного окна и схемных окон ............................................53
2.5. Палитра компонентов ........................................................................................................... 57
2.6. Краткое описание процедур и этапов работы в среде SimInTech .....................60
2.7. Демонстрационно-обучающие примеры моделирования в среде  
SimInTech ............................................................................................................................................62
Контрольные вопросы и упражнения ..................................................................................117
Литература ..................................................................................................................................... 118

 Глава 3

Анализ и синтез мехатронных модулей движения  
как цифровых электроприводов  с обратными связями ..................120

3.1. Принципы цифрового управления электроприводами ...................................... 120
3.2. Структурные модели цифровых электроприводов ............................................... 122
3.3. Анализ устойчивости цифровых электроприводов............................................... 126
3.4. Анализ качества цифровых электроприводов .........................................................127
3.5. Упрощенный метод синтеза цифровых электроприводов ................................. 129
3.6. Определение периода квантования непрерывных сигналов   
в цифровых электроприводах ............................................................................................... 134
Контрольные вопросы и упражнения ................................................................................. 180
Литература ..................................................................................................................................... 181

 Глава 4

Математические модели дискретных и нелинейных  
элементов  цифровых электроприводов и их реализации  
в среде SimInTech .............................................................................................183

4.1. Общие сведения .................................................................................................................. 183
4.2. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи .............................. 184
4.3. Моделирование цифровых САР в среде SimInTech на основе  
линейных моделей ..................................................................................................................... 189

Содержание 5

4.4. Моделирование цифровых САР в среде SimInTech с учетом  
нелинейных свойств  элементов ............................................................................................ 209
Контрольные вопросы и упражнения ................................................................................. 225
Литература ..................................................................................................................................... 226

 Глава 5

Полупроводниковые преобразователи  
электромеханических модулей движения .............................................227

5.1. Силовые полупроводниковые элементы ....................................................................227
5.1.1. Силовые полупроводниковые диоды ...............................................................227
5.1.2. Тиристоры .................................................................................................................... 231
5.1.3. Биполярные IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) транзисторы ...... 236
5.2. Силовые полупроводниковые преобразователи  
электромеханических модулей  движения ........................................................................ 240
5.2.1. Классификация ......................................................................................................... 240
5.2.2. Основные характеристики силовых полупроводниковых  
преобразователей ............................................................................................................... 242
5.3. Управляемые выпрямители ............................................................................................. 243
5.3.1. Однофазные управляемые выпрямители ...................................................... 243
5.3.2. Трехфазные управляемые выпрямители........................................................ 253
5.4. Широтно-импульсные преобразователи ................................................................... 261
5.4.1. Одноплечевые широтно-импульсные преобразователи ......................... 261
5.4.2. Мостовой широтно-импульсный преобразователь ................................... 268
5.4.3. Динамические характеристики управляемых выпрямителей .............. 271
5.5. Автономные инверторы .................................................................................................... 271
5.5.1. Вводные замечания ................................................................................................ 271
5.5.2. Одноплечевой однофазный инвертор ............................................................ 271
5.5.3. Мостовой однофазный инвертор ...................................................................... 276
5.5.4. Трехфазные автономные инверторы ............................................................... 279
5.5.5. Многоуровневые инверторы ............................................................................... 284
Литература ..................................................................................................................................... 290

 Глава 6

Полупроводниковые преобразователи в цепи питания  
мехатронных модулей  движения и их реализации  
в среде SimInTech .............................................................................................291

6.1. Расчетная схема питания мехатронного модуля движения .............................. 291

Содержание

6.2. Выпрямитель с фильтром в качестве ВИП ................................................................ 293
6.3. Выпрямитель с цепью сброса энергии в качестве ВИП .......................................297
6.4. Динамические и энергетические процессы в мехатронном модуле   
движения, питающегося от ВИП на базе выпрямителя ............................................... 301
6.4.1. Анализ динамических процессов в мехатронном модуле  
движения, питающегося от ВИП на базе выпрямителя ....................................... 301
6.4.2. Электромагнитные и электромеханические процессы  
в мехатронном модуле движения, питающегося от ВИП на базе  
выпрямителя .......................................................................................................................... 304
6.4.3. Динамические и энергетические процессы в двухконтурном  
электроприводе постоянного тока ................................................................................317
Литература ..................................................................................................................................... 321

 Часть II

Моделирование и элементы проектирования  
электромеханических мехатронных модулей движения ................322

 Глава 7

Модули движения с двигателями постоянного тока ..........................323

7.1. Математическое описание, структурные схемы и модели двигателя  
постоянного тока в среде SimInTech .................................................................................... 323
7.1.1. Математическое описание двигателя постоянного тока (ДПТ) ............. 323
7.1.2. Структурная модель ДПТ в переменных состояния ................................... 325
7.1.3. Структурная модель ДПТ с представлением электромагнитной  
и электромеханической цепей передаточными функциями ............................ 329
7.1.4. Структурные модели ДПТ, составленные по корням  
характеристического уравнения ................................................................................... 331
7.2. Синтез регуляторов в одноконтурном электроприводе постоянного  
тока .................................................................................................................................................... 335
7.2.1. Синтез непрерывных регуляторов .................................................................... 335
7.2.2. Синтез цифровых регуляторов ............................................................................347
7.3. Синтез регуляторов в двухконтурном электроприводе постоянного  
тока .................................................................................................................................................... 354

Содержание 7

7.3.1. Синтез непрерывных регуляторов .................................................................... 354
7.3.2. Переоборудование регуляторов в двухконтурной системе ................... 359
7.4. Электроприводы постоянного тока в мехатронных системах .......................... 363
7.4.1. Синтез регуляторов в следящей робототехнической системе  
постоянного тока ................................................................................................................. 363
7.4.2. Система управления устройством чтения-записи жесткого  
диска компьютера ............................................................................................................... 374
7.5. Задания для самостоятельной работы ........................................................................ 376
Литература ......................................................................................................................................377

 Глава 8

Элементы проектирования мехатронных модулей движения ......378

8.1. Отдельные аспекты проектирования модулей движения .................................. 378
8.2. Примеры проектирования мехатронных модулей движения .......................... 379
8.3. Учебное проектирование ................................................................................................. 420
8.3.1. Методика учебного проектирования ............................................................... 420
8.3.2. Исходные данные для примера расчетной работы .................................. 423
8.3.3. Содержание расчетной работы .......................................................................... 424
Литература ..................................................................................................................................... 443

 Приложение А

Некоторые элементарные сведения по системам  
автоматического управления  с микропроцессорными ЭВМ ..........445

А.1. Принципы построения и работы систем ................................................................... 445
А.2. Структурные модели и упрощенный метод синтеза линейных  
(линеаризованных) систем ...................................................................................................... 449
Литература ..................................................................................................................................... 456

 Приложение Б

Расчет частотных характеристик в среде SimInTech ..........................457

Содержание

 Приложение В

Справочные данные и некоторые вспомогательные  
расчетные методики  для учебного проектирования  
мехатронных модулей движения ..............................................................469

В.1. Электрические двигатели ................................................................................................ 469
В.1.1. Двигатели постоянного тока [8.10] ................................................................... 469
В.1.2. Асинхронные двигатели серии АИР ................................................................. 483
В.2. Отдельные сведения по некоторым элементам , используемым  
в мехатронных модулях движения ...................................................................................... 491

В 70-х годах ХХ столетия возникла и в последующие годы сформировалась 
самостоятельная сфера науки и техники, получившая название мехатроника, базисом которой являются знания в области механики, электроники, 
микропроцессорной техники, информатики и компьютерных технологий. 
Мехатроника как дисциплина с 1994 года изучается во многих технических 
вузах, обеспечивающих подготовку специалистов для различных отраслей народного хозяйства РФ. Из широкого спектра вопросов, подлежащих 
освое нию при изучении дисциплины, регламентированных соответствующими государственными образовательными стандартами и программами, 
особое место занимают вопросы проектирования и создания мехатронных 
систем на основе математических моделей, реализуемых с помощью современных компьютерных прикладных программ. К числу таких программ 
относятся высокоэффективные как зарубежные (Matlab&Simulink, Sсilab, 
MATRIXX, VisSim, LabVIEW и др.), так и отечественные (МИК, ПА 9, СLASSIC, 
MBТУ, SimInTech и др.). В силу сложившихся обстоятельств в отечественной 
высшей школе в настоящее время доминируют преимущественно зарубежные программы. Они успешно используются многими российскими вузами в учебном процессе и активно продвигаются на отечественный рынок 
программных средств (так, например, торговая сеть технической литературы буквально «наводнена» различными учебными изданиями по пакету 
Matlab-Simulink; подобная ситуация имеет место и по многим другим зарубежным программам). Применение зарубежных программных средств, при 
наличии отечественных альтернативных программ, противоречит наметившейся в последнее время тенденции импортозамещения в различных 
отраслях народно-хозяйственной деятельности РФ, в том числе и в области информационных технологий в части программного обеспечения (ПО). 
В этой связи следует особо отметить, что многие ведущие отечественные 
университеты, можно сказать, предвосхитили возникшую в настоящее время проблему импортозамещения в области ПО. Ими к концу прошлого века 
были созданы программы визуального программирования с русскоязычной справочной системой и удобным для отечественных пользователей 
интерфейсом, не уступающие по своим функциональным возможностям 

Предисловие

Предисловие

и характеристикам зарубежным аналогам. К числу таких программ относятся перечисленные выше отечественные программы. Из них особого 
внимания заслуживает программное обеспечение «Среда динамического 
моделирования технических систем SimInTech», разработанное коллективом ООО «3В Сервис» (www.3v-services.com).
Являясь альтернативой зарубежным аналогам, ПО SimInTech позволяет 
рассчитывать, моделировать, исследовать и синтезировать различные технические устройства (механические, гидравлические, теплотехнические, 
электротехнические и др., в том числе средства и системы автоматики). 
Вся необходимая сопроводительная документация, методическое обеспечение и исчерпывающая справочная контекстная система SimInTech 
выполнена на русском языке, что для многих российских пользователей 
снимает языковый барьер, который имеет место при освоении и использовании таких программ, как Matlab-Simulink и др., с англоязычным методическим и справочным сопровождением.
Визуальные, интерактивные средства программирования, используемые в среде SimInTech, сопроводительная документация и методическое 
обеспечение, отличающиеся «прозрачностью» и доступностью для понимания, позволяют пользователю, при наличии элементарных навыков 
работы в операционной среде Windows, за кратчайший срок изучить его 
и успешно использовать в работе. Программное обеспечение SimInTech 
совместимо с ОС «Гослинукс», являющейся дистрибутивом операционной системы Linux, что немаловажно при необходимости перехода с ОС 
Windows на ОС Linux.
С учетом изложенного выше и многолетнего позитивного опыта применения, а также положительных результатов проектных работ на основе 
SimInTech, выполненных ООО «3В Сервис», ОАО «Гипротрубопровод», АО 
«Атомпроект», ПАО «Компания “Сухой”», АО «ОКБМ Африкантов» и др. 
[1.1–1.6], авторский коллектив посчитал целесообразным его применение 
в качестве программного обеспечения для учебного пособия. В пособии 
использована версия 1.6.0.1 ПО SimInTech, подробная информация о которой размещена на официальном сайте simintech.ru.
Для решения задач с применением ПО SimInTech, предусмотренных 
в учебном пособии, достаточно знать основные положения теории линейных систем автоматического управления и элементы теории дискретных 
систем в объеме, обозначенном в пособии, а также иметь навыки работы 
в среде ОС Windows.
Учебное пособие является результатом коллективного труда сотрудников ООО «3В Сервис» (А. Н. Петухов), Морской академии в Щецине (Польша) 
(С. Г. Герман-Галкин), АЧИИ Донского ГАУ (Б. А. Карташов, С. Н. Литвинов), 
долевое участие которых следующее: организационно-методологическое 
обеспечение и общая редакция пособия – А. Н. Петухов; предисловие, 
введение – коллегиально все авторы; глава 1 – Б. А. Карташов с участием 

Предисловие 11

С. Г. Герман-Галкина; главы 2–4 – Б. А. Карташов; глава 7 – С. Г. Герман-Галкин; глава 8 – Б. А. Карташов, С. Н. Литвинов; приложения А и Б – Б. А. Карташов; приложение В – Б. А. Карташов, С. Н. Литвинов.
Авторы считают своим долгом выразить признательность генеральному директору ООО «3В Сервис» В. Н. Петухову за финансовую помощь 
в процессе подготовки учебного пособия и его издании. Авторы благодарны профессорско-преподавательскому коллективу кафедры «Робототехника и мехатроника» ФГБОУ ВО ДГТУ в лице зав. кафедрой Е. А. Лукьянова, 
и особенно профессору Н. Ф. Карнаухову, за полезные замечания и рекомендации, которые были учтены при окончательном редактировании 
рукописи учебного пособия.

Целенаправленность учебного пособия состоит в изучении и освоении отдельных вопросов, связанных с проектированием мехатронных модулей 
движения. Для понимания сущности данного термина и его места в общей 
иерархии понятий и определений, относящихся к новому современному 
быстро развивающему научно-техническому направлению мехатроника, 
рассмотрим некоторые из них [1.7, 1.8]. 
Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященная созданию машин и систем с компьютерным управлением движением, которая 
базируется на знаниях в области механики, электромеханики, электротехники, силовой электроники, информатики, микропроцессорной техники и компьютерного управления движением машин и агрегатов. Термин «мехатроника» получен в результате комбинации слов «МЕХАника» 
и «элекТРОНИКА». 
Мехатроника как техническая дисциплина изучает синергетическое 
объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых технических модулей и систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением и их функциональными 
движениями.
В последнем определении подчеркивается синергетический характер 
интеграции всех компонентов (механических, электронных, электротехнических, компьютерных), который раскрывает термин синергия. Под этим 
термином понимается совместное действие, направленное на достижение 
общей цели. При синергетическом объединении достигается качественно 
новый результат – больший, чем арифметическая сумма вкладов отдельных составляющих. В этом же определении указывается на функциональный признак интеллектуального управления (он продиктован требованиями к обеспечению высокого качества выполнения сложных и точных 
движений), который может быть реализован на базе современных микропроцессорных и программных средств и перспективных подходов к синтезу управляющих алгоритмов на основе адаптивных методов классической 
и современной теории автоматического управления. 

Введение

Введение 13

Мехатронная система – множество механических, микропроцессорных, электронных и электротехнических компонентов, находящихся 
в связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство. 
Задачей мехатронной системы является преобразование информации 
о цели управления, поступающей с верхнего уровня, в целенаправленное 
функциональное движение системы с управлением на основе принципа 
обратной связи.
Мехатронный модуль движения (ММД) – функционально и конструктивно самостоятельное изделие, построенное с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его 
элементов, имеющих различную физическую природу, и предназначенное 
для реализации движений его выходного звена. 
Мехатронные модули движения, являющиеся конструктивными «кубиками», из которых строят мехатронные системы, в зависимости от 
вида используемой энергии подразделяются на электромеханические, 
электрогидравлические и электропневматические. Наибольшее применение из них нашли электромеханические модули, основной комплекс 
задач проектирования которых детально освещен в учебных изданиях 
[1.7, 1.8]. В данном учебном пособии рассматриваются отдельные вопросы проектирования, не вошедшие в [1.7, 1.8]. Их сущность сводится к синтезу оптимальных алгоритмов функционирования электромеханических 
модулей движения как цифровых электроприводов с обратными связями. 
В основе концептуального подхода синтеза положен так называемый метод «переоборудования регулятора» [1.8, 1.14], заключающийся в том, что 
первоначально оптимальный алгоритм управления определяется применительно к аналоговой модели модуля движения. Затем на основе найденного непрерывного алгоритма формируется его дискретный аналог, 
параметры которого уточняются в результате повторной оптимизации 
на основе дискретной модели модуля движения. Эти оптимизационные 
задачи, которые на основе аналитических методов классической теории 
автоматического управления решаются достаточно сложно, в учебном пособии реализуются намного проще с помощью специальных программных 
модулей (блоков) отечественного ПО SimInTech, о котором упоминалось 
выше в предисловии. При таком подходе отпадает необходимость в детальном освоении специальных вопросов теории оптимальных систем 
автоматического управления, требующей специальной математической 
подготовки, что позволит широкой студенческой аудитории, научно-техническим специа листам и конструкторам осваивать и решать вопросы 
проектирования мехатронных систем.

Технологии моделирования электромеханических мехатронных модулей движения в среде SimInTech

I

ЧАСТЬ
Технологии моделирования 
электромеханических 
мехатронных модулей 
движения в среде SimInTech

Обобщенная функциональная структура, модели и методология проектирования 15

1.1. Принципы построения 
мехатронных модулей движения

Базовые функциональные компоненты мехатронных систем по степени 
интеграции подразделяются на модули движения (МД), электромеханические модули движения (ЭМД) и мехатронные модули движения (ММД), 
краткие признаки которых применительно к электромеханическим модулям движения, сформулированные в [1.7, 1.8], следующие.
Модуль движения (МД) конструктивно и функционально представляет 
собой устройство, включающее в себя механическую и электротехническую части, которое можно использовать индивидуально и в различных 
комбинациях с другими модулями в составе мехатронной системы. Модуль движения включает в себя механическое устройство и электрический 
двигатель с источником питания. Примерами таких модулей движения 
являются электродвигатель-редуктор, электродвигатель-колесо, электродвигатель-барабан, электродвигатель-шпиндель и т. д.
Электромеханический модуль движения (ЭМД) конструктивно 
и функцио нально представляет собой устройство, включающее в себя механическую, электромеханическую и электрическую части, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими 
модулями в составе мехатронной системы. Отличительным признаком 
ЭМД от МД является наличие в нем силового полупроводникового преобразователя (СПП, рис. 1.1.1) датчиков для контроля величин (параметров), 
характеризующих модуль движения, и электронных блоков для обработки 
и усиления сигналов датчиков. То есть по сравнению с МД ЭМД дополняется информационным устройством, преобразующим контролируемую величину в сигнал, удобный для измерения, дальнейшей передачи, хранения 
и обработки. Примеры электромеханических модулей движения: электромеханические устройства, интегрирующие электродвигатели и различные 
преобразователи движения (винтовые, червячные, планетарные, волно
1

ГЛАВА

Обобщенная 
функциональная структура, 
модели и методология 
проектирования  мехатронных 
модулей движения

Обобщенная функциональная структура, модели и методология проектирования

вые и т. п.), дополненные необходимыми датчиками (преобразователями 
механических величин в электрические сигналы). 
Электромеханические модули движения являются функциональными 
«кубиками», из которых можно компоновать сложные мехатронные системы. 
Мехатронный модуль движения (ММД) – конструктивно и функционально самостоятельное устройство с синергетической интеграцией 
механической, электрической (электротехнической), информационной 
и компьютерной (электронной) частей, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями в составе 
мехатронной системы. То есть по сравнению с ЭМД в конструкцию ММД 
дополнительно встраивают микропроцессорное вычислительное устройство, что придает модулю интеллектуальные свойства и является отличительным признаком от ЭМД. 
Взаимную интеграцию рассмотренных модулей движения поясняет 
рис. 1.1.1. Из его анализа следует, что наибольшими синергетическими 
признаками обладают мехатронные модули движения, которые являются 
главными конструктивными компонентами современных мехатронных 
систем. Мехатронные модули движения по своим функциональным возможностям идентичны традиционным электроприводам с компьютерным 
управлением (цифровым электроприводам), отличаясь от них только конструктивным интеграционным исполнением. 

Рис. 1.1.1. Интеграция различных типов модулей движения

Это позволяет рассматривать их как цифровые электроприводы [1.7] 
(рис. 1.1.2).