1.1 机电传动系统
1.1.1 机电传动系统的组成与控制
二维码1-2
1.机电传动系统的组成
机电传动系统一般由电力供应系统、电气控制系统、机电传动机构及生产机械组成（图1-1）。
电力供应系统主要包括工厂变电（配电）系统、电力变压器、供电线路以及整流器、逆变器、变频器等，其作用是为机电传动系统提供电源（能源），并采取必要的保护措施，以确保用电安全。
图1-1 机电传动系统的组成
电气控制系统主要由各种常用的低压控制电器组成，其作用是对机电传动系统的电动机实施有效控制，以满足生产机械的各种控制要求。
机电传动机构是对以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称。由于现代生产机械广泛采用电动机为原动机，因此，机电传动又称为电力拖动。
生产机械则完成具体的生产任务，如金属切削、驱动工作机构等。
国民经济领域中的制造业（如各种机床、轧钢机、造纸机、印刷机）、高新技术产业（如高速电力机车、磁悬浮列车、机器人、电动汽车）以及日常生活中的冰箱、空调、洗衣机等都属于机电传动系统的范畴。
2.机电传动控制
电气控制系统和机电传动机构是机电传动系统的重要组成部分，也是机电传动控制学科的主要研究内容。
机电传动控制的任务，就是将电能转变为机械能，实现生产机械的起动、停止以及速度调节，满足各种生产工艺过程的要求，确保生产过程得以高效、可靠地进行。从广义上讲，就是使生产机械、车间、生产线，甚至整个工厂实现自动化和智能化。从狭义上讲，则专指控制电动机驱动生产机械，实现经济、优质、高效的生产。
1.1.2 机电传动系统的发展历程
1.机电传动机构的发展
机电传动机构的发展，经历了成组驱动、单电动机驱动到多电动机驱动的演进历程。
（1）成组驱动
所谓成组驱动，就是由一台电动机驱动一根天轴运转，再由天轴通过带轮和传动带驱动多个生产机械工作（图1-2）。成组驱动系统结构复杂、传动效率低、能量损耗大、工作可靠性差，一旦电动机出现故障，将造成成组的生产机械停车。成组驱动属于电动机稀缺、昂贵时期的无奈之举，现今已被淘汰。
（2）单电动机驱动
单电动机驱动是指每一台生产机械都由一台电动机单独驱动（如立式钻床，图1-3），较成组驱动已有很大进步。但是，当生产机械的运动部件较多时，则需要设置分动箱、离合器等机构，总体结构仍显复杂，无法满足生产工艺的特殊要求。
图1-2 成组驱动（天轴分动）
图1-3 单电动机驱动（立式钻床）
（3）多电动机驱动
随着电动机品种的丰富、价格的降低、机械特性的多样化，在机电传动领域，开始逐步普及多电动机驱动方案。
所谓多电动机驱动方案，是指在大型、复杂的生产机械上，同一台设备的每一个运动部件都由一台专门的电动机进行驱动，且电动机的功率、机械特性以及安装位置可以进行有针对性的、个性化的配置，以充分满足生产工艺的实际需求。例如，龙门刨床的工作台、左垂直刀架、右垂直刀架、侧刀架、横梁以及夹紧机构，就是各自由一台电动机驱动的（图1-4）。
多电动机驱动方案的应用，使传动机构得以大大简化，机电传动系统的运动精度、工作可靠性大大提高，加之控制灵活，极大地提升了生产过程的自动化水平，也为生产过程的智能化奠定了基础。因此，现代化的机电传动系统基本上都是采用多电动机驱动方案。
图1-4 龙门刨床采用多电动机驱动方案
2.电气控制系统的发展
电气控制系统伴随控制技术和控制器件的发展而发展。随着控制器件、功率器件的不断推陈出新，电气控制系统的发展日新月异，主要经历了以下几个阶段。
（1）继电器-接触器控制系统
继电器-接触器控制系统出现于20世纪初期。该系统通过继电器和接触器等低压控制器件，实现对控制对象的起动、停车以及有级调速等控制（图1-5）。
图1-5 继电器-接触器控制系统
继电器-接触器控制系统采用的是“硬逻辑”控制，在生产工艺要求复杂多变的场合，难以实现控制关系的“随机应变”，因此，现在已经被可编程序控制器控制系统取代。但在相对简单的电气控制系统中，继电器-接触器仍然占据着主导地位。同时，在可编程序控制器控制系统中，继电器、接触器依然作为控制系统的执行器件在大量使用。
（2）可编程序控制器控制系统
得益于微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）采用的是“软逻辑”控制，当生产机械的控制关系发生变化时，只需更改控制程序（即对控制软件重新编程，很容易做到），就可以实现新的控制要求，而不需要对硬件做太多的调整（图1-6）。因此，在生产工艺要求复杂多变的场合，可编程序控制器可以大显身手，并已经成为机电传动控制系统的主流控制器件。
图1-6 可编程序控制器控制系统
（3）数字控制系统
自1952年美国出现第一台数控铣床、1958年出现数控加工中心之后，计算机数字控制（Computerized Numerical Control，CNC）技术开始逐渐普及。数字控制系统（图1-7）在机床行业的大量应用，使工业生产的灵活性、适应性和自动化水平大为提高。同时，也为柔性制造系统的出现奠定了基础。
图1-7 德国恩格哈（Engelhardt）公司的数字控制系统
（4）柔性制造系统和计算机集成制造系统
柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）由信息控制系统、物料储运系统和数字控制加工设备组成，是能够适应加工对象频繁变化的自动化机械制造系统。
柔性制造系统FMS与计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）相融合，又促使工业生产向计算机集成制造系统（Computer/Contemporary Integrated Manufacturing Systems，CIMS）迈进。
电气控制系统的发展除了与现代控制理论、计算机技术的发展息息相关之外，功率器件的发展也功不可没。正是由于晶闸管（Thyristor，亦称Silicon Controlled Rectifier，SCR）、门极可关断晶体管（Gate-Turn-Off Thyristor，GTO）、电力晶体管（Giant Transistor，GTR）、功率场效应晶体管（Power-Metal Oxide Semiconductor FET，P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate-Bipolar Transistor，IGBT）等大功率电力电子器件（Power Electronic Device，亦称功率半导体器件）的快速发展，为机电传动系统提供了可靠的半导体变流设备，才使得上述各种控制系统的发展和应用成为可能。
二维码1-3