В. В. Сторожев, Н. А. Феоктистов 

 

 

 

 

 
СИСТЕМОТЕХНИКА И МЕХАТРОНИКА 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН 

И ОБОРУДОВАНИЯ 

 

 

Монография 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 

Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°» 

2018 

 

УДК 681.527.7 
ББК 621.865.8 
С82 
 
Авторы: 

В.В. Сторожев — заслуженный деятель науки и техники РФ, 
доктор технических наук, профессор. 
Н.А. Феоктистов — заслуженный работник высшей школы РФ,  
доктор технических наук, профессор. 
Рецензенты: 

Б.В. Тарасов — генеральный 
директор 
НПЦ 
«Модуль», 
доктор 
технических наук, профессор; 

Б.С. Сункуев — зав. кафедрой машин и аппаратов легкой промыш- 
ленности, доктор технических наук, профессор Витебского государст- 
венного технологического университета (республика Беларусь); 

М.С. Ершов — зав. кафедрой теоретической электротехники и элект- 
рификации нефтяной и газовой промышленности РГТУ нефти и газа  
им. Губкина, доктор технических наук, профессор. 

 
 
Сторожев В. В. 

Системотехника и мехатроника технологических машин и обо- 
рудования: Монография / В. В. Сторожев, Н. А. Феоктистов; под ред. д.т.н., 
профессора Феоктистова Н. А. — М.: Издательско-торговая корпорация 
«Дашков и К°», 2018. — 412 с. 
 
 
ISBN 978-5-394-02468-9 
В монографии рассмотрены основные элементы, узлы и устройства для 
построения электронных, электромехатронных и мехатронных систем и 
комплексов технологических машин и оборудования, принципы построения 
электромехатронных и мехатронных модулей и систем, приведены 
практические 
системы 
автоматизации 
технологических 
процессов 
и 
производств на их основе. 
Для инженерно-технических работников, связанных с разработкой и 
внедрением электромехатронных, мехатронных и интеллектуальных систем 
и комплексов, а также аспирантов и студентов технологических и маши- 
ностроительных направлений подготовки. 
 
 
 
© Сторожев В. В., Феоктистов Н. А., 2014 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
Введение ................................................................................................................. 5 
Глава 1. Элементы электронных схем ............................................................ 9 
1.1. Полупроводниковые приборы. Принцип работы электронно-
дырочного перехода .......................................................................................... 9 
1.2. Биполярные транзисторы ......................................................................... 18 
1.3. Полевые транзисторы ............................................................................... 32 
1.4. Операционные усилители ........................................................................ 41 
1.5. Интегральные микросхемы ...................................................................... 51 
Глава 2. Логические функции и логические элементы ............................. 55 
2.1. Основы алгебры логики. Логические функции и способы  
их записи ........................................................................................................... 55 
2.2. Минимизация логических функций ........................................................ 65 
2.3. Базовые логические элементы. Схемотехника логических  
элементов различных логик. ........................................................................... 73 
2.4. Особенности выходных каскадов цифровых микросхем ..................... 88 
2.5. Реализация логических функций. Особенности построения 
логических устройств ...................................................................................... 90 
Глава 3. Сигналы импульсных и цифровых устройств ............................ 96 
3.1. Общие сведения ........................................................................................ 96 
3.2. Сигналы импульсных устройств ............................................................. 97 
3.3. Сигналы цифровых устройств ............................................................... 103 
Глава 4. Последовательностные цифровые устройства .......................... 106 
4.1. Триггеры .................................................................................................. 107 
4.2. Регистры................................................................................................... 126 
4.3. Счетчики .................................................................................................. 131 
Глава 5. Комбинационные цифровые устройства .................................... 139 
5.1. Дешифраторы и шифраторы .................................................................. 139 
5.2. Мультиплексоры и демультиплексоры ................................................ 142 
5.3. Компораторы ........................................................................................... 144 
5.4. Сумматоры ............................................................................................... 149 
Глава 6. Мехатронные системы в управлении механическим  
движением и функциями технологических машин .................................. 153 
6.1. Основы мехатроники и принципы построения мехатронных  
модулей в системах машин. Мехатроника, основные определения ......... 153 
6.2. Структурные особенности различных процессов производства  
и принципы построения модуля движения элементов машин ................. 161 
6.3. Промышленное оборудование для раскроя материалов .................... 163 
6.4. Общая структура и особенности функционирования машин 
швейного и обувного производства ............................................................. 182 
6.5. Основные механизмы швейных машин ............................................... 192 

6.6. Швейные машины специального назначения, включая машины  
с компьютерным управлением ..................................................................... 222 
Глава 7. Электромехатронные модули и их компоненты ....................... 285 
7.1. Электромехатронные модули и их связь с мехатронными  
системами и комплексами ............................................................................ 285 
7.2. Электрические двигатели – энергетические элементы 
мехатронных систем ...................................................................................... 290 
7.3. Преобразователи электрической энергии – энергетические  
элементы мехатронных систем .................................................................... 302 
7.4. Информационно – измерительные элементы мехатронных  
систем. ............................................................................................................. 340 
Глава 8. Мехатронные модули и системы в объектах управления 
технологическими процессами и производствами ................................... 345 
8.1. Модернизация системы автоматического управления установки 
очистки технологического оборудования от налипания сыпучих 
порошкообразных веществ. .......................................................................... 346 
8.2. Автоматизация пусковых режимов асинхронных двигателей 
технологических производств. ..................................................................... 353 
8.3. Тиристорный регулятор напряжения вентиляторного двигателя. .... 357 
8.4 Система автоматического управления мотальных машин. ................. 359 
8.5. Система автоматического регулирования электрофильтра. .............. 364 
8.6. Автоматизация режимов электролизно-водных генераторов 
водородно-кислородной смеси с применением микропроцессора  
и микро-ЭВМ. ................................................................................................. 366 
8.7. Тиристорные устройства защиты и управления электродвигателей 
технологических линий текстильного производства ................................. 385 
8.8. Генератор с транзисторным коммутатором импульсов для 
электроэрозивной обработки металлических изделий .............................. 389 
8.9. Ветроэлектронная станция (ВЭС) со стабилизацией параметров 
электрической энергии. ................................................................................. 390 
8.10. Автоматизация промышленных швейных машин на базе 
микропроцессорной техники ........................................................................ 393 
8.11. Цифровой регулятор температуры для автоматизированного 
гладильного пресса ........................................................................................ 397 
Литература ........................................................................................................ 403 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 

Для того чтобы технологическое оборудование могло автоматически 

работать, необходимо оснащение управляющими и регулирующими 

устройствами или системами. С развитием электроники и микроэлектроники 

произошел резкий скачок в процессы создания и внедрения этих систем. 

Наряду 
с 
управлением 
и 
регулированием 
важнейшими 
задачами 

технологического процесса являются контроль и анализ технологических 

операций, регистрация параметров процесса, индикация режимов, в том 

числе нарушений технологического процесса и аварий и т.д. Для этого 

возникает необходимость сбора и обработки информации, ввода, передачи и 

вывода данных, регистрации эксплуатационных параметров. С этой целью 

возникла реальная возможность внедрения микроконтроллеров (микро-

ЭВМ) и управляющих вычислительных машин. Для того, чтобы создавать 

такие системы необходима современная элементная база на основе 

достижений 
электроники 
и 
микроэлектроники, 
электромеханики 
и 

информатики. Современная электроника позволяет обеспечить построение 

электронных систем и комплексов [5,6,14,19,27-29,31,49,65,86,87,89,90], в 

том 
числе 
создание 
автоматических 
систем 
электромеханического 

преобразования энергии [7,30,32,44,49,53,89,90]. Большие достижения и 

опыт 
разработки 
электронных, 
электротехнических 
или 

электромеханических, и механических систем позволяет перейти на новый 

уровень 
разработки 
систем 
автоматизированного 
управления 
и 

регулирования технологического оборудования машин и аппаратов с 

помощью мехатронных модулей систем технологического оборудования [9-

11,20,45,46,50,51,52,60,69,72,73,82,83].  

В 
основу 
построения 
мехатронной 
системы 
заложены 
идеи 

взаимосвязи 
механических, 
электротехнических, 
электронных 
и 

компьютерных 
элементов 
и 
устройств. 
Каждая 
из 
перечисленных 

составляющих обеспечивает вполне самостоятельные функции и они 

объединяются таким образом, что образуют новую систему, которая 

получает качественно новые свойства. Наиболее точное определение, 

известное в научно-технической литературе: «Мехатроника изучает 

синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, 

электротехническими 
и 
компьютерными 
компонентами 
с 
целью 

проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин 

и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональным 

движением». Началу этого нового направления в науке и технике положено 

в работах зарубежных ученых Иссии Х., Шмида Д., Хакса Иришика, Тамра 

М. и других. Среди отечественных ученых следует отметить работы 

Подураева Ю.В., Егорова О.Д., Карнаухова Н.Ф., Осипова Ю.М., Смирнова 

А.Б., Макарова И.М., Лохина В.М., Германа-Галкина С.Г. и других. 

Кроме того, в настоящее время существуют актуальные проблемы 

развития 
науки 
и 
техники, 
обусловленные 
необходимостью 

технологической модернизации российской промышленности, например в 

технологических комплексах формирования и обработки поверхностей 

изделий сложной пространственной формы, один из путей которого – 

создание 
их 
на 
основе 
мультикоординатных 
систем 
движения 
с 

интеллектуальным управлением. 

Вышеизложенное позволяет отметить, что развитие мехатроники 

продолжается и в новых прорывных направлениях науки и техники, и в 

«старых» областях, в которых высокое качество исследований и 

производство 
новых 
видов 
изделий. 
Оно 
обусловлено 
развитием 

микроэлектроники 
и 
компьютерных 
технологий, 
созданием 
новых 

электротехнических материалов. На стыке электромеханики, электроники и 

компьютерных технологий выделяется область мехатроники, названная 

исследователями «электромехатроника» (или «электромеханотроника»), 

обеспечивающая 
разработку 
интеллектуальных 
(самоуправляемых, 

самодиагностируемых и защищаемых от внешних воздействий), а также 

мультикоординатных 
устройств 
преобразования 
электрической 
и 

механической энергии. 

В нашей стране наиболее перспективно развивалось направление, 

связанное с электронизацией технических устройств, которое заключается в 

совмещении 
электромеханических 
преобразователей 
с 
электронными 

приборами и устройствами или электронными компонентами. В результате 

возник новый термин «электромеханотроника». Официальное признание 

электромеханотроники состоялось в октябре 1987 года на Первой 

Всесоюзной НТК по электромеханотронике. Развитие этого направления в 

соответствие с новой терминологией нашло отражение в работах Осипова 

Ю.М., Коськина Ю.П., Глебова И.А., Германа-Галкина С.Г., Бута Д.А., 

Смирнова Ю.С., Домрачева В.И., Аракепян А.К., Афанасьева А.А. и других. 

Мехатронные модули и системы включают в себя исполнительные 

органы, электромехатронные их не содержат. Кроме этого мехатроника 

предполагает в качестве главного признака использование компьютерного 

управления. 

В настоящее время и в ближайшем будущем бурное развитие 

нанотехнологий вторгается в мехатронику и определяет пути развития 

наномехатроники, расширяющего понятие «мехатроника» – нового понятия 

в 
связи 
с 
прогрессом 
науки 
и 
техники. 
Системы 
движения 
в 

наномехатронике организованы на уровне молекул, групп и отдельных 

атомов, возникают условия для инновационного развития экономики [7]. 

В данной книге авторы уделили внимание современной элементной 

базе, на базе которой можно построить составные компоненты мехатроники: 

электронным 
компонентам 
энергетического 
и 
информационного 

назначения, электромеханотронным комплексам, связующим звеньям 

электромеханотроники с электротехнологическими установками. Изложены 

принципы построения мехатронных модулей систем технологического 

оборудования, электромехатронных преобразователей и ихкомпонент. 

В последней главе приведены разработки авторов по разработке 

электронных 
и 
мехатронных 
систем 
управления 
технологическими 

процессами и производствами в области легкой промышленности и 

сервисного обслуживания. 

Книга 
предназначена 
для 
инженерно-технических 
работников, 

занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией систем 

автоматизации технологического оборудования, а также аспирантов и 

магистров технологических направлений подготовки. 

 

 

 
 

ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ 

 

1.1. Полупроводниковые приборы. Принцип работы электронно-

дырочного перехода 

 

К полупроводникам относят материалы, проводимость которых 

больше 
проводимости 
диэлектриков, 
но 
меньше 
проводимости 

проводников. В радиоэлектронике в качестве полупроводников наиболее 

часто используются кремний, германий, арсенид галлия, селен и др. 

Химически чистые или i-полупроводники имеют небольшую собственную 

проводимость, обусловленную свободными электронами и дырками 

теплового происхождения [3]. 

Полупроводник n-типа — это полупроводник с преобладающей 

электронной проводимостью. Преобладающая электронная проводимость 

возникает при добавлении донорных примесей, например пятивалентных 

сурьмы, мышьяка и т. п. к четырехвалентному кремнию. Атом примеси 

легко ионизируется, добавляя электрон к электронам собственной 

проводимости. 

Полупроводник р-типа возникает при добавлении к химически 

чистому полупроводнику акцепторных примесей, например, при добавлении 

трехвалентных бора, алюминия и др. к четырехвалентному кремнию. Атом 

примеси ионизируется, принимая электрон от соседнего атома основного 

полупроводника и создавая тем самым дырку в полупроводнике. Примесные 

полупроводники называются легированными. 

При нормальной температуре практически все атомы примесей 

ионизируются и проводимость примесного полупроводника существенно 

возрастает. Отметим, что, несмотря на возникновение только одного типа 

проводимости: или n-, или p-типа, примесные полупроводники будут 

электрически нейтральны, так как заряды ионов скомпенсированы зарядами 

основных носителей заряда — электронов в n-области и дырок p-области 

полупроводника. Дырки в n-полупроводнике или электроны в р-

полупроводнике называют неосновными носителями зарядов. 

Наибольшее применение нашли полупроводники, одна часть которых 

легирована акцепторными примесями, а другая — донорными. Переход 

между 
двумя 
областями 
полупроводника 
с 
разными 
типами 

электропроводности называется электронно-дырочным или р-п-переходом 

(рис. 1.1). 

 

 

Рис. 1.1. P-n-переход 

После создания в полупроводнике р- и n-областей начинается 

диффузионный ток основных носителей заряда: дырок из р-области в n-

область и электронов в обратном направлении. Диффундируя, электроны и 

дырки оставляют за собой соответственно положительно и отрицательно 

заряженные ионы примесей. Отметим, что эти ионы жестко закреплены в 

кристаллической решетке и перемещаться не могут. В n-области 

диффундирующие дырки рекомбинируют с электронами, резко уменьшая 

концентрацию электронов и дополнительно образуя нескомпенсированные 

положительные ионы. Аналогично в р-области диффундирующие электроны 

рекомбинируют с дырками, резко уменьшая концентрацию основных 

носителей 
заряда 
и 
дополнительно 
образуя 
нескомпенсированные 

отрицательные ионы. 

Таким образом, вблизи границы р- и n-областей концентрация 

основных 
носителей 
заряда 
резко 
падает. 
Возникает 
обедненный 

носителями слой, где "обнажаются" не скомпенсированные отрицательные и 

положительные заряды акцепторных и донорных ионов. Ширина этого 

обедненного слоя для кремниевого перехода l  ≈ 0,3 мкм. 

Появление противоположно заряженных ионов приводит к воз-

никновению электрического поля в переходе. Это поле направлено так, что 

тормозит 
процессы 
диффузии. 
Возникшему 
электрическому 
полю 

соответствует контактная разность потенциалов φk. При температуре Т= 

27°С для кремниевого перехода φk ≈ 0,8 В. 

Электрическое поле в переходе обусловливает появление дрейфового 

тока — тока неосновных носителей зарядов в переходе: дырки из n-области 

переносятся электрическим полем в p-область, а электроны из p-области 

затягиваются 
в 
n-область. 
Явление 
поступления 
неосновных 
(для 

рассматриваемого слоя) носителей электричества в рассматриваемый слой 

полупроводника называется инжекцией (или эмиссией). 

Величина дрейфового тока мала, так как мала концентрация 

неосновных носителей заряда. В установившемся состоянии диффузионный 

ток будет равен дрейфовому току. 

Пусть к р-n-переходу подключен источник небольшого постоянного 

напряжения, причем плюс этого напряжения прикладывается к р-области 

(рис. 
1.1). 
Электрическое 
поле, 
создаваемое 
этим 
источником, 

накладывается на внутреннее поле в р-n-переходе, созданное ионами 

примесей. Результирующее поле в переходе уменьшается. Возникает 

дополнительная диффузия основных носителей заряда. Диффузионный ток 

через переход становится больше дрейфового. Причем, чем больше 

прикладываемое напряжение, тем больше диффузионный ток через переход. 

Напряжение, при котором ток через р-n-переход быстро увеличивается, 

называется прямым (открывающим) напряжением. Возникающий при этом 

большой ток называется прямым током. Сопротивление р-n-перехода при 

подаче прямого напряжения резко уменьшается. 

Подключим к р-n-переходу источник постоянного напряжения, так 

чтобы минус этого напряжения прикладывался к р-области. Дополнительное 

электрическое поле, создаваемое источником, складывается с внутренним 

полем в р-n-переходе. Результирующее поле в переходе увеличивается. 

Диффузия основных носителей заряда уменьшается, а при дальнейшем 

увеличении приложенного напряжения почти полностью прекращается. 

Дрейфовый ток через переход незначительно увеличивается и становится 

больше диффузионного. Однако сопротивление перехода протекающему 

току остается увеличенным, так как концентрация неосновных носителей в 

полупроводнике мала и дрейфовый ток при прочих равных условиях много 

меньше прямого тока. Поданное напряжение называется обратным 

(запирающим или закрывающим) напряжением, а возникающий при этом 

небольшой ток называют обратным током. 

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) перехода представлена на рис. 

1.2. Из анализа ВАХ следует основное свойство p-n-перехода — 

односторонняя проводимость. При подаче прямого напряжения ток через 

переход 
возрастает 
по 
экспненциальному 
закону. 
Обратный 
ток, 

возникающий при обратном наряжении, значительно меньше прямого и 

слабо зависит от величины обратного напряжения. При подаче на переход 

переменного напряжения через переход будет протекать в основном прямой 

ток. Поэтому р-n-переход называют выпрямляющим переходом. 

 

 

Рис. 1.2. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода 

Наличие в p-n-переходе и в областях, прилегающих к нему, зарядов: 

ионов, электронов и дырок, свидетельствует о том, что переход обладает 

емкостью. Различают барьерную и диффузионную емкости.