1.3 机电一体化系统要素与组成

机电一体化的目的和功能是实现物质流、能量流、信息流的时空互换，包括处理、传递、移动、储存、记录，在机电一体化系统中对应着机械要素（机械本体）、能量转换要素（动力源、执行机构）、检测控制要素（检测传感部分、电子控制单元），是现代工业三要素“物质、能量、信息”的综合体现。

机电一体化系统的架构及各组成要素关系如图1-2所示。

图1-2 机电一体化系统

（1）机械本体

机械本体包括机架、机械连接、机械传动等。所有的机电一体化系统都含有机械部分，它是机电一体化系统的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观等特点。

（2）检测传感部分

检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用是监测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，然后将信息传递给电子控制单元，并由电子控制单元根据检测到的信息向执行器发出相应的控制指令。机电一体化系统要求传感器具有以下特性：精度高；灵敏度高；响应速度快；信噪比高；漂移小、稳定性高；可靠性好；不易受被测对象特征（如电阻、导磁率等）的影响；对抗恶劣环境条件（如油污、高温、泥浆等）的能力强；体积小、重量轻、对整机的适应性好；不受高频干扰和强磁场等外部环境的影响；操作性能好，现场维修处理简单；价格低廉。

（3）电子控制单元

电子控制单元又称ECU（Electrical Control Unit），是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算和分析，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。电子控制单元由硬件和软件两部分组成，其中系统硬件一般由计算机、可编程控制器（PLC）、数控装置以及逻辑电路、A/D与D/A转换、I/O接口和计算机外部设备等组成；系统软件为固化计算机存储器内的信息处理和控制程序，根据系统正常工作的要求编写。机电一体化系统对控制单元和信息处理单元的基本要求包括：提高信息处理速度；提高可靠性；增强抗干扰能力以及完善系统自诊断功能；实现信息处理智能化；以及小型化、轻量化、标准化等。

（4）执行器

执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用的方式有电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种。机电一体化系统一方面要求执行器效率高、响应速度快，另一方面要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性好、可靠性高。由于几何尺寸上的限制，动作范围狭窄，因此还需考虑维修和实行标准化等问题。由于电工电子技术的高度发展，高性能步进驱动、直流和交流伺服驱动电动机已大量应用于机电一体化系统。

（5）动力源

动力源是机电一体化产品的能量供应部分，其作用是按照控制系统要求向机器系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，通常以电能为主。机电一体化产品除了要求动力源具有较好的可靠性外还要求其具有较高的效率，即用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功率输出。

机电一体化产品的五个基本组成要素之间并非彼此无关或简单拼凑、叠加在一起，工作中它们各司其职，互相补充、互相协调，共同完成所规定的任务，即在机械本体的基础上，由传感器检测产品的运行状态及环境变化，将信息反馈给电子控制单元，电子控制单元对各种信息进行处理，并按要求控制执行器的运动，执行器的能源则由动力部分提供。在结构上，各组成要素通过各种接口及相关软件有机地结合在一起，构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的完整产品。

例如，我们日常使用的全自动照相机就是典型的机电一体化产品，其内部装有测光测距传感器，测得的信号由微处理器进行处理，根据信息处理结果控制微型电动机，由微型电动机驱动快门、变焦及卷片倒片机构，从测光、测距、调光、调焦、曝光到卷片、倒片、闪光及其他附件的控制都实现了自动化。

又如，汽车上广泛应用的发动机燃油喷射控制系统也是典型的机电一体化系统。分布在发动机上的空气流量计、水温传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、进气歧管绝对压力传感器、爆燃传感器、氧传感器等连续不断地检测发动机的工作状况和燃油在燃烧室的燃烧情况，并将信号传给电子控制装置ECU，ECU首先根据进气歧管绝对压力传感器或空气流量计的进气量信号及发动机转速信号，计算出基本喷油时间，然后再根据发动机的水温、节气门开度等工作参数信号对其进行修正，确定当前工况下的最佳喷油持续时间，从而控制发动机的空燃比。此外，根据发动机的要求，ECU还具有控制发动机的点火时间、怠速转速、废气再循环率、故障自诊断等功能。