1.1 機電傳動系統

1.1.1 機電傳動系統的組成與控制

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1.機電傳動系統的組成

機電傳動系統一般由電力供應系統、電氣控制系統、機電傳動機構及生產機械組成（圖1-1）。

電力供應系統主要包括工廠變電（配電）系統、電力變壓器、供電線路以及整流器、逆變器、變頻器等，其作用是為機電傳動系統提供電源（能源），并采取必要的保護措施，以確保用電安全。

圖1-1 機電傳動系統的組成

電氣控制系統主要由各種常用的低壓控制電器組成，其作用是對機電傳動系統的電動機實施有效控制，以滿足生產機械的各種控制要求。

機電傳動機構是對以電動機為原動機驅動生產機械的系統的總稱。由于現代生產機械廣泛采用電動機為原動機，因此，機電傳動又稱為電力拖動。

生產機械則完成具體的生產任務，如金屬切削、驅動工作機構等。

國民經濟領域中的制造業（如各種機床、軋鋼機、造紙機、印刷機）、高新技術產業（如高速電力機車、磁懸浮列車、機器人、電動汽車）以及日常生活中的冰箱、空調、洗衣機等都屬于機電傳動系統的范疇。

2.機電傳動控制

電氣控制系統和機電傳動機構是機電傳動系統的重要組成部分，也是機電傳動控制學科的主要研究內容。

機電傳動控制的任務，就是將電能轉變為機械能，實現生產機械的起動、停止以及速度調節，滿足各種生產工藝過程的要求，確保生產過程得以高效、可靠地進行。從廣義上講，就是使生產機械、車間、生產線，甚至整個工廠實現自動化和智能化。從狹義上講，則專指控制電動機驅動生產機械，實現經濟、優質、高效的生產。

1.1.2 機電傳動系統的發展歷程

1.機電傳動機構的發展

機電傳動機構的發展，經歷了成組驅動、單電動機驅動到多電動機驅動的演進歷程。

（1）成組驅動

所謂成組驅動，就是由一臺電動機驅動一根天軸運轉，再由天軸通過帶輪和傳動帶驅動多個生產機械工作（圖1-2）。成組驅動系統結構復雜、傳動效率低、能量損耗大、工作可靠性差，一旦電動機出現故障，將造成成組的生產機械停車。成組驅動屬于電動機稀缺、昂貴時期的無奈之舉，現今已被淘汰。

（2）單電動機驅動

單電動機驅動是指每一臺生產機械都由一臺電動機單獨驅動（如立式鉆床，圖1-3），較成組驅動已有很大進步。但是，當生產機械的運動部件較多時，則需要設置分動箱、離合器等機構，總體結構仍顯復雜，無法滿足生產工藝的特殊要求。

圖1-2 成組驅動（天軸分動）

圖1-3 單電動機驅動（立式鉆床）

（3）多電動機驅動

隨著電動機品種的豐富、價格的降低、機械特性的多樣化，在機電傳動領域，開始逐步普及多電動機驅動方案。

所謂多電動機驅動方案，是指在大型、復雜的生產機械上，同一臺設備的每一個運動部件都由一臺專門的電動機進行驅動，且電動機的功率、機械特性以及安裝位置可以進行有針對性的、個性化的配置，以充分滿足生產工藝的實際需求。例如，龍門刨床的工作臺、左垂直刀架、右垂直刀架、側刀架、橫梁以及夾緊機構，就是各自由一臺電動機驅動的（圖1-4）。

多電動機驅動方案的應用，使傳動機構得以大大簡化，機電傳動系統的運動精度、工作可靠性大大提高，加之控制靈活，極大地提升了生產過程的自動化水平，也為生產過程的智能化奠定了基礎。因此，現代化的機電傳動系統基本上都是采用多電動機驅動方案。

圖1-4 龍門刨床采用多電動機驅動方案

2.電氣控制系統的發展

電氣控制系統伴隨控制技術和控制器件的發展而發展。隨著控制器件、功率器件的不斷推陳出新，電氣控制系統的發展日新月異，主要經歷了以下幾個階段。

（1）繼電器-接觸器控制系統

繼電器-接觸器控制系統出現于20世紀初期。該系統通過繼電器和接觸器等低壓控制器件，實現對控制對象的起動、停車以及有級調速等控制（圖1-5）。

圖1-5 繼電器-接觸器控制系統

繼電器-接觸器控制系統采用的是“硬邏輯”控制，在生產工藝要求復雜多變的場合，難以實現控制關系的“隨機應變”，因此，現在已經被可編程序控制器控制系統取代。但在相對簡單的電氣控制系統中，繼電器-接觸器仍然占據著主導地位。同時，在可編程序控制器控制系統中，繼電器、接觸器依然作為控制系統的執行器件在大量使用。

（2）可編程序控制器控制系統

得益于微電子技術和計算機技術的發展，可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）采用的是“軟邏輯”控制，當生產機械的控制關系發生變化時，只需更改控制程序（即對控制軟件重新編程，很容易做到），就可以實現新的控制要求，而不需要對硬件做太多的調整（圖1-6）。因此，在生產工藝要求復雜多變的場合，可編程序控制器可以大顯身手，并已經成為機電傳動控制系統的主流控制器件。

圖1-6 可編程序控制器控制系統

（3）數字控制系統

自1952年美國出現第一臺數控銑床、1958年出現數控加工中心之后，計算機數字控制（Computerized Numerical Control，CNC）技術開始逐漸普及。數字控制系統（圖1-7）在機床行業的大量應用，使工業生產的靈活性、適應性和自動化水平大為提高。同時，也為柔性制造系統的出現奠定了基礎。

圖1-7 德國恩格哈（Engelhardt）公司的數字控制系統

（4）柔性制造系統和計算機集成制造系統

柔性制造系統（Flexible Manufacturing System，FMS）由信息控制系統、物料儲運系統和數字控制加工設備組成，是能夠適應加工對象頻繁變化的自動化機械制造系統。

柔性制造系統FMS與計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）相融合，又促使工業生產向計算機集成制造系統（Computer/Contemporary Integrated Manufacturing Systems，CIMS）邁進。

電氣控制系統的發展除了與現代控制理論、計算機技術的發展息息相關之外，功率器件的發展也功不可沒。正是由于晶閘管（Thyristor，亦稱Silicon Controlled Rectifier，SCR）、門極可關斷晶體管（Gate-Turn-Off Thyristor，GTO）、電力晶體管（Giant Transistor，GTR）、功率場效應晶體管（Power-Metal Oxide Semiconductor FET，P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-Gate-Bipolar Transistor，IGBT）等大功率電力電子器件（Power Electronic Device，亦稱功率半導體器件）的快速發展，為機電傳動系統提供了可靠的半導體變流設備，才使得上述各種控制系統的發展和應用成為可能。

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