Разработка методов и средств повышения качества управления электроприводами обрабатывающих центров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Алексеев Александр Александрович

• Алексеев Александр Александрович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Алексеев Александр Александрович

Введение

1. Анализ современных систем управления станочным электроприводом

1.1. Анализ тенденций развития современного станкостроения

1.2. Обзор и анализ современных станочных электроприводов

1.3. Анализ функциональных и технических требований к станочным электроприводам

1.4. Принципы рационального построения станочного электропривода

Выводы

2. Разработка методов повышения эффективности шпиндельного асинхронного электропривода

Вводные замечания

2.1. Способы максимизации момента

2.1. Анализ существующих решений ослабления поля

2.2. Теоретические основы трехзонного управления с максимальным моментом

2.3. Разработка системы трехзонного управления

2.4. Параметры системы управления

2.5. Испытания системы управления

Выводы

3. Разработка методов повышения точности и эффективности управления электроприводом подачи

Вводные замечания

3.1. Моделирование привода подачи

3.1.1. Динамика движения оси

3.1.2. Осевой люфт

3.1.3. Трение

3.1.4. Электромагнитные процессы

3.1.5. Модель привода подачи

3.2. Разработка системы управления

3.2.1. Типовая СУЭП привода подачи

3.2.2. Оценка качества работы приводов подачи

3.2.3. Настройка СУЭП

3.2.4. Расширение полосы пропускания и уменьшение влияния резонансов

3.2.5. Компенсация люфта

3.2.6. Компенсация трения

3.3. Экспериментальные результаты

Выводы

4. Разработка методов настройки систем управления станочным электроприводом

Вводные замечания

4.1. Обзор методов настройки ПИД-регуляторов

4.2. Алгоритм автонастройки регуляторов тока/положения/скорости

4.2.1. Автоматизация работы алгоритма автонастройки

4.3. Идентификация параметров схемы замещения АД

4.4. Автонастройка упреждающих связей регулятора положения

4.5. Построение частотных характеристик

4.5.1. Описание типовых тестовых сигналов для снятия частотных характеристик

4.5.2. Сравнение тестовых сигналов

Выводы

5. Разработка и внедрение комплекса сервисного ПО

5.1. Формулирование требований к сервисному ПО

5.2. Программная реализация

5.3. Разработка испытательного стенда

5.4. Методика настройки

5.5. Результаты обработки тестовых деталей

5.6. Результаты промышленных внедрений

Выводы

Общие выводы и результаты

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и средств повышения качества управления электроприводами обрабатывающих центров»

Введение

Актуальность. Станкостроение, являясь основой машиностроения, играет важную роль в развитии страны. От состояния станкостроения в значительной степени зависит уровень развития российской промышленности и экономики в целом. На металлорежущих станках и обрабатывающих центрах (МС/ОЦ) производятся детали для автомобильной, аэрокосмической, атомной, медицинской и других отраслей. Современные МС/ОЦ оснащаются системами числового программного управления (СЧПУ), позволяющими выполнять эти операции с высокой точностью и производительностью.

Передовые производители СЧПУ (Fanuc, Siemens, Mitsubishi, Heidenhain, Okuma, Haas), поставляющие продукцию на подавляющее большинство современных МС/ОЦ, предлагают комплектные решения, включающее в себя как основные элементы СЧПУ (контроллер, пульт управления, элементы электроавтоматики, двигатели с датчиками), так и электропривод с системой управления. В то же время отечественные изготовители (Балт-Систем, Модмаш-Софт, Titanium) предпочитают комплектовать свои СЧПУ электроприводами сторонних производителей (Keb, Yaskawa, Lenze, Delta, HIWIN). Такие приводы зачастую являются общепромышленными, не отвечающими современным станочным требованиям. Их применение в станках не позволяет конкурировать по достигаемой точности, производительности и энергоэффективности с комплектными зарубежными решениями.

Из-за этого на МС/ОЦ высокой и особо высокой точности (классы В, А и С, имеющие погрешности до 1-2 мкм) российского производства ставились преимущественно зарубежные СЧПУ, а отечественные применялись в оборудовании с менее жесткими требованиями (классы Н и П, имеющие погрешности до 10 мкм) - например, при модернизации старых станков. Однако рост числа санкций, накладываемых на Россию с 2014 года, привел к уходу из страны большинства зарубежных компаний и сложностям при комплектации их компонентов на станки собственного производства. В связи с этим, разработка системы управления электроприводом в рамках отечественной СЧПУ является актуальной задачей.

Для полноценного замещения зарубежных аналогов необходимо разработать не только электропривод, но и средства для его настройки. Чем функциональнее система, тем больше в ней настраиваемых параметров, и тем сложнее процесс пусконаладки и сервисного обслуживания. Ручная настройка каждого из них потребовала бы от наладчиков большого объёма знаний в областях теории электропривода и автоуправления и заняла бы не один час времени. В связи с этим, разработка современных СУЭП требует реализации методов их автонастройки в сопроводительном сервисном ПО.

Определение проблем.

1. Отсутствие решений по системам управления асинхронными шпиндельными двигателями, способных обеспечить высокую производительность труда и эффективность обработки.

2. Отсутствие комплексных решений по системам управления электроприводом подачи, позволяющих компенсировать эффекты влияния несовершенства механики станка на точность обработки.

3. Отсутствие комплексного метода идентификации параметров электропривода подачи и главного движения и автонастройки регуляторов соответствующих систем управления.

Степень разработанности проблем. Значительный вклад в исследование вопросов повышения динамических характеристик, точности обработки и автонастройки регуляторов внесли Y. Altintas, K. Erkorkmaz, S. Kim, M. Ruderman, S. Yamada, Y. Tarng, M. Tsai, YD. Son, L. Zarri и другие зарубежные исследователи. В России можно выделить ученых из ИГЭУ (Виноградов А.Б., Тарарыкин С.В., Бурков А.П., Смирнов А.А., Иванков В.А., Лебедев С.К., Анисимов А.А., Аполонский В.В. и др.) МЭИ (Балковой А.П., Рассудов Л.Н., Ану-чин А.С., Шпак Д.М., Козаченко В.Ф. и др.), СПбГЭТУ (Белов МП., Носиров И.С.), СамГТУ (Лысов В.Е., Сидоров И.С., Стариков А.В., Рокало Д.Ю.), НГТУ (Чернов Е.А.) и других высших учебных заведений, занимающихся этой тематикой. Несмотря на высокий уровень проработанности исследований как с теоретической, так и с практической стороны, в большинстве работ проблемы повышения производительности, точности и автонастройки, как правило, рассматриваются обособленно, и комплексного решения по улучшению качества управления приводами подачи и главного движения не предлагается.

Объектом исследования являются электроприводы подачи и главного движения современных металлорежущих станков и обрабатывающих центров.

Предметом исследования являются структуры систем векторного управления асинхронных и синхронных двигателей, включающие блоки ослабления поля и компенсации факторов, влияющих на точность обработки, а также методы идентификации параметров электропривода и автонастройки ПИД-регуляторов.

Целью работы является разработка и исследование методов и средств построения высокоэффективных систем управления электроприводами современных МС/ОЦ,

обеспечивающих повышение точности и производительности обработки, а также методов и инструментов для их быстрой и качественной настройки.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач.

1. Проанализировать решения по станочным электроприводам, применяемые ведущими мировыми производителями СЧПУ, и сформулировать требования к СУЭП подачи и главного движения.

2. Разработать систему управления электроприводом главного движения, отвечающую поставленным требованиям.

3. Провести анализ влияния несовершенств механики станка на качество работы привода подачи, и разработать систему управления, компенсирующую возникающие негативные эффекты.

4. Разработать методы идентификации параметров электропривода и автонастройки элементов систем управления подачи и главного движения.

5. Разработать сервисное ПО для диагностики и настройки электроприводов подачи и главного движения.

6. Провести модельные и экспериментальные испытания разработанных решений.

Методология и методы исследования. Исследования базируются на теории электропривода, автоматического управления, цифровой обработки сигналов, электрических машин, дифференциальных и разностных уравнений, преобразовании Фурье, методах математического моделирования (МА^АВ Simulink), программировании на языках МА^АВ и С++, экспериментальных исследованиях.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1. Разработана система управления асинхронным электроприводом главного движения, реализующая алгоритмы эффективного управления в трех зонах регулирования скорости, отличающаяся возможностью работы по предельной механической характеристике двигателя с учётом ограничений на ток и напряжение статора.

2. Разработана математическая модель двухмассового электропривода подачи, отличающаяся учетом влияния осевого люфта и трения с эффектом Штрибека.

3. Предложена оригинальная структура системы управления электроприводом подачи, которая объединяет функциональные блоки компенсации трения, люфта и

механических резонансов, обеспечивая повышение точности контурной обработки на всем диапазоне рабочих скоростей, что превосходит существующие подходы как по функциональной полноте, так и по эффективности.

4. Предложена методика автонастройки ПИД-регуляторов систем управления электроприводами подачи и главного движения, отличающаяся применимостью ко всем контурам и типам электродвигателей, характерным современным МС/ОЦ.

5. Предложена методика эффективной настройки станочного электропривода, объединяющая разработанные алгоритмы автонастройки и идентификации, позволяющая обеспечить желаемое качество управления.

Практическую ценность имеют следующие результаты работы.

1. Разработанные СУЭП подачи и главного движения, позволяющие повысить производительность и точность МС/ОЦ, а также обеспечить условия для высокоскоростной обработки.

2. Алгоритм идентификации и автонастройки электроприводов подачи и главного движения, позволяющий получить параметры разработанных СУЭП, обеспечивающие их качественную работу.

3. Разработанный программный комплекс ServoIDE для диагностики и настройки электроприводов СЧПУ IntNC Pro, позволяющий персоналу оперативно проводить пуско-наладочные и сервисные работы по обслуживанию электропривода.

4. Разработанные решения по СУЭП вошли в состав СЧПУ IntNC Pro, которая внедрена на российских станкостроительных предприятиях.

На защиту выносятся:

1. Принципы трехзонного управления скоростью асинхронного шпиндельного двигателя, обеспечивающие поддержание максимального момента в каждой зоне с учётом ограничений по току и напряжению.

2. Математическая модель двухмассового электропривода подачи, учитывающая влияние осевого люфта и трения с эффектом Штрибека, и позволяющая оценивать точность контурной обработки по круговым диаграммам согласно ГОСТ ISO 230-4-2015.

3. Принципы построения системы управления электроприводом подачи, позволяющие скомпенсировать влияние механических резонансов, осевого люфта и трения за счет

введения дополнительных функциональных блоков, что повышает точность контурной обработки.

4. Методика автонастройки регуляторов тока, скорости и положения на основе непараметрической идентификации частотной характеристики объекта управления, применимая к различным типам электроприводов.

5. Методика автоматизированной идентификации электромагнитных и механических параметров электроприводов подачи и главного движения с последующим расчетом параметров системы управления на их основе.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами моделирования, а также исследований, выполненных на экспериментальных стендах и промышленных МС/ОЦ производства АО «КЭМЗ» и АО «СТП ПЗМЦ».

Апробация. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Всероссийских и Международных научно-технических конференциях:

- «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Иваново, ИГЭУ, 2019, 2021, 2023 гг.);

- «ЭНЕРГИЯ» (Иваново, ИГЭУ, 2019, 2020, 2021, 2022, 2023 гг.);

- «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2019, 2020, 2021, 2022 гг.);

- «Пром-Инжиниринг» (Сочи, 2021, 2022, 2023 гг.);

- «Наука, инновации, технологии» (Новосибирск, НГТУ, 2020 г.);

- «Автоматизированный Электропривод - 2022» (Тула, ТулГУ, 2022 г.);

- «Актуальные вопросы электропривода - 2024» (Москва, МЭИ, 2024 г.);

- «International Symposium on Electrical Power Drive Systems 2024» (Новосибирск, НГТУ «НЭТИ», 2024).

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует п.3 «Разработка, структурный и параметрический синтез, оптимизация электротехнических комплексов, систем и их компонентов, разработка алгоритмов эффективного управления» паспорта специальности 2.4.2 - «Электротехнические комплексы и системы».

Внедрение результатов работы. Разработанные решения являются частью отечественной системы ЧПУ IntNC Pro. Эта система поставляется на современные МС/ОЦ производства АО «КЭМЗ» (Ковров), АО «СТП ПЗМЦ» (Пермь), ООО «Униматик» (Екатеринбург), а также используется при модернизации станков концерна ВКО «Алмаз-Антей» дочерним предприятием «Купол ПРО» (Ижевск). По состоянию на конец 2024 года не менее 200 станков работают под управлением разных версий IntNC Pro, в которых реализованы описанные решения по электроприводу, о чем свидетельствуют 4 акта внедрения.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 12 работах, в том числе: 3 статьи в журналах из перечня рецензируемых научных изданий ВАК РФ; 4 статьи в материалах Scopus; 3 публикации, входящие в систему цитирования РИНЦ; 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад автора. Все разработки и научные результаты, выносимые на защиту и изложенные в тексте диссертации, получены самим автором или при его непосредственном участии. Объём личного вклада автора в выполненные исследования и разработки составляет не менее 90%. Экспериментальные исследования и программная реализация выполнены автором лично.

1. Анализ современных систем управления станочным электроприводом

1.1. Анализ тенденций развития современного станкостроения

Подавляющее большинство выпускаемых станков в России и во всем мире оснащаются системами ЧПУ [12]. Крупнейшими международными производителями металлорежущих станков являются компании Yamazaki Mazak (Япония), Trumpf (Германия), DMG Mori (Германия + Япония), Haas (США), Okuma (Япония) [102, 103]. В России ключевыми производителями являются ООО «СТАН», ПАО «Тяжпрессмаш», ПАО «Саста», ООО «Станкомашстрой» [103-105].

Анализ их продукции, а также результатов крупнейших российских выставок [103, 104] показал, что наиболее востребованными остаются станки токарного и фрезерного типов. При этом наблюдается рост спроса на многоцелевые обрабатывающие центры, предназначенные для выполнения токарных, сверлильных, фрезерных, шлифовальных и других операций. Этот подход позволяет значительно сократить время изготовления детали, уменьшить трудозатраты и повысить производительность, так как отпадает необходимость ручной установки заготовок, смены инструмента и промежуточных переналадок.

На многоцелевых станках дополнительно могут устанавливаться револьверная головка с фрезерным шпинделем, магазин инструментов, противошпиндель вместо задней бабки [12], при этом каждый шпиндель может работать в режиме позиционирования, что расширяет число управляемых осей. Для некоторых деталей с особо сложной геометрией, таких как турбинные лопатки или корпусы механизмов, применяется пятикоординатная обработка, для которой на станок устанавливается наклонно-поворотный стол. Таким образом, современные металлорежущие станки содержат до девяти и более управляемых осей.

Точность является ключевым параметром, используемым для оценки свойств МС/ОЦ. Прецизионная обработка является обязательным условием качества выпускаемой продукции. Высокая точность позволяет отказаться от финишной шлифовки деталей, таким образом увеличивая производительность труда. Для достижения требуемой точности станков применяются методы совершенствования их механики и повышения качества управления [8].

К первым относится использование кинематических передач высокой жесткости и без зазоров. На современных станках все чаще встречается прямой привод от двигателя к рабочему органу: прецизионные линейные двигатели на осях и безредукторные мотор-

шпиндели. Такие решения являются более дорогими и могут не вписываться в геометрию станка. Следовательно, стоимость таких станков будет выше. Вторые методы реализуются на стороне СЧПУ и включают в себя таблицы компенсации неравномерности шарико-вин-товой передачи (ШВП), а также методы компенсации зазора, неперпендикулярности осей и трения.

Еще одним неизменным требованием к станкам является высокая производительность. Помимо рассмотренного ранее увеличения числа управляемых осей, на нее непосредственно влияют характеристики шпиндельных и осевых двигателей. Более мощные шпиндели позволяют осуществлять обработку за меньшее количество проходов и использовать инструмент большого диаметра, что существенно уменьшает время выполнения одной технологической операции [11]. Кроме того, на шпиндельных двигателях с высокой перегрузочной способностью процесс разгона и торможения проходит быстрее, что также позволяет уменьшить общее время выполнения управляющих программ (УП). Современные серводвигатели, устанавливаемые на приводах подач, обладают высокими динамическими характеристиками, что позволяет повышать скорость при ускоренных перемещениях, из-за чего операции движений на холостых ходах выполняются быстрее.

Отдельным требованиям к современным фрезерным станкам и обрабатывающим центрам является поддержка технологии высокоскоростной обработки (ВСО) [5]. Она характеризуется увеличенными скоростями подачи (5 м/мин и более) и частотой вращения шпинделя (12000 об/мин и более) при малых усилиях резания. На таких скоростях основная масса тепла отводится со стружкой, что положительно сказывается на качестве обрабатываемой поверхности и сроке службы инструмента, а также появляется возможность обработки композитных материалов и закаленной стали.

Для успешного применения ВСО все компоненты оборудования должны обеспечивать стабильную работу, а также удовлетворять следующим требованиям [5, 106]:

1. Шпиндель должен поддерживать скорость вращения не менее 12000 об/мин, а также обладать системой воздушного или водного охлаждения.

2. Приводы подач должны обеспечивать рабочие скорости до 60 м/мин, скорости быстрых перемещений - до 90 м/мин, ускорения - более 10 м/с2.

3. Для предотвращения вибраций узлы станка должны обладать высокой жесткостью.

4. Система ЧПУ должна быть достаточно производительной для обеспечения пред-просмотра УП, чтобы своевременно отдавать команды на разгон и торможение инструмента.

Таким образом, можно выделить следующие тенденции развития современного станкостроения:

1. Рост числа одновременно интерполируемых осей для обработки особо сложных деталей.

2. Повышение точности станков путем совершенствования кинематических передач и отказа от них в пользу прямого привода.

3. Повышение точности станков средствами СЧПУ путем внедрения механизмов компенсации механических нелинейностей.

4. Использование двигателей с высокой перегрузочной способностью с целью повышения ускорения, и, как следствие, увеличения производительности.

5. Внедрение технологии ВСО, повышающей качество обработки и снижающей износ инструмента.

6. Упрощение процедур сервисного обслуживания станков.

Рассмотрим и проанализируем электроприводы современных СЧПУ и их вклад в удовлетворение требований, следующих из выявленных тенденций.

1.2. Обзор и анализ современных станочных электроприводов

Традиционно, электропривод состоит из следующих элементов: силовой преобразователь, двигатель, кинематическая передача, набор датчиков и устройство с реализованной системой управления. Для удовлетворения возрастающих требований к динамическим и статическим характеристикам необходимо, чтобы качество компонентов соответствовало друг другу.

Приводы подачи строятся преимущественно на базе неявнополюсных синхронных двигателей с поверхностной установкой постоянных магнитов (Surface-mounted permanent magnet synchronous motors, SPMSM) на роторе. Они обладают более высокими динамическими характеристиками, КПД, лучшими массогабаритными показателями и менее зависимы от влияния температуры по сравнению с асинхронными двигателями (АД). К их недостаткам можно отнести более высокую стоимость, однако из-за того, что их ток холостого хода близок к нулю, это не вызывает постоянный нагрев двигателя и, как следствие, не

требует установки активного охлаждения, разница в цене несколько выравнивается, особенно на малых мощностях. Тем не менее, как было показано в [14], на базе АД также можно создать привод подачи с высокими точностными и динамическими показателями. В качестве кинематических передач наибольшее распространение получили ШВП. Они позволяют получить высокую точность позиционирования, обладают повышенной жестокостью, большим рабочим ходом, низкой стоимостью. Их недостатки включают в себя подверженность износу и ограниченный диапазон ускорений. На некоторых прецизионных станках в качестве осевых устанавливаются линейные двигатели. Они лишены недостатков ШВП, их главные преимущества - повышенная жёсткость и отсутствие люфтов, что позволяет достигнуть более высоких скоростей (до 10 м/с) и ускорений (до 100 м/с2). Однако более высокая стоимость, габариты и низкий диапазон мощностей сильно ограничивает их применение.

Привод главного движения может строиться как на базе АД, так и СДПМ. В отличии от привода подачи, где большое распространение получили синхронные двигатели с поверхностной установкой магнитов, для шпинделей могут применяться только явнополюс-ные СДПМ с инкорпорированными магнитами (Interior permanent magnet synchronous motor - IPMSM). Это обусловлено тем, что при установке магнитов внутрь ротора, индуктивности по продольной и поперечной осям будут различаться в несколько раз, что открывает возможности для эффективного ослабления поля и расширения диапазона рабочих скоростей кратно вверх от номинала. Конечно, СДПМ такого типа из-за более сложного процесса изготовления будет стоить дороже чем как СДПМ с поверхностными магнитами, так и АД, при равной мощности. Тем не менее, преимущества по динамическим, перегрузочным и механическим характеристикам зачастую оправдывают высокую цену, и двигатели с инкорпорированными магнитами встречаются в современных приводах главного движения все чаще. На рис. 1.1 [90] приведено сравнение рабочих характеристик шпиндельных АД и СДПМ. Согласно рисунку, при равных массогабаритных показателях синхронные двигатели обладают более высокой мощностью и моментом, а также меньшими потерями и временем разгона, чем асинхронные двигатели.

Конструктивно, двигатели в приводах шпинделя можно разделить на внешние и внутренние (встроенные). Внешние соединяются со шпинделем через кинематическую передачу, как правило, ременную, из-за чего их скорости не превышают 12000-15000 об/мин, а точность позиционирования напрямую зависит от жёсткости передачи. Встроенные (другие названия «мотор-шпиндели», «электрошпиндели») двигатели собраны в корпусе шпинделей и имеют непосредственную связь с управляемым объектом (патроном или

инструментом). Они характеризуются более компактным дизайном, высоким КПД и значительно большей максимальной скоростью (до 170000 об/мин [107]) по сравнению с внешними.

Скоростъ, об/мин

Рис. 1.1 Рабочие характеристики АД (синий график) и СДПМ (оранжевый график)

Вне зависимости от конструкции, можно выделить следующие особенности современного шпиндельного двигателя, отличающие его от общепромышленного [81, 82, 90, 107, 108]:

- сниженный момент инерции и увеличенная перегрузочная способность для обеспечения высокой динамики;

- номинальное напряжение ниже напряжения сети для создания запаса на регулирование (300-360 В при напряжении в сети 380 В);

- номинальная частота в несколько раз выше частоты сети, что позволяет достигать более высоких скоростей;

- наличие датчика положения на валу для обеспечения точного позиционирования (режим вращающейся оси С, смена инструмента);

- наличие явно выраженной третьей зоны регулирования скорости (актуально преимущественно для АД).

В последнем случае для обеспечения постоянной мощности резания у шпиндельного двигателя должна быть широкая вторая зона. Её ширина может находиться в диапазоне 2.. .3 от номинальной скорости. Выше этого значения лежит третья зона, в которой с ростом скорости мощность будет снижаться, что делает её пригодной только для режима ВСО, где допустимая величина момента нагрузки намного меньше номинальной. Пример скоростной характеристики для шпиндельного двигателя Fanuc аПТ 15/15000 приведен на рис. 1.2 [81].

У синхронных двигателей наличие третьей зоны зависит от используемых магнитов и перегрузочной способности [44]. В шпиндельных двигателях она, как правило, отсутствует, при этом ширина второй зоны может достигать 5 номиналов и выше [81, 90].

0 3000 6000 9000 12000 15000 0 3000 6000 9000 12000 15000

Скорость двигателя, об/мин Скорость двигателя, об/мин

Рис. 1.2. Механические характеристики АД Fanuc аПТ 15/15000 для разных режимов работы

Типовая структура системы управления станочным приводом представлена на рис. 1.3. Она строится по принципам подчиненного регулирования координат. Внутренним является контур момента с ПИ-регулятором, которым управляет ПИ-регулятор скорости. Для приводов подачи и шпинделя в режиме позиционирования, контур скорости управляется Пили ПИ-регулятором положения. Для улучшения динамических характеристик по заданию в систему вводятся упреждающие связи по скорости, ускорению и трению. Применение упреждающих связей позволяет расширить полосу пропускания контура скорости по заданию на порядок [26]. Некоторые производители заявляют о достижении значений в несколько килогерц [31, 98].

Важно отметить, что типовой регулятор в разных реализациях (ПИД, ПИ и др.) остаётся основным элементом системы управления. Несмотря на возрастающее количество публикаций, посвящённых разработке регуляторов состояния, модальных, нейросетевых, на базе нечеткой логики и т.д., на данный момент никто из ведущих производителей станочных приводов не заявляет об их использовании в своих системах управления электроприводом (СУЭП). Исключением может являться фирма Fanuc, которая описывает применение упреждающих связей на базе искусственного интеллекта [ 109].

Для улучшения характеристик привода в разных режимах и условиях работы, в систему управления вводятся дополнительные элементы. Например, в регуляторах положения и скорости предусмотрена перенастройка коэффициентов в реальном времени в

зависимости от момента инерции, скорости и других величин, которые могут меняться во время работы.

Рис. 1.3 Типовая структура управления положением станочного привода: ГТ - генератор траектории, выдающий задание на положение (у*), скорость («*) и ускорение (о*); УСУ - упреждающая связь по ускорению; УСТ - упреждающая связь по трению; УСС - упреждающая связь по скорости; РП - регулятор положения; РС - регулятор скорости; ЦФ - цифровые фильтры ; КМ - контур момента; БОП - блок ослабления поля; ЭД электродвигатель; РО - рабочий орган; ДПД - датчик положения электродвигателя; ДПО - датчик положения рабочего органа

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алексеев Александр Александрович, 2025 год

Список литературы

1. Алексеев А. А. Экспериментальное определение полосы пропускания электропривода Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина:, 2019.C. 65-68.

2. Алексеев А. А. Компенсация ошибок при контурной обработке на металлорежущих станках Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина:, 2021.C. 103-106.

3. Алексеев А. А. Анализ современных систем управления электроприводами металлорежущих станков Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина:, 2023.C. 60-62.

4. Анучин А. С. Системы управления электроприводов / А. С. Анучин, Москва: МЭИ, 2015. 372 с.

5. Болотов М. А. Высокоскоростная и высокопроизводительная обработка (режимы, характеристика станков, инструмент) / М. А. Болотов, Самарский государственный аэрокосмический университет, 2010. 88 c.

6. Виноградов А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А. Б. Виноградов, Иваново: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2008. 320 с.

7. Денисенко В.В. Энциклопедия АСУ ТП // RealLab [Электронный ресурс]. URL: https://www.reallab.ru/bookasutp/ (дата обращения: 11.02.2024).

8. Кузнецов А. П. Управление точностью металлорежущих станков. Структурно-параметрические методы. Часть 1 // Stanki-Expo [Электронный ресурс]. URL: https://stanki-expo.ru/tpost/vvl473y3t1-upravlenie-tochnostyu-metallorezhuschih (дата обращения: 29.08.2024).

9. Лебедев С. К., Колганов А. Р. Управление движением промышленных манипуляторов: Учебник / С. К. Лебедев, А. Р. Колганов, Иваново: ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина», 2018. 348 с.

10. Носиров И. С. Построение автоматизированных электроприводных систем металлорежущих станков с нейронными сетями: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03. - СПбГЭТУ «ЛЭТИ»", Санкт-Петербург, 2019 - 138 с.

11. Печалов А. Сколько в день производит станок с ЧПУ? // MirStankov [Электронный ресурс]. URL: https://mirstankov.com/skolko-v-den-proizvodit-stanok-s-chpu/ (дата обращения: 29.08.2024).

12. Попков В. П. Сравнительный анализ технического уровня токарных станков с ЧПУ [Электронный ресурс]. URL: https://stanki-expo.ru/tpost/826ensuhu1-sravnitelnii-analiz-tehnicheskogo-urovny (дата обращения: 29.08.2024).

13. Рассудов Л. Н. Разработка и исследование методов улучшения точности и динамики прямого сервопривода: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03. - НИУ «МЭИ», Москва, 2016

- 132 с.

14. Смирнов А. А. Разработка электропривода для металлорежущих станков на базе асинхронного двигателя с цифровой системой управления: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03.

- ФБГОУ ВПО «ИГЭУ», Иваново, 2011 - 188 с.

15. Тарарыкин С. В., Анисимов А. А., Аполонский В. В. Разработка методов анализа, учета и компенсации влияния нелинейных факторов в механических, электрических и технологических элементах прецизионных мехатронных систем / С. В. Тарарыкин, А. А. Ани-симов, В. В. Аполонский, Иваново:, 2022. 92 c.

16. Тютиков В. В., Красильникъянц Е. В., Алексеев А. А. Средства автонастройки системы управления электроприводом металлорежущего станка // Автоматизация в промышленности. 2020. (12). C. 35-40.

17. Шпак Д. М. Разработка и исследование системы управления высокоскоростных шпинделей станков на базе асинхронных и синхронных электродвигателей: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03. - НИУ «МЭИ», Москва, 2019 - 165 с.

18. Alekseev A. A., Tyutikov V. V. Method for tuning feedforward in electric feed drive control systems // Vestnik IGEU. 2021. № 6. C. 45-53.

19. Alekseev A., Krasil'Nik"Yants E., Tyutikov V. Development and Study of a Three-Region Vector Control System for a High-Speed Asynchronous Spindle // Elektrichestvo. 2023. № 8. C. 46-53.

20. Altintas Y. Manufacturing automation: metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC design / Y. Altintas, 2nd ed-е изд., Cambridge: Cambridge university press, 2012. 380 c.

21. Belov M. P., Kundyukov O. A., Korolev V. I. Synthesis of a Control System for a Longitudinal Feed Drive of a Lathe with Elastic Links Using a Non-Standard Intensity Generator // LETI Transactions on Electrical Engineering & Computer Science. 2022. № 7 (15). C. 47-56.

22. Canudas De Wit C. [h gp.]. A new model for control of systems with friction // IEEE Transactions on Automatic Control. 1995. № 3 (40). C. 419-425.

23. Chiu I.-F., Tsai M.-C., Cheng M.-Y. Design and implementation of command and friction feedforward control for CNC motion controllers // IEE Proceedings - Control Theory and Applications. 2004. № 1 (151). C. 13-20.

24. Degner M. W., Guerrero J. M., Briz F. Slip-gain estimation in field-orientation-controlled induction machines using the system transient response // IEEE Transactions on Industry Applications. 2006. № 3 (42). C. 702-711.

25. Dong Z. [h gp.]. Flux-Weakening Control for Induction Motor in Voltage Extension Region: Torque Analysis and Dynamic Performance Improvement // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2018. № 5 (65). C. 3740-3751.

26. Ellis G. Control system design guide: using your computer to understand and diagnose feedback controllers / G. Ellis, 4-e H3g., Amsterdam: Elsevier/BH, 2012. 498 c.

27. Erturk F., Akin B. A Robust Method for Induction Motor Magnetizing Curve Identification at Standstill // IEEE Access. 2019. (7). C. 55422-55431.

28. Esbrook A., Xiaobo Tan, Khalil H. K. Self-excited limit cycles in an integral-controlled system with backlash Washington, DC: IEEE, 2013.C. 4736-4741.

29. Eun-Woo Lee, Kwang-Yeon Kim, Jeong-Bin Kim Mitigating dead-time effect in the estimation method of rotor time constant of induction machines at standstill Lappeenranta, Finland: IEEE, 2014.C. 1-7.

30. Fan B. [h gp.]. Rotor Resistance Online Identification of Vector Controlled Induction Motor Based on Neural Network // Mathematical Problems in Engineering. 2014. (2014). C. 110.

31. Fortman B. A faster current loop pays off in servo motor control // 2017.

32. Gallegos-Lopez G., Gunawan F. S., Walters J. E. Current Control of Induction Machines in the Field-Weakened Region // IEEE Transactions on Industry Applications. 2007. № 4 (43). C. 981-989.

33. Gao R.-Z., Zhai L., Su L.-W. The Research on Full-speed Field Weakening Control Method of Electric Vehicle Interior Permanent Magnet Synchronous Motor // ITM Web of Conferences. 2017. (11). C. 09001.

34. Gashtil H. Maximising Utilisation of the DC-Link Voltage in the Field Weakening Region for AC Motor Drives / H. Gashtil, 2019. 246 c.

35. Hagglund T., Astrom K. J. Lund institute of technology. A new method for design of PID regulators. 1984.

36. Han Y., Liu C., Wu J. Backlash identification for PMSM servo system based on relay feedback // Nonlinear Dynamics. 2016. № 4 (84). C. 2363-2375.

37. Hang C. C., Âstrom K. J., Ho W. K. Refinements of the Ziegler-Nichols tuning formula // IEE Proceedings D Control Theory and Applications. 1991. № 2 (138). C. 111.

38. He Y. [h gp.]. Parameter Identification of an Induction Machine at Standstill Using the Vector Constructing Method // IEEE Transactions on Power Electronics. 2012. № 2 (27). C. 905915.

39. Hjalmarsson H., Gunnarsson S., Gevers M. A convergent iterative restricted complexity control design scheme Lake Buena Vista, FL, USA: IEEE, 1994.C. 1735-1740.

40. Hu J., Hu F., Kang C. On the Two-Inertia System: Analysis of the Asymptotic Behaviors to Multiple Feedback Position Control // Asian Journal of Control. 2014. № 1 (16). C. 175187.

41. Huang S., Liang W., Tan K. K. Intelligent Friction Compensation: A Review // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2019. № 4 (24). C. 1763-1774.

42. Huang X. [h gp.]. A novel triple-stage friction compensation for a feed system based on electromechanical characteristics // Precision Engineering. 2019. (56). C. 113-122.

43. Kang J., Chen S., Di X. Online detection and suppression of mechanical resonance for servo system Dalian, China: IEEE, 2012.C. 16-21.

44. Khan W. A. Torque Maximizing and Flux Weakening Control of Synchronous Machines.

45. Kim S. Moment of Inertia and Friction Torque Coefficient Identification in a Servo Drive System // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2019. № 1 (66). C. 60-70.

46. Kim S.-H. Electric motor control: DC, AC and BLDC motors / S.-H. Kim, Cambridge, Massachusetts: Elsevier, 2017. 426 c.

47. Kim S.-H., Sul S.-K. Voltage Control Strategy for Maximum Torque Operation of an Induction Machine in the Field-Weakening Region // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. 1997. № 4 (44). C. 7.

48. Kubota H., Matsuse K., Nakano T. DSP-based speed adaptive flux observer of induction motor // IEEE Transactions on Industry Applications. 1993. № 2 (29). C. 344-348.

49. Lei H. Inertia Identification and PI Parameter Tuning of PMSM Servo Drives // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. (199). C. 012117.

50. Li-Cheng Zai, DeMarco C. L., Lipo T. A. An extended Kalman filter approach to rotor time constant measurement in PWM induction motor drives // IEEE Transactions on Industry Applications. 1992. № 1 (28). C. 96-104.

51. Lichtsinder A., Gutman P.-O. Limit Cycle Existence Condition in Control Systems with Backlash and Friction // IFAC Proceedings Volumes. 2010. № 14 (43). C. 469-474.

52. Lichtsinder A., Gutman P.-O. On the dual properties of friction and backlash in servo control systems // IFAC-PapersOnLine. 2019. № 16 (52). C. 340-345.

53. Lindfield G. R., Penny J. E. T. Numerical methods: using MATLAB / G. R. Lindfield, J. E. T. Penny, Fourth edition-e H3g., London: Elsevier, 2019. 582 c.

54. Lyons R. G. Understanding digital signal processing / R. G. Lyons, 2nd ed-e H3g., Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall PIR, 2004. 665 c.

55. Makkar C. [h gp.]. A new continuously differentiable friction model for control systems design Monterey, CA: IEEE, 2005.C. 600-605.

56. McCormack A. S., Godfrey K. R. Rule-based autotuning based on frequency domain identification // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 1998. № 1 (6). C. 43-61.

57. Molsa E. [h gp.]. Standstill Self-Commissioning of an Induction Motor Drive Detroit, MI, USA: IEEE, 2020.C. 3044-3050.

58. Na J. [h gp.]. Adaptive Prescribed Performance Motion Control of Servo Mechanisms with Friction Compensation // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014. № 1 (61). C. 486-494.

59. Nam K. H. AC Motor Control and Electrical Vehicle Applications.

60. Nordin M., Bodin P., Gutman P.-O. New Models and Identification Methods for Backlash and Gear Play nog peg. G. Tao, F. L. Lewis, London: Springer London, 2001.C. 1-30.

61. Odhano S. A. [h gp.]. Parameter Identification and Self-Commissioning in AC Motor Drives: A Technology Status Review // IEEE Transactions on Power Electronics. 2019. № 4 (34). C.3603-3614.

62. O'Dwyer A. Handbook of PI and PID controller tuning rules / A. O'Dwyer, 3rd edition-e H3g., Singapore: Imperial College Press, 2009. 623 c.

63. Peng J. [h gp.]. Compound Mechanism Analysis of Backlash and Friction Nonlinearity in Full-Closed-Loop Servo Drive System Qingdao, China: IEEE, 2021.C. 130-135.

64. Reddy B., Poddar G., Muni B. P. Parameter Estimation and Online Adaptation of Rotor Time Constant for Induction Motor Drive // IEEE Transactions on Industry Applications. 2022. № 2 (58). C. 1416-1428.

65. Sahoo S. K., Bhattacharya T. Field Weakening Strategy for a Vector-Controlled Induction Motor Drive Near the Six-Step Mode of Operation // IEEE Transactions on Power Electronics. 2016. № 4 (31). C. 3043-3051.

66. Schmirgel H., Krah J. O., Berger R. Delay Time Compensation in the Current Control Loop of Servo Drives - Higher Bandwidth at no Trade-off C. 7.

67. Shi S. [h gp.]. Analysis of the transient backlash error in CNC machine tools with closed loops // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2015. (93). C. 49-60.

68. Stephen J. Yutkowitz Method and apparatus for automatically tuning feedforward parameters // 2002. C. 38.

69. Strang G. Linear algebra and learning from data / G. Strang, Wellesley: Wellesley-Cambridge press, 2019.

70. Tang J. [h gp.]. Parameter Identification of Inverter-Fed Induction Motors: A Review // Energies. 2018. № 9 (11). C. 2194.

71. Tarng Y. S., Kao J. Y., Lin Y. S. Identification of and compensation for backlash on the contouring accuracy of CNC machining centres // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 1997. № 2 (13). C. 77-85.

72. Wang C. [и др.]. Analysis and Suppression of Limit Cycle Oscillation for Transmission System With Backlash Nonlinearity // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2017. № 12 (64). C. 9261-9270.

73. Wang J. [и др.]. Backlash compensation based oscillation suppression control for automatic loading manipulator arm with nonlinear extended state observer // 2024.

74. Woodyatt A. R., Middleton R. H. Auto-tuning PID controller design using frequency domain approximation Brussels: IEEE, 1997.C. 1049-1054.

75. Wu Y. [и др.]. Characteristic Modeling and Control of Servo Systems with Backlash and Friction // Mathematical Problems in Engineering. 2014. (2014). C. 1-21.

76. Xi X.-C., Poo A.-N., Hong G.-S. Tracking error-based static friction compensation for a bi-axial CNC machine // Precision Engineering. 2010. № 3 (34). C. 480-488.

77. Yepes A. G. [и др.]. High-Performance Digital Resonant Controllers Implemented With Two Integrators // IEEE Transactions on Power Electronics. 2011. № 2 (26). C. 563-576.

78. Yeung C.-H., Altintas Y., Erkorkmaz K. Virtual CNC system. Part I. System architecture // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2006. № 10 (46). C. 1107-1123.

79. Zarri L. [и др.]. Control schemes for field weakening of induction machines: A review Torino, Italy: IEEE, 2015.C. 146-155.

80. Асинхронные сервомоторы ST. Руководство по использованию 2004. 29 c.

81. Fanuc AC Spindle Motor Descriptions 2006. 406 c.

82. Fukuta Spindle Servo Motor Catalog 2007. 20 c.

83. MAGNETIC asynchronous vectorial servomotors MA series 2009. 24 c.

84. KEB Combivert F5 Application Manual 2012. 552 c.

85. Siemens Sinumerik 840D sl / 828D Extended Functions 2013. 956 c.

86. Lenze L-force catalogue 2014. 320 c.

87. Sinamics S120 Function Manual: Communication 2018. 236 c.

88. Yaskawa Sigma-7S SERVOPACK with MECHATROLINK-III Communications References 2018. 557 c.

89. SIMOTICS GP, SD, XP, DP Low-Voltage Motors 2018. 576 c.

90. SINUMERIK 840. Equipment for Machine Tools Siemens Industry Inc., 2019. 796 c.

91. Fanuc AC Servo Motor Parameter Manual 2019. 808 c.

92. Lenze Servo Drives 9400 HighLine Reference Manual 2019. 968 c.

93. Fanuc AC Servo Motor Parameter Manual Fanuc Corporation, 2019. 808 c.

94. Heidenhain TNC 640 HSCI For Gen 3 Drives 2020. 111 c.

95. Siemens Sinamics S120 List Manual 2020. 3342 c.

96. Mitsubishi Electric AC Servo System MELSERVO-JET 2021. 188 c.

97. Mitsubishi Instruction Manual MDS-E/EH Series 2021. 554 c.

98. Veichi SD700 Series High Performance Servo System 2022. 26 c.

99. Fanuc CNC Controls Product overview 2023. 20 c.

100. Mitsubishi Drive Technology // Mitsubishi [Электронный ресурс]. URL: https://www.mitsubishielectric-cnc.com/drive-technology/ (дата обращения: 29.08.2024).

101. Renishaw Ballbar Test - Plot Interpretation - Mills // Haas CNC [Электронный ресурс]. URL: https://www.haascnc.com/service/troubleshooting-and-how-to/how-to/renishaw-ballbar-test—plot-interpretation—mills.html (дата обращения: 29.08.2024).

102. Top 10 World's Best CNC Machine Makers & Brands // StyleCNC [Электронный ресурс]. URL: https://www.stylecnc.com/blog/top-10-best-cnc-machine-manufacturers-brands.html (дата обращения: 29.08.2024).

103. Обзор выставки «Металлообработка-2022», часть I // Stanki-Expo [Электронный ресурс]. URL: https://stanki-expo.ru/tpost/5sk3do5b51-obzor-vistavki-metalloobrabotka-2022-cha (дата обращения: 29.08.2024).

104. Обзор выставки «Технофорум-2022» ЧАСТЬ 1 // Stanki-Expo [Электронный ресурс]. URL: https://stanki-expo.ru/tpost/b0miktv631-obzor-vistavki-tehnoforum-2022-chast-1 (дата обращения: 29.08.2024).

105. Обзор рынка станков // Enex Market [Электронный ресурс]. URL: https://enex.market/news/obzor-rynka-stankov/ (дата обращения: 29.08.2024).

106. Что такое высокоскоростная обработка? // Infofrezer [Электронный ресурс]. URL: https://infofrezer.ru/stati/chto-takoe-vysokoskorostnaya-obrabotka/ (дата обращения: 29.08.2024).

107. IBAG High Speed Spindles // IBAG [Электронный ресурс]. URL: https://www.ibagnorthamerica.com/ibag-spindles (дата обращения: 29.08.2024).

108. Motorized spindle ES // CTB [Электронный ресурс]. URL: https://www.ctbservo.com/product-category/motorized-spindle-es/ (дата обращения: 29.08.2024).

109. FANUC's new AI functions utilizing machine learning and deep learning [Электронный ресурс]. URL: https://www.fanuc.co.jp/en/profile/pr/newsrelease/2018/notice20180529.html (дата обращения: 29.08.2024).

110. FANUC amplifiers and power supply modules [Электронный ресурс]. URL: https://www.fanuc.eu/sk/en/cnc/drive-systems/amplifiers-and-power-supplies (дата обращения: 29.08.2024).

111. SINAMICS S120 - the flexible and high-performance drive system [Электронный ресурс]. URL: https://www.siemens.com/global/en/products/drives/sinamics/low-voltage-converters/servo-converter/sinamics-s120.html (дата обращения: 29.08.2024).

112. Digital motor control [Электронный ресурс]. URL: https://www.heidenhain.com/products/cnc-controls/motor-technology (дата обращения: 29.08.2024).

113. Yaskawa Machine Tool // Yaskawa [Электронный ресурс]. URL: https://www.yaskawa.com/documents/20197/7891880/machinetool.html (дата обращения: 29.08.2024).

114. ISO 230-4:2022. Test code for machine tools — Part 4: Circular tests for numerically controlled machine tools.

115. ГОСТ ISO 230-4-2015. Методика испытаний металлорежущих станков. Часть 4. Испытания на отклонения круговых траекторий для станков с ЧПУ.

116. IEC 61800-5-2:2016. Adjustable speed electrical power drive sys-tems - Part 5-2: Safety requirements - Functional.

117. ГОСТ Р МЭК 61800-5-2-2015. Системы силовых электроприво-дов с регулируемой скоростью. Часть 5-2. Требования функцио-нальной безопасности.

118. Closed-Loop PID Autotuner // MathWorks [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/help/slcontrol/ug/closedlooppidautotuner.html (дата обращения: 11.02.2024).

119. DQ Limiter // MathWorks [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/help/mcb/ref/dqlimiter.html (дата обращения: 29.08.2024).

120. Токарный станок ПРОТОН Т 630 с ЧПУ // ПЗМЦ [Электронный ресурс]. URL: https://www.pzmc.org/product/tokarnye-stanki-s-chpu/tokarnyy-stanok-proton-t-630-s-chpu/ (дата обращения: 29.08.2024).

121. ГОСТ ISO 230-2-2016. Нормы и правила испытаний станков. Часть 2. Определение точности и повторяемости позиционирования осей станков с числовым программным управлением.

122. QC20 ballbar for machine tool verification // Renishaw [Электронный ресурс]. URL: https://www.renishaw.com/en/qc20-ballbar-for-machine-tool-verification--11075 (дата обращения: 29.08.2024).

123. ГОСТ 27803-91 Электроприводы регулируемые для металлообрабатывающего оборудования и промышленных роботов. Технические требования.

124. Model Linearizer // MathWorks [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/help/slcontrol/ug/modellinearizer-app.html (дата обращения: 29.08.2024).

125. Digital Signal Processing/Bilinear Transform // WikiBooks [Электронный ресурс]. URL: https://en.wikibooks.org/wiki/Digital_Signal_Processing/Bilinear_Transform (дата обращения: 29.08.2024).

126. XL-80 laser system // Renishaw [Электронный ресурс]. URL: https://www.renishaw.com/en/xl-80-laser-system--8268 (дата обращения: 29.08.2024).

127. Curve Fitting Toolbox // MathWorks [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/help/curvefit/ (дата обращения: 29.08.2024).

128. IEEE. IEEE Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators.

129. Solve system of linear equations // MathWorks [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/help/matlab/ref/mldivide.html (дата обращения: 11.02.2024).

130. Understanding / Reading Bode Plots // Motion Engineering [Электронный ресурс]. URL: http://support.motioneng.com/utilities/bode/bode_16.html (дата обращения: 01.06.2020).

131. Using the Performance Servo Tuner: Advanced // Kollmorgen [Электронный ресурс]. URL: http://webhelp.kollmorgen.com/kas/Content/UsersManual/Autotuner%20Advanced.htm (дата обращения: 01.06.2020).

Приложение 1 Модель привода главного движения в MATLAB

Модель привода главного движения на базе асинхронного двигателя с разработанной системой управления изображена на рис. п.1.1 -рис. п.1.5.

Блок «pwm_minmax» реализует генерацию задания на скважность ШИМ с добавлением сигнала нулевой последовательности для обеспечения максимального использования напряжения ЗПТ.

Блоки «dq->abc», «ab->dq» и подобные содержат в себе вычисления прямых и обратных преобразований Парка и Кларк.

Блок «Average-Value Invertor» из библиотеки «Motor Control Toolbox» позволяет конвертировать задания на скважность ШИМ в диапазоне (0...1) в усредненное за период ШИМ фазное напряжение, прикладываемое к обмоткам статора.

Код в блоке «main law» (рис. п.1.2) реализует описанный во второй главе закон регулирования потокосцепления ротора и ограничения на моментообразующий ток.

Модель АД (рис. п.1.3, рис. п.1.4) построена по уравнениям Парка-Горева и дополнена возможностью динамического изменения всех параметров во время работы. Дополнительно в ней учитывается кривая намагничивания двигателя, а также присутствует возможность симуляции нагрева двигателя путем постепенного увеличения значений активного сопротивления статора и/или ротора.

Наблюдатель потокосцепления ротора (рис. п.1.5) также работает согласно описанным во второй главе уравнениям.

Ввод параметров в модель АД и в модель СУЭП (для основного закона ослабления поля и регуляторов скорости и потокосцепления) осуществляется через маски (рис. п.1.6). Структура «mot» создается в рабочем пространстве Matlab на основании выбранного для моделирования двигателя из собранной автором библиотеки АД.

Шаг интегрирования модели принят равным такту квантования и составляет 100 мкс.

Рис. П. 1.1. Модель привода главного движения: общий вид

Рис. П.1.2. Структура блока «FluxVelCtrl»

Рис. П.1.3. Структура блока «motor»

Рис. П.1.4. Структура блока «motor_int»

Рис. П.1.5. Структура блока «observer»

а) б)

Рис. П.1.6. Ввод параметров в модель: а) СУЭП; б) АД

Приложение 2 MATLAB-функция расчета полного трения

function Mtr = strib(M, Mstatplus, Mstatminus, w1plus, w1minus, w2plus, w2minus, Mcoulplus, Mcoulminus, w) if (w == 0)

if (m == 0)

Mtr = 0;

elseif (M > Mstatminus && M < Mstatplus)

Mtr = M; elseif (M >= Mstatplus)

Mtr = Mstatplus; elseif (M < Mstatminus) Mtr = Mstatminus;

else

Mtr = 0;

end

elseif (w > 0)

Mstrib = Mstatplus * exp(-w/w1plus) + Mcoulplus*(1-exp(-w/w2plus)); Mtr = Mstrib; else % (w < 0)

Mstrib = Mstatminus * exp(-w/w1minus) + Mcoulminus*(1-exp(-w/w2minus)); Mtr = Mstrib;

end end

Приложение 3 MATLAB-скрипт расчета круговых отклонений

% Скрипт для построения круговой диаграммы % Запускается после окончания симуляции len = floor(length(out.err)/2); err_v = out.err(len:end); angle_v = out.angle(len:end);

scale = 10; % коэффициент масштабирования ошибки radius = 100; % радиус окружности, о.е.

% инициализация массивов des_x = zeros(len, 1); des_y = zeros(len, 1); act_x = zeros(len, 1); act_y = zeros(len, 1);

% расчет координат заданной траектории и ошибки по данным с модели for i = 1 : length(err_v)

des_x(i) = radius * cos(angle_v(i)); des_y(i) = radius * sin(angle_v(i));

act_x(i) = des_x(i) + err_v(i) * cos(angle_v(i)) * scale; act_y(i) = des_y(i) + err_v(i) * sin(angle_v(i)) * scale;

end

% перевод в полярную систему координат [th1, ro1] = cart2pol(des_x, des_y); [th2, ro2] = cart2pol(act_x, act_y);

% вывод и форматирование графика

figure(4)

clf

grid on

polarplot(th1, ro1, '--k', th2, ro2, '-b'); fontname(gcf, «Times New Roman»)

% расчет радиальных отклонений maxErr = max(err_v); minErr = min(err_v); % расчет кругового отклонения

cd] = calculateDeviations(th2, ro2); cd = cd / scale;

% расчет интегрального отклонения intErr = calcIntDev(ro1, ro2) / scale;

disp(['Коэффициент масштабирования: disp(['Радиальное отклонение (Fmax), disp(['Радиальное отклонение (Fmin), disp(['Круговое отклонение мкм:

disp(['Интегральное отклонение, мкм:

мкм: мкм:

num2str(scale)]) num2str(maxErr)]) num2str(minErr)]) num2str(cd)]) num2str(intErr)])

function intDev = calcIntDev(ref, meas) diff = abs(ref - meas); intDev = trapz(diff);

end

Приложение 4 MATLAB-функция расчета компенсации трения

function y = fcn(timer, sgn, Tl, T2, T3, vcmdl, vcmd2, vcmd3, vcmdOffset) var = 0;

% timer начинает отсчет в момент реверса двигателя if (timer < T1)

var = sgn * linearLaw(timer, 0, Tl, vcmdl, vcmd2); elseif (timer - T1 < T2)

var = sgn * vcmd3; elseif (timer - T1 - T2 < T3)

var = sgn * linearLaw(timer - T1 - T2, 0, T3, vcmd3, vcmdOffset);

end

y = var; end

function ret = linearLaw(x, x0, xl, y0, yl)

ret = (x * y0 - x * yl + x0 * yl - xl * y0) /(x0 - xl);

end

Приложение 5 MATLAB-скрипт для сравнения тестовых сигналов

Fs = 10000; % частота дискретизации, Гц

T = 1; % длительность эксперимента, с

W = T*Fs; % длительность эксперимента, дискр

% получение сигналов из модели

ref = squeeze(out.ref);

act = out.act;

% расчет БПФ

refF = fft(ref, W);

actF = fft(act, w);

% получение амплитуды

Aa = abs(actF);

Ar = abs(refF);

% получение углов

fa = angle(actF);

fr = angle(refF);

% расчет усиления

M = 20*log10(Aa./Ar);

M = M(1:length(M)/2+1);

% расчет фазы

P = fa - fr;

P = P(1:length(P)/2+1);

P = unwrap(P);

P = rad2deg(P);

P = P - 180;

% создание вектора частот f = Fs*(0:length(actF)/2)/W;

Hplant = tf(1, [0.001 1]); % ПФ объекта управления Hctrl = tf([1 0.1], [1 0]); % ПФ регулятора H = Hctrl * Hplant; % ПФ объекта управления и регулятора H = feedback(H, 1); % ПФ замкнутого контура

G = c2d(H, 1/Fs) % преобразование из непрерывного в дискретное время % получение данных диаграммы Боде options = bodeoptions; options.FreqUnits = 'Hz';

[mag, phase, wout] = bode(G, options, 2*pi*f); mag = squeeze(mag); phase = squeeze(phase); mag = 20*log10(mag);

% построение реальной и идентифицированной диаграммы Боде

figure(1)

subplot(2, 1, 1)

semilogx(f, M, 'r', f, mag, 'b'); grid on

ylabel(«Magnitude, dB»); subplot(2, 1, 2)

semilogx(f, P, 'r', f, phase, 'b'); grid on

ylabel(«Phase, degrees»); xlabel(«Frequency, Hz»);

% расчет коэффициента взаимной корреляции двух диаграмм

roMag = corrcoef(mag, M);

roMag = roMag(1, 2) * 100

roPhase = corrcoef(phase, P);

roPhase = roPhase(1, 2) * 100

Временный единоличный исполнител " ~~~ " у ный директор)

:СТП «ПЗМЦ»

"Чеснокова Н.В.

2023 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

системы управления асинхронным электроприводом шпинделя в составе СЧПУ IntNC Pro для токарных станков серии «Протон Т»

На Акционерном обществе «Совместное технологическое предприятие «Пермский завод металлообрабатывающих центров» для токарных станков серии «Протон Т» в составе СЧПУ IntNC Pro внедрена система управления асинхронным электроприводом шпинделя. Система разработана в научно-техническом центре «Июлей» по результатам научно-исследовательских работ, выполненных в период с 01.01.2022 по 01.06.2023 аспирантом кафедры Электропривода и автоматизации промышленных установок Ивановского государственного энергетического университета Алексеевым A.A. под руководством дл\н., проф. Тютикова В.В. и к.т.п., с.н.с. Красильникъянца Е.В.

Разработанная система формирует напряжения на обмотке двигателя таким образом, чтобы во всех трех зонах регулирования скорости (постоянного момента, постоянной мощности и снижающейся мощности) мог достигаться максимально возможный момент, Это достигается за счет управления активной и намагничивающей составляющими тока двигателя с учетом его электромагнитных параметров, а также ограничений на максимальный ток и напряжение на выходе инвертора. В систему управления входят регуляторы тока, скорости и потокосцепления ротора, а также формирователь задания на величину потокоспепления и динамического ограничения на активный ток в зависимости от текущей скорости и принадлежности ее к одной из трех зон.

Внедрение разработанной системы управления шпинделем токарного станка «Протон-ТбЗО» позволяет обеспечить его разгон на максимальную скорость 3000 об/мин за 12 секунд, а торможение, в том числе аварийное, за 7 секунд. Достигнутые показатели повышают производительность работы оборудования и уровень безопасности.

Рук. отдела электрооборудования И н же и ер- э л ектро i пцик

Бабиков Ю.А.

Ожгибесов Е.А.

«УТВЕРЖДАЮ»

Временный единоличный исполнительный орган (генеральный директор)

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

расширенной версии программного комплекса ServoIDE

в составе СЧПУ IntNC Pro для станков производства АО «СТП «ПЗМЦ»

На Акционерном обществе «Совместное технологическое предприятие «Пермский завод металлообрабатывающих центров» для токарных станков серии «Протон Т» и вертикально-фрезерных станков серии «Фотон Ф» в составе СЧПУ внедрена расширенная версия программного обеспечения (ПО) для диагностики и настройки электроприводов «ServoIDE». ПО разработано в научно-техническом центре «Инэлси» по результатам научно-исследовательских работ, выполненных в период с 01.01.2021 по 01.06.2023 при участии аспиранта кафедры Электропривода и автоматизации промышленных установок Ивановского государственного энергетического университета Алексеевым А. А, под руководством д.т.н., проф. Тютикова В.В. и к,т.н,, с.нх. Красильникъянца Е.В.

Расширенная версия ServoIDE включает в себя инструменты для автоматической настройки системы управления электроприводами подачи и главного движения, параметрической идентификации электромагнитных и механических параметров привода, снятия частотных характеристик, а также средства диагностики силовых и измерительных каналов. ПО поддерживает работу на персональных компьютерах (ПК) под управлением операционных систем Windows и Linux. Реализован вариант запуска на пультах оператора InlOP, входящих в состав СЧПУ IntNC Pro, что позволяет избавиться от необходимости использования ПК во время пусконаладки.

Внедрение расширенной версии ПО позволяет проводить конфигурирование и настройку электроприводов на станках фрезерной и токарной группы, а также выполнять диагностику и выявлять причины неисправностей. Наличие инструмента автонастройки позволяет сократить время пусконаладочных работ на станке в среднем на 50% по сравнению с базовой версией ServoIDE, а возможность снятия частотных характеристик открывает возможности для более качественной настройки системы управления.

Рук, отдела электрооборудования Бабиков Ю.А.

Инже нер-электронщик

Ожгибесов Е.А,

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

системы управления высокоскоростным электроприводом шпинделя в составе СЧПУ IntNC Pro для фрезерных обрабатывающих центров серии КВС В4

В станкостроительном производстве АО «Ковровский электромеханический завод» для фрезерных обрабатывающих центров серии КВС В4 в составе СЧПУ IntNC Pro внедрена система управления асинхронным электроприводом высокоскоростного шпинделя. Система разработана в научно-техническом центре «Инэлси» по результатам научно-исследовательских работ, выполненных в период с 01.01.2022 по 01.06,2023 аспирантом кафедры Электропривода и автоматизации промышленных установок Ивановского государственного энергетического университета Алексеевым А.А. под руководством д.т.н., проф. Тютикова В.В. и к.т.н., с.н.с. Красильникъянца Е.В.

Разработанная система позволяет управлять асинхронными двигателями фрезерных и токарных шпинделей. Весь диапазон регулирования скорости делится на три зоны; постоянного момента, постоянной мощности и снижающейся мощности. Границы зон зависят от электромагнитных параметров двигателя и ограничений по току и напряжению инвертора. В зависимости от текущей скорости задание на активный ток и ток намагничивания формируется в соответствии с определенным законом, обеспечивающим работу с максимальным электромагнитным моментом. Это позволяет добиться не только минимального времени разгона и торможения шпинделя, но и стабильной работы с высокой точностью во всем диапазоне скоростей.

Внедрение разработанной системы управления открывает возможности для высокоскоростной обработки на скоростях 12000 об/мин и выше. Время пуска шпинделя с инструментом на испытуемом ■ станке КВС В4 на максимальную скорость 15000 об/мин составило 7 секунд, время торможения - 5 секунд. Точность поддержания заданной скорости составила менее 0.1%.

Короткое Ю. А.

Генеральный директор

ООО «Инэлси»

vK

Красчльнитьянц Е.В.

^ УУ Je -

г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

В состав системы ЧПУ IntNC Pro, выпускаемой ООО «Инэлси», внедрены системы управления станочным электроприводом и средства их настройки, полученные на основе результатов диссертационного исследования на тему «Разработка методов и средств повышения качества управления электроприводами обрабатывающих центров», выполненного Алексеевым Александром Александровичем.

Внедренные разработки включают в себя:

- систему трехзонного управления высокоскоростными асинхронными шпинделями, обеспечивающую достижение максимального момента во всем диапазоне скоростей;

- систему управления электроприводами подачи, повышающую точность обработки за счет компенсации резонансных явлений, люфтов и трения;

- программный комплекс ServoIDF, содержащий инструменты конфигурирования, настройки и диагностики электроприводов подачи и главного движения.

В период с 2019 по 2024 год ООО «Инэлси» поставило более 200 комплектов системы ЧПУ, включающих разработанные автором системы управления и средства их настройки, на производственные предприятия Российской Федерации.

Разработанные системы управления и инструменты настройки позволяют повысить эксплуатационную надежность оборудования, уменьшить временные и ресурсные затраты на настройку и диагностику, а также обеспечить стабильное качество обработки деталей.

Красильникъянц Е.В.

СПРАВКА № £ ^

на результат измерения

температура измерения "С

Номер детали Значение параметра (размера) по ГД Действительное значение параметра Заключение о •соответствии ТД

Я? ' ^ --■ -

/// /¿^е^

/ Уие> £ ^ СЛ^ С* /У

- /г/

С /

/

¿/л*, -г Ъг - 1

с7 —

о легален

ОТ

/

игг.

рения проводил: 1ышк бюро:

(Ф.И.О.) (Ф.И.О.)