thiết lập các mô hình hệ thống cho bài toán dao động và cân bằng dao động trên ôtô

cơ bắp và là trí tuệ có ảnh hưởng lẫn nhau tạo nên thể thống nhất hữu cơ vậy.Từ nhu cầu phát triển các sản phẩm cần công nghệ tích hợp liên ngành cơ khíđiện, điện tử, công nghệ thông tin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-HỒ VĂN ĐÀM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC HỆ THỐNG

KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ TRONG ÔTÔ VÀ ĐỀ XUẤT

GIẢI PHÁP MÔ HÌNH CHO BÀI TOÁN CÂN BẰNG TRÊN XE DU LỊCH

Chuyên ngành: Sư phạm kỹ thuật

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS TẠ DUY LIÊM

HÀ NỘI - 2009

LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của

PGS.TS Tạ Duy Liêm.

Tôi xin cam đoan những gì mà tôi viết ra trong luận văn này là do sự tìmhiểu và nghiên cứu của bản thân Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởngcủa các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ

Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hộiđồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như nước ngoài và chođến nay chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi cam đoan trên đây

Vinh, ngày 12 tháng 11 năm 2009

Tác giả

LỜI CẢM ƠN

Bản luận văn này được thực hiện tại Khoa Cơ Khí và Khoa Sư phạm kỹthuật - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơnPGS.TS Tạ Duy Liêm đã hướng dẫn, động viên và chỉ bảo tận tình trong suốtquá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy và cô giáo trườngCao đẳng nghề kỹ thuật công nghiệp Việt Nam - Hàn Quốc, đã tạo điều kiện

về thời gian để tôi thực hiện bản luận văn này

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân và đồng nghiệp

đã luôn quan tâm giúp đỡ, ủng hộ tôi cả về tinh thần lẫn vật chất

Vinh, ngày 12 tháng 11 năm 2009

Tác giả

M ỤC L ỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan 1

Lời cảm ơn 2

Mục lục 3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 7

MỞ ĐẦU 10

Chương 1 TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ 13

1.1 Cơ sở kỷ thuật của chuyên ngành cơ điện tử 13

1.1.1 Vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản suất hàng hoá công nghệ cao của thời kỳ kinh tế trí thức 13

1.1.2 Mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở Việt Nam trong những năm tới 16

1.1.3 Xu hướng phát triển của cơ điện tử thế giới 18

1.1.4 Cơ điện tử là gì 20

1.1.5 Lịch sử phát triển 24

1.2 Cơ điện tử là một khoa học về hệ thống 27

1.2.1 Ví dụ về hệ thống cơ điện tử 27

1.2.2 Các thành phần của hệ thống cơ điện tử 27

1.2.2.1 Hệ thống cảm biến 28

1.2.2.2 Cơ cấu chấp hành 29

1.2.2.3 Hệ thống xử lý thông tin 30

1.2.2.4 Hệ thống cơ khí và biến đổi năng lượng 31

1.2.2.5 Các hệ thống khác 32

1.2.3 Cấu trúc chung của hệ thống cơ điện tử 32

1.3 Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao nói chung và trong công nghệ ôtô hiện đại nói riêng 34

1.3.1 Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao 34 1.3.2 Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ ôtô hiện đại 38

Chương 2 NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT ÔTÔ 41

2 1 Cơ điện tử trong Ôtô 41

2.1.1 Xu hướng tích hợp công nghệ cơ điện tử trong Ôtô 41

2.1.2 Các thành phần cơ điện tử trong Ôtô 49

2.1.3 Hệ thống trợ giúp 51

2.1.3.1 Hệ thống tự động cân bằng ESP 51

2.1.3.2 Hệ thống chống bó cứng phanh ABS 52

2.2 Dao động và cân bằng dao động 60

2.2.1 Giới thiệu 60

2.2.2 Các thiết bị giảm chấn của xe Ôtô 61

2.2.2.1 Nhíp xe 61

2.2.2.2 Giảm xóc lò xo 61

2.2.2.3 Giảm xóc khí - thủy lực 62

2.3 Hệ thống giảm xóc hiện đại 63

Chương 3 THIẾT LẬP CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHO BÀI TOÁN DAO ĐỘNG VÀ CÂN BẰNG DAO ĐỘNG TRÊN ÔTÔ 67

3.1 Mô hình hệ thống giảm xóc của xe ôtô 67

3.1.1.Mô hình giao động của ôtô 68

3.1.2 Mô hình bốn bánh 69

3.1.3 Mô hình một nửa Ôtô 70

3.1.4 Mô hình một phần tư ôtô 71

3.2 Hệ thống giảm xóc tự động 71

3.3 Hệ thống giảm xóc bán chủ động 73

3.3.1 Các phương pháp điều khiển 73

3.3.2 Điều khiển Skyhook 75

3.3.3 Điều khiển Groundhook 77

3.4 Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động 78

3.4.1 Hệ thống giảm xóc bị động 78

3.4.2 Dao động của hệ thống với kích động điều hoà 79

3.5 Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bán chủ động 82

3.5.1 Mô hình hê thống giảm xóc bán chủ động 82

3.5.2 Hệ thống Skyhook 83

3.5.3 Hệ thống Groundhook 86

Chương 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIẢM XÓC BÁN CHỦ ĐỘNG 90

4.1 Thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động 90

4.1.1 Cảm biến 90

4.1.2 Giảm chấn biến đổi 91

4.1.2.1 Giảm chấn van thay đổi 92

4.1.2.2 Giảm chấn từ biến 92

4.2 Cấu trúc và hoạt động của hệ thống giảm xóc bán chủ động 95

4.2.1 Cấu trúc của hệ thống 94

4.2.2 Hoạt động của hệ thống 96

KẾT LUẬN 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ABC Automatic Body Control Hệ thống tự động điều chỉnh ổn

định toàn xeABS Anti - block Brake System Hệ thống phanh chống bó cứngAFL Adaptive Forward Light Thay đổi độ rộng và góc quét của

dải sáng theo hướng xe chạyASR Anti - Spin Regulation Hệ thống kiểm soát độ bám

đường CAE Computer Aided Engineering Gia công được trợ giúp bởi máy

tínhCAN Controller Area Network Hệ truyền dữ liệu điện tử

CIM Computer Intergrated

Manufacturing

Hệ thống gia công điều khiển bằng mạng vi tính kết nốiDGPS Differential Global

Micro

MEMS

Micro Electro Mechatronic

NEMS Nano Electronics Mechatronics

TCS Traction Control System Hệ thống điều khiển khả năng

bám đườngVDC Vehicle Dynamic Control Hệ thống điều khiển động lực ôtô

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các tiêu chí cơ bản của những hình thái sản xuất – Đặc trưng

của nền kinh tế tri thức 16

Hình 1.2 Cơ điện tử, khoa học của nhiều ngành nghiên cứu 24

Hình 1.3 Lịch sử phát triển của các hệ thống kỹ thuật từ cơ khí thuần túy đến các hệ cơ điện - tử ngày nay 26

Hình 1.4 Sơ đồ thành phần của hệ thống cơ điện tử 28

Hình 1.5 Mô hình cảm biến (Sensor) 28

Hình 1.6 Mô hình cơ cấu chấp hành (Actuator) 29

Hình 1.7 Cụm cơ cấu chấp hành cơ bản 29

Hình 1.8 Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển 30

Hình 1.9 Sơ đồ khối của bộ vi xử lý 31

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống cơ điện tử 33

Hình 1.11 Cơ điện tử trong điều khiển chạy dao của máy công cụ CNC 35 Hình 1.12 Robot HRP-3 Promet Mk-II đang đi giống y như người 36

Hình 1.13 Mẫu robot “Asendro” một thế hệ robot bảo vệ mới nhất 37

Hình 2.1 Sử dụng Rada đo khoảng cách và vận tốc để tự động điều chỉnh khoảng cách giữa các xe ôtô 45

Hình 2.2 Thiết kế hệ thống ôtô tự hành với cảm biến và cơ cấu chấp hành 47

Hình 2.3 Các khu vực ứng dụng của hệ thống cơ điện tử trong một chiếc xe ôtô 48

Hình 2.4 % đóng góp về giá thành của cơ điện tử trong ôtô 48

Hình 2.5 Sự phát triển của các hệ thống an toàn cơ điện tử trong ôtô và khuynh hướng của nó 49

Hình 2.6 Hệ thống tự động cân bằng ôtô (ESP) 51

Hình 2.7 Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) 53

Hình 2.8 Sơ đồ khối của hệ thống điều tiết Distronic 55

Hình 2.9 Đặc tuyến áp lực phanh theo thời gian với hệ thống trợ giúp thuỷ lực 56

Hình 2.10 Các phương án cơ bản của bộ phanh thuỷ lực ABS 57

Hình 2.11 Hệ thống phanh cơ điện tử "Elektromechanische Bremse" 58

Hình 2.12 Bộ cảm biến số vòng quay của bánh xe với hiệu ứng cảm ứng điện từ 59

Hình 2.13 Nhíp xe ôtô 61

Hình 2.14 Gảm xóc kết hợp với xi lanh dầu 62

Hình 2.15 Giảm xóc khí nén - thủy lực 63

Hình 2.16 Hệ thống treo khí nén Airmatic của Mecerdes 64

Hình 3.1 Xe ôtô du lịch với hệ thống giảm xóc trước và sau 67

Hình 3.2 Hệ thống giảm xóc trên một bánh 68

Hình 3.3 Xe ôtô du lịch với nhiều bộ phận và chi tiết 68

Hình 3.4 Mô hình bốn bánh của hệ thống giảm xóc 69

Hình 3.5 Mô hình 2 bánh với hai bánh bên (a) và hai bánh đồng trục (b) 70 Hình 3.6 Mô hình một bánh (một phần tư ôtô) của hệ thống giảm xóc 71

Hình 3.7 Hệ thống giảm xóc LEM của hãng Bose 72

Hình 3.8 Mô hình một phần tư ôtô 74

Hình 3.9 Điều khiển Skyhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) 74

Hình 3.10 Điều khiển Groundhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) 77

Hình 3.11 Hệ thống giảm xóc bị động 78

Hình 3.12 Hệ thống bị động với kích động điều hòa 80

Hình 3.13 Các dao động của thân xe và bánh xe theo thời gian 82

Hình 3.14 Hệ thống giảm xóc bán chủ động 82

Hình 3.15 Dao động thân xe và bánh xe của hệ thống Skyhook 86

Hình 3.16 Dao động của thân xe và bánh xe của hệ thống Groundhook 88

Hình 4.1 Cảm biến gia tốc TI CAS 91

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn van điều khiển 92

Hình 4.3 Tính chất của chất lỏng từ biến 93

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn MR 94

Hình 4.5 Giảm chấn Delphi MagneRide của hãng Delphi 95

Hình 4.6 Các thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động 95

Hình 4.7 Sơ đồ hệ thống giảm xóc bán chủ động 96

cơ bắp và là trí tuệ có ảnh hưởng lẫn nhau tạo nên thể thống nhất hữu cơ vậy.

Từ nhu cầu phát triển các sản phẩm cần công nghệ tích hợp liên ngành cơ khíđiện, điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển hệ thống Những hệ thốngnày đã chuyển từ hệ cơ điện với các phần điện và cơ khí riêng rẽ sang hệ cơđiện tích hợp với các bộ cảm biến, các cơ cấu chấp hành, các mạch điện tử sốmicro Sự tích hợp này tạo nên một công nghệ mới, trong đó có sự chuyểnbiến về chất của tư duy công nghiệp mà trọng tâm là tư duy công nghệ tạonên đổi mới và xúc tiến các phương pháp giải quyết những vấn đề kỹ thuật

tổng hợp Công nghệ này đã tạo ra nhiều sản phẩm mới và cung cấp giải pháptăng hiệu quả và tính năng của thiết bị công nghiệp, dân dụng Từ đó đến nay,

cơ điện tử đã phát triển không ngừng, nhất là khi kỹ thuật vi xử lý ra đời đãlàm cho cơ điện tử có vai trò quan trọng trong khoa học và công nghệ Sảnphẩm cơ điện tử ngày càng tích hợp trong nó nhiều công nghệ cao hơn, mức

độ thông minh ngày càng mạnh và kích thước ngày càng được rút gọn Trongtương lai, sự phát triển của hệ cơ điện tử sẽ được thúc đẩy bởi sự phát triểncủa các lĩnh vực có liên quan Những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thống cũng

sẽ tạo động lực cho sự phát triển của hệ cơ điện tử thông qua việc cung cấpnhững "công nghệ khả thi" Chẳng hạn, việc phát minh ra bộ vi xử lý đã cóảnh hưởng sâu rộng đến quá trình tái thiết kế hệ cơ khí và quá trình thiết kếmới hệ cơ điện tử Chúng ta nên hy vọng vào những tiến bộ không ngừng của

bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển, sự phát triển của bộ cảm biến và cơ cấu chấphành dựa trên việc ứng dụng những tiến bộ của hệ thống vi cơ điện tử MEMS

"Micro Electronics Mechanics System" và hệ thống siêu vi cơ điện tử NEMS

"Nano Electronics Mechatronics System", các phương pháp điều khiển thíchnghi và phương pháp lập trình tốc độ xử lý của máy tính, công nghệ mạng vàcông nghệ không dây, kỹ thuật gia công được trợ giúp bởi máy tính CAE(Computer Aided Engineering) dùng cho việc lập mô hình hệ thống tiên tiến,tạo mẫu ảo và thử nghiệm Sự phát triển nhanh chóng trong những ngành này

sẽ giúp tăng tốc độ phát triển các sản phẩm thông minh Mạng Intermet là mộtcông cụ khi được ứng dụng kết hợp với công nghệ không dây cũng sẽ có khảnăng tạo ra những sản phẩm cơ điện tử mới Khi những phát triển trong thiết

bị tự động đã cung cấp cho chúng ta ví dụ sinh động về sự phát triển của Cơđiện tử, thì có hàng loạt các ví dụ về các hệ thống thông minh trong tất cả cáclĩnh vực của đời sống xã hội, bao gồm thiết bị gia dụng thông minh, trong lĩnhvực "thiết bị thân thiện với con người" (thuật ngữ do H.Kobayashi(Guest

Editoria), IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.2No.4,1997,P.217

đưa ra) chúng ta có thể hy vọng vào những những tiến bộ trong lĩnh vực cơđiện tử có thể đem lại lợi ích cho những lĩnh vực khác nhau rõ rệt, chế tạomáy, vũ trụ, công nghệ sản xuất ôtô Tương lai của Cơ điện tử đang ngàycàng mở rộng

Trong luận văn này tôi nêu một phần ứng dụng cơ điện tử trong ngành cơkhí ôtô Ôtô đã ra đời từ hơn một trăm năm nay và ngày càng trở đáp ứng tốthơn nhu cầu của con người Với rất nhiều bộ phận, có sự đóng góp của cơ khí,

điện, điện tử, điều khiển, công nghệ thông tin, vật liệu mới, Ôtô hiện đại

là một sản phẩm kết hợp của rất nhiều ngành khoa học kỹ thuật Sẽ là rất khókhăn cho việc thiết kế nếu tách riêng các hệ thống của ôtô thành các lĩnh vựckhoa học kỹ thuật riêng biệt khác nhau Giải pháp cho vấn đề đó, cơ điện tử rađời đóng vai trò là một khoa học về hệ thống có khả năng kết nối các ngànhkhoa học kỹ thuật, ngày càng đóng góp phần lớn vào các ngành công nghiệpnói chung và công nghiệp ôtô nói riêng Bài toán cân bằng ôtô mà trọng tâm

là hệ thống giảm xóc là một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế ôtô.Với lịch sử phát triển lâu dài cùng với nhiều cải tiến đáng kể, các hệ thốnggiảm xóc thông thường vẫn không thể nào đáp ứng tốt cả hai yêu cầu chínhcủa bài toán cân bằng, đó là sự thoải mái và an toàn sự mâu thuẫn giữa hai chỉtiêu đó dường như là một giới hạn khó vượt qua cho tới khi các yếu tố điềukhiển tự động được áp dụng vào hệ thống giảm xóc

Một thế hệ giảm xóc tự động mới ra đời là kết quả của sự vận dụng cơđiện tử vào bài toán cân bằng dao động Bằng phương pháp mô hình hóa và

mô phỏng, tôi bước đầu nghiên cứu ứng dụng của cơ điện tử để giải quyết bàitoán cân bằng trên xe ôtô du lịch Bên cạnh đó tiếp cận với phương pháp điềukhiển hệ thống giảm xóc Groundhook và Skyhook dựa trên phương pháp môhình hóa và mô phỏng

Chương 1 TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ 1.1 Cơ sở kỷ thuật của chuyên ngành cơ điện tử

1.1.1 Vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản suất hàng hoá công nghệ cao của thời kỳ kinh tế trí thức.

Trong nền kinh tế trí thức đòi hỏi một trình độ tư duy và tác phong côngnghiệp hiện đại, sẵn sàng đáp ứng và đáp ứng một cách hiệu quả các yêu cầumới đặt ra của nền kinh tế trí thức, vận hành trong thời đại văn minh tin học.Trong thập niên 70 của thế kỷ trước, nền "Văn minh ống khói" đã đạt tớiđỉnh cao khi thế giới công nghiệp xuất hiện hình thái tổ chức sản xuất dướidạng các tập đoàn siêu quốc gia, các tổ hợp công nghiệp lớn, tập trung quyềnlực trên các lĩnh vực chuyên ngành và khu vực thị trường xác định Đó lànhững gã khổng lồ, những con khủng long của kỷ nguyên đại hồng thuỷ (sảnxuất hàng hoá loại lớn và hàng khối) Sai lầm lớn nhất của các hình thái tổchức sản xuất này là ở tính độc cực trong phân công quốc tế về công nghệ vàthị trường Chính sự độc quyền trong trong tiến trình phát triển đã trở thànhrào cản, hạn chế sức cạch tranh và năng lực sáng tạo của các lực lượng khoahọc - Công nghệ Lao động kỹ thuật, nhất là lao động trí tuệ bị lãng phí hoặc

bị kìm hãm; vật tư năng lượng bị lạm dụng đến mức phương hại tới môi

trường sinh thái và trên phương diện kinh tế, những gã khổng lồ này "khiêuvũ" , với vòng quay "đầu tư - hoàn vốn - lợi nhuận - tái đầu tư mở rộng" mộtcách chậm chạp Cơ hội ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật bị o bế, phảnứng với các biến động thị trường một cách thụ động dẫn tới các giải pháp phi

lý như đầu cơ, phá giá, thậm chí có lúc phải huỷ hoại cả sản phẩm để duydưỡng thị trường

Trong "văn minh tin học", tính mở và tính toàn cầu của sản xuất xã hội đãphá vỡ một cách tự nhiên thế độc quyền của các hình thái tổ chức sản xuất giàcỗi xơ cứng Team Work và mô hình phân công lao động dân chủ đã độngviên tối đa tiềm lực khoa học - công nghệ trong tinh thần hợp tác xã hội cao

độ Con người công nghiệp mới nhìn nhận các vấn đề một cách trí tuệ hơn vớicác tiêu chí phát triển bền vững, bảo vệ môi trường sinh thái và nâng cao tối

đa hàm lượng tri thức trong một đơn vị sản xuất

Nhiều hình thái tổ chức sản xuất mới ra đời trong đó, tính năng động linhhoạt và mềm dẻo, nhất là khả năng phản ứng mau lẹ, cực kỳ nhạy bén đối vớithị trường của các hình thái tổ chức sản xuất này vừa là lợi thế vừa là nhữngthách thức rất cao đối với con người công nghiệp

Rõ ràng, nền kinh tế trí thức có những đặc trưng riêng biệt, độc đáo mà từtrước tới nay chưa hề có một hình thái kinh tế xã hội nào đạt được Đặc thùcủa kinh tế trí thức thể hiện trước hết ở sự tăng cao của hàm lượng tri thứctrong một đơn vị sản phẩm Quá trình chuyển dịch cơ cấu công nghệ thể hiệnrất rõ khuynh hướng phát triển này

Tiến trình chuyển địch công nghệ này dựa trên các cơ sở:

- Vai trò quan trọng của công nghệ cao, đặc biệt là công nghệ thông tin

- Khoa học trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp

- Thời gian thực hiện công nghiệp hoá rút ngắn

- Nhân lực kỹ thuật nhanh chóng được trí thức hoá

- Cơ cấu kinh tế, hệ thống tổ chức xã hội có những thay đổi cơ bản.

Vì vậy sự phát triển công nghệ cao và công nghiệp công nghệ cao trongthời đại ngày nay, không phải chỉ đơn thuần là việc vạnh ra chiến lược pháttriển khoa học và công nghệ, mà là sự nghiệp phấn đấu vươn tới một nền vănminh mới của nhân loại: nền văn minh tin học của kỷ nguyên kinh tế trí thức.Đổi mới thông qua công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước trước hếtphải là sự đổi mới của ý thức tư duy, bởi tư duy sáng tạo chính là nguồn lựccủa đổi mới

Định hướng phát triển công nghệ cơ điện tử cũng không nằm ngoài quyluật này

Gần 20 năm đổi mới đã và đang diễn ra trên đất nước ta, quá trình chuyểndịch công nghệ cũng đã chứng minh rằng lợi thế phát triển có tính hiện thựclớn nhất của Việt Nam lại chính là nguồn lực con người Đất nước Việt Nam,con người Việt Nam - không có con đường nào khác - đã và đang hội nhậpvới tiến trình phát triển gia tốc hoá ngày càng tăng của nhân loại tiến tới nềnkinh tế trí thức

Cùng với quá trình chuyển giao công nghệ mang tính toàn cầu, ý thức tưduy và tác phong công nghiệp hiện đại, có tính chuyên nghiệp của lực lượnglao động tiên tiến bên ngoài cũng có điều kiện thâm nhập, làm thay đổi nhữngtập quán tư tưởng như cố hữu của lực lượng lao động Việt Nam, cải thiệnđáng kể chất lượng lao động và phẩm chất nghề nghiệp của con người ViệtNam công nghiệp, chính đó là cơ sở đáng tin cậy để xây dựng các cơ chế vàchính sách phát triển các hướng công nghệ cao và công nghiệp công nghệ cao

trong chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010.

Vai trò của công nghệ Cơ - Điện tử phục vụ mục tiêu của công nghiệphoá, hiện đại hoá rút ngắn

Công nghệ Cơ - Điện tử và sản phẩm của nó thuộc phạm trù công nghệcao, mang đặc thù tích hợp nhiều ngành kỹ thuật trọng điểm của nền kinh tế

Kinh tế công nghiệp

(Văn minh ống khói)

Hàm lượng tri thức

Thiết bị, tiền vốn

Nguyên liệu, năng lượng

Lao động, nhân lực

Kinh tế tri thức (văn minh tin học)

(Văn minh tin học)

Kinh tế thủ công

Hình 1.1 Các tiêu chí cơ bản của những hình thái sản xuất – Đặc trưng của nền kinh tế tri thức

triển tương hỗ rất mạnh của nhiều ngành khác xoay quanh cơ điện tử:

quang-cơ điện tử (opto-mechatronics), sinh học-quang-cơ điện tử (bio-mechatronics), khoahọc không gian, Một số ứng dụng tiêu biểu của cơ điện tử - tiêu điểm củacác ngành: trong ngành hàng không - vũ trụ (quân sự và dân sự): cơ điện tửrất tự nhiên từ lâu là động lực phát triển chính Các hệ thống lái tự động, định

vị tự động, phát hiện tránh đường, điều phối không lưu, và rất nhiều kỹthuật, trang thiết bị mới, tinh vi đã ra đời sớm nhất trong ngành này Tuynhiên, do đặc thù riêng mà không được phổ biến rộng rãi trong công nghiệpnói chung Cũng vậy, với kỹ thuật quân sự: các hệ thống vũ khí, khí tài dothám, tấn công thông minh, phòng thủ phản ứng nhanh (các hệ thống tên lửađánh chặn, tìm diệt, ) và rất nhiều bí mật quân sự khác thực sự từ lâu đãđược phát triển theo lối tiếp cận cơ điện tử hiện đại, chứ không phải đến khi

nó được đề xuất và nghiên cứu sau này trong dân dụng Trong ngành cơ khí:rôbốt, máy công cụ CNC, hệ thống đo 3D phục vụ kiểm tra chính xác caohoặc cho thiết kế ngược, Trong ngành tự động hoá: giám sát và điều khiểntích cực quá trình (tại từng thiết bị cho đến quy mô toàn nhà máy), Trongngành công nghệ thông tin: mô phỏng, mô hình hoá, cung cấp công cụ tối ưuhoá, cung cấp công cụ cho tạo mẫu nhanh, sản xuất phân tán kỹ thuật số, phầnmềm điều khiển nhúng, các hệ thống giám sát và định vị toàn cầu, Trongcông nghiệp tiêu dùng: điều hoà kỹ thuật số, lò vi sóng, nồi cơm điện, máygiặt, tủ lạnh thông minh, Trong công nghiệp ôtô: các hệ thống lái tự động,các hệ thống an toàn kiểu mới, Trong y sinh học: thiết bị xét nghiệm, chẩnđoán, điều trị, phục hồi chức năng, cùng với việc tích hợp các công cụ khaithác thông tin, dữ liệu di truyền sinh học để kiểm soát tổng thể các phươngtiện chăm sóc sức khoẻ (ứng dụng máy ghi nhiệt và trí tuệ nhân tạo để pháthiện sớm khối u; tạo môi trường ảo để phục hồi từ xa cho người già bị giảm

nhận thức; các công cụ có trợ giúp bởi máy tính để phân tích chứng bệnh timmạch, châm cứu, ),v.v.

Có thể nhận thấy, cơ điện tử là phạm trù rộng, chúng ta cần đặt mục tiêunghiên cứu phát triển cơ điện tử của nước ta trong những năm tới là có nhữngsản phẩm chiến lược Việc lựa chọn phương hướng nghiên cứu cơ điện tử cần

có hiệu quả mang tính đi tắt đón đầu, do vậy có 3 lĩnh vực chúng ta cần phảilàm chủ bằng được, đó là:

Sản phẩm cơ điện tử trong tiêu dùng: Những đồ gia dụng ví dụ: thiết bịcảnh báo, bếp từ, đầu VCD, máy giặt, máy ảnh số, là những mặt hàng mangtính thông minh nhưng không quá phức tạp về cấu hình Sự thông minh nằmnhiều ở phần điều khiển (cứng và mềm của thiết bị), phần mà theo nhận địnhcủa nhiều chuyên gia là thuộc năng khiếu của người Việt Nam Mặc dù về giátrị kinh tế không thật cao, nhưng do là vật dụng thông dụng nên lương tiêu thụ(với đất nước gần 86 triệu dân) là lớn

Thiết bị và hệ thống cơ điện tử trong công nghiệp: Khá nhiều thiết bị côngnghiệp ví dụ như máy công cụ CNC, trạm trộn bê tông tự động, dây chuyềnsản xuất xi măng, hệ thống hút bụi công nghiệp,… đã là kết quả nghiên cứu

từ các đề tài nghiên cứu KHCN và đang được triển khai tốt trong đời sống sảnxuất Có thể nhận thấy rằng chúng ta có thể thiết kế, tích hợp tốt thiết bị côngnghiệp thông minh Nhược điểm của chúng ta là khâu chế tạo Tuy nhiên trênthế giới, không một nước nào, Hãng nào lại chế tạo một hệ thống từ A-Z, theo

xu hướng chung này chúng ta sẽ tuyển chọn đâu là những vấn đề cần đầu tư

để có thể chiếm thị phần lớn trong sản phẩm cơ điện tử loại này

Thiết bị cơ điện tử trong lĩnh vực y tế: Trong mọi xã hội giàu, nghèo sứckhoẻ con người luôn được đặt lên hàng đầu vì con người là nguồn vốn quýnhất của mọi quốc gia Việc phát triển thiết bị cơ điện tử y tế có ý nghĩa hơnkhi bản thân thiết bị không những đã thúc đẩy sự phát triển của rất nhiều lĩnh

vực liên quan (vật lý - nguồn năng lượng tia bức xạ, hệ thống quang học, hệthống cảm biến – nhận dạng, công nghệ thông tin - xử lý ảnh, ) mà còn cóhiệu ứng đomino đến các lĩnh vực khác như sinh hoá, chẩn đoán, trị liệu, Phương hướng nghiên cứu cơ điện tử của chúng ta có thể tập trung vào kỹthuật tích hợp hệ thống từ các mô đun tiêu chuẩn hoá, đầu tư vào nghiên cứuthiết kế hệ điều khiển và phần mềm, chế tạo một phần cấu hình vật lý và phầncứng điều khiển tương thích.

1.1.3 Xu hướng phát triển của cơ điện tử thế giới.

Xu thế của cơ điện tử trên thế giới là tích hợp trong đó ngày càng nghiềucông nghệ cao, làm cho trí tuệ của sản phẩm ngày càng thông minh hơn trongmột kích thước sản phẩm ngày càng nhỏ hơn, tiêu tốn nguyên liệu ngày một íthơn

Một số công nghệ mới đóng vai trò quan trọng trong các sản phẩm và hệthống cơ điện tử trong thời gian tới, là công nghệ mạng máy tính nhúng vàcông nghệ vật liệu mới Với công nghệ mạng máy tính nhúng, các sản phẩm

cơ điện tử sẽ có chức năng hội thoại và hợp tác phối hợp thực hiện được nhiềunhiệm vụ có độ phức tạp cao hoặc đồng thời ở nhiều địa điểm trên diện rộng.Công nghệ vật liệu mới cho ta những vật liệu có đặc tính như điều khiển đượchoặc có khả năng biến dạng để chế tạo các cơ cấu chấp hành hoặc cấu trúc cơkhí không gian 3 chiều phong phú cho sản phẩm cơ điện tử

Công nghệ micro/nano nhằm thu nhỏ các thiết bị máy móc xuống kíchthước của phần tử cho các sản phẩm công nghệ trong tương lai Với việc điềukhiển chính xác các nguyên tử và phân tử, con người có thể chế tạo ra cáccảm biến mới, các vật liệu nhân tạo thông minh, các robot/máy kích thướcmicro, các hệ thống thông minh cực nhỏ v.v Tuy nhiên công nghệ nano cònnhiều thách thức mà hiện nay con người chưa giải quyết được Sự hiểu biết cơchế hoạt động, điều khiển ở kích thước nano còn chưa hoàn hảo, công nghệ

điều khiển nano còn chưa phát triển Các nghiên cứu về micro/nano

mechatronics mới đang ở giai đoạn đầu

Xu thế nhỏ hóa thiết bị máy móc đang là xu hướng tiến hóa các sản phẩm

ở hầu hết các sản phẩm công nghiệp như các thiết bị điện tử gia dụng (máyđiều hòa, lò vi sóng, máy giặt ), các thiết bị truyền thông, các thiết bị y tế,các phương tiện giao thông, các hệ thống điều khiển, các dây chuyền côngnghệ Sự phát triển của công nghệ vi điện tử ngày càng nhỏ với chức năngngày càng mạnh và giá thành ngày càng rẻ cho thấy khả năng phát triển củacác sản phẩm nhỏ gọn và có nhiều tính năng phong phú, vượt trội

Xu thế thông minh hóa các sản phẩm cơ điện tử được thể hiện ở việc pháttriển trí thông minh cho các sản phẩm Các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo,mạng nơron, hệ chuyên gia, giải thuật gen, các phương pháp xử lý songsong đang là hướng nghiên cứu thời sự cho các hệ điều khiển thông minh ápdụng cho các sản phẩm cơ điện tử tương lai, với việc xử lý trong thời gianthực các tín hiệu của cảm biến âm thanh, hình ảnh, tiếng nói, các cảm biếntiếp xúc như lực, momem v.v sẽ tạo ra các sản phẩm cơ điện tử có khả năngđối thoại và tự suy diễn, ra quyết định, tự thích nghi với môi trường nhưnhững sinh vật sống

1.1.4 Cơ điện tử là gì

Thuật ngữ cơ điện tử được hình thành vào năm 1969 do ông Tesuro Moringười Nhật Bản, Tổng giám đốc của Công ty Seibu Electric and Machinerynêu ra, khi ông đề xuất một công nghệ mới sản xuất các máy công cụ tiên tiếnvới sự kết hợp chặt chẽ giữa cơ khí và điện tử Ban đầu, Cơ điện tử dùng đểchỉ các hệ thống chỉ có thành phần cơ khí và điện tử-không yêu cầu sự tínhtoán Ví dụ như cửa trượt tự động, máy bán hàng tự động, hệ thống mở cửagara Như vậy, bước đầu công nghệ cơ điện tử đã tạo ra nhiều sản phẩm mớicũng như cung cấp một giải pháp tăng hiệu quả và tính năng của các máy móc

thông dụng trong đời sống con người Từ đó đến nay cơ điện tử có sự pháttriển không ngừng và đóng vai trò quan trọng trong khoa học công nghệ, nhất

là từ khi kỹ thuật vi xử lý ra đời vào những năm 1970 Mặc dù vậy khái niệm

cơ điện tử không được thể hiện một cách rõ ràng và nhất quán trong các tàiliệu cũng như trong cách hiểu của mọi người Đã có không ít các cách hiểuđơn giản như: Cơ điện tử là một hệ thống kỹ thuật có các thành phần cơ khí,điện, điện tử, máy tính, các cụm cảm biến đo lường, các bộ phận điều khiển

và điều chỉnh … Một số lại hiểu sản phẩm cơ điện tử là một thiết bị có thêmphần điều khiển điện tử và phần mềm thay thế một phần chức năng của phần

cơ khí trước đây Cách hiểu này dẫn đến suy nghĩ rằng Cơ điện tử không có gìmới mà chỉ đơn thuần là sự kết hợp các lĩnh vực khoa học công nghệ có sẵn.Với các quan niệm như thế các chuyên gia trên thế giới đã đưa ra một số địnhnghĩa khác nhau về Cơ điện tử:

Đầu tiên là định nghĩa của Yasakawa Electric Company được đưa vàotrong các tài liệu xin bảo hộ thương hiệu vào năm 1972: “Thuật ngữ

Mechatronics (Cơ điện tử) được tạo thành bởi từ “Mecha” trong Mechanism (cơ cấu) và “Tronics” trong electronics (điện tử) Nói cách khác - công nghệ

và các sản phẩm phát triển sẽ ngày càng hợp nhất một cách mật thiết và hữu

cơ các thành phần điện tử vào trong các cơ cấu và rất khó có thể chỉ ra ranh giới giữa chúng” [2, 4].

Việc tích hợp chặt chẽ và hữu cơ ngày càng nhiều các lĩnh vực chuyênmôn khác nhau vào trong máy móc làm ta không biết đâu là điểm bắt đầucũng như điểm kết thúc của quá trình tích hợp

Sự tiến bộ của công nghệ theo thời gian, nhất là sự phát triển của máytính làm cho định nghĩa Cơ điện tử thay đổi Năm 1996 Harashima, Tomizuka

và Fukada (Nhật Bản) quan niệm “Cơ điện tử là sự tích hợp của kỹ thuật cơ

khí, cùng với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế và sản xuất các sản phẩm và quá trình công nghệ” [3]

Cũng vào thời gian đó Auslander và Kempf (CHLB Đức) lại quan niệm:

"Cơ điện tử là một ứng dụng của việc tạo quyết định liên hợp để điều hành các

hệ thống vật lý” [8] Đối tượng điều khiển theo quan niệm của Kempf chính

là hệ thống vật lý, nó không chỉ gồm những hệ thống cơ khí truyền thống haycác sản phẩm cơ điện riêng lẻ mà còn gồm cả quá trình tự động hóa một côngnghệ sản xuất, một hệ thống xử lý, điều khiển môi trường, nhiệt độ hay daođộng, hoặc điều khiển một cỗ xe hay phương tiện vận tải, … Như vậy quanniệm của các chuyên gia Đức về Cơ điện tử dường như có tính khái quát hơnkhi đưa ra khái niệm “môi trường tạo lập các quyết định điều khiển”(Decision making) Còn với các chuyên gia Mỹ như Shetty và Kolk thì quan

niệm “Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện”[9] Và gần đây W.Bolton đề xuất định nghĩa: “Một hệ thống cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ thống cơ khí, điện và điện tử, còn hơn cả một hệ thống điều khiển, nó là sự tích hợp hoàn hảo của tất cả những thứ đó” [10] Đến những năm 90 của thập niên trước, khi côngnghệ truyền thông được đưa vào các sản phẩm cơ điện tử đã làm cho cơ điện

tử có khả năng kết nối trong mạng rộng Sự phát triển này mang đến nhữngchức năng mới như điều khiển từ xa Trong thời gian này, các công nghệ cảmbiến và cơ cấu chấp hành mới, nhỏ hơn - thậm chí cấp độ micro được dùngngày càng nhiều trong các sản phẩm mới Hệ thống vi cơ điên tử như gia tốc

kế silicon dùng để khởi động túi khí ôtô là ví dụ mới nhất Sự phát triển của

cơ điện tử đến giai đoạn này tạo nên một hệ nhất quán - phát triển về chất chứkhông đơn thuần chỉ là sự phát triển rầm rộ về số lượng Máy tính và các chíp

vi xử lý đã mạnh và rẻ để có thể nhúng vào các sản phẩm cùng với các côngnghệ cao khác như cảm biến, cơ cấu chấp hành, công nghệ phần mềm, công

nghệ điều khiển số hiện đại cho ra những sản phẩm thông minh Các chứcnăng của máy móc và hệ thống kỹ thuật hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào phầnmềm có thể là một thuật toán, mạng nơron, hệ mờ trong máy tính của sảnphẩm Cơ điện tử là một công nghệ tổng hợp ngày càng nhiều các công nghệkhác để có thể có được các sản phẩm hoàn hảo hơn Hay nói cách khác cơđiện tử liên kết các yếu tố cấu thành của ngành cơ học, điện tử và điều khiển

để tạo nên một CÔNG NGHỆ MỚI, trong đó có sự chuyển biến về chất của

tư duy công nghiệp mà trọng điểm là tư duy công nghệ Bằng tư duy côngnghệ mới và sự phối hợp liên ngành, con người sẽ đổi mới, xúc tiến cácphương pháp giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp và đưa ra các sẩnphẩm cơ điện tử tiên tiến phục vụ nền công nghiệp hiện đại Nhưng cũng phảihiểu rằng cơ điện tử là một thể thống nhất chứ không phải là sự gộp đơn thuầncủa nhiều công nghệ khác nhau như cơ khí, điện tử, máy tính, cảm biến Cấutrúc của các công nghệ này phải thay đổi để trở thành một cấu trúc thống nhấttrong một sản phẩm cơ điện tử Các sản phẩm cơ điện tử có một hàm lượng

"thông minh" riêng tạo nên tính năng của thiết bị trong các lĩnh vực giaothông, robot, hệ thống sản xuất, năng lượng mới, thiết bị y tế, hàng không vũtrụ

Cơ điện tử là sự kết hợp đồng vận của kỹ thuật cơ khí, điều khiển điện tử

và tư duy hệ thống trong thiết kế sản phẩm và các quá trình sản xuất (theo ủyban Tư vấn Phát triển và Nghiên cứu công nghệ Châu âu: IRDAC)

Cơ điện tử được xem xét như là các ứng dụng kỹ thuật đồng thời vào thiết

kế và tích hợp các hệ thống cơ điện tử (theo trường Đại học Atlanta USA)

Cơ điện tử là sự kết hợp giữa 4 mảng kiến thức: cơ khí, điện tử, điềukhiển và máy tính (theo giáo sư Ke vin Cung khoa Cơ khí và Kỹ thuật hàngkhông của Đại học Renssenlaser USA)

Đa số các trường đại học của Anh, Đức, áo, úc đều thống nhất quan điểm

cơ điện tử là sự phối hợp đồng vận của kỹ thuật cơ khí, điện tử và công nghệthông tin

Vậy có rất nhiều những định nghĩa về " CƠ ĐIỆN TỬ" nhưng người ta

đưa ra một định nghĩa tổng quát đó là "Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của

kỹ thuật cơ khí với điện tử điều khiển thông minh bằng máy tính trong thiết kế

và chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp"

Sự tích hợp ở đây không phải là cộng gộp 3 ngành kỹ thuật đơn thuần mà

là sự kết hợp mật thiết hữu cơ Không ngành nào là trọng điểm của cơ điện tử,cũng không thể nói Cơ điện tử thuộc về ngành nào Sự tích hợp khác nhau củacác ngành tạo thành các miền khác nhau, cho ra các kết quả sản phẩm tươngứng là khác nhau

Sự tích hợp giữa cơ khí với kỹ thuật điện tử tạo ra những sản phẩm tiêubiểu là những cụm đo lường cảm biến (Sensors) và hệ thống điều khiển/ điềuchỉnh các cơ cấu chấp hành (Actuators)

ĐIỆN TỬ

Xử lý tính toán

Cảm biến CƠ KHÍ chấp hành

CƠ ĐIỆN TỬ

Mô hình toán

CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hình 1.2 Cơ điện tử, khoa học của nhiều ngành nghiên cứu

Sự tích hợp giữa kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin tạo ra một thànhphần có tính hạt nhân là các hệ thống tính toán điều khiển quá trình ( process -computation )

Sự tích hợp giữa công nghệ thông tin và kỹ thuật cơ khí lại đưa ra các công

cụ hữu hiệu là kỹ thuật mô hình hoá, mô phỏng (modellisation/simmulation).Cuối cùng sự tích hợp sản phẩm của 3 miền đó sẽ cho ra một hệ thống cơđiện tử, một sản phẩm cơ điện tử hoàn thiện

1.1.5 Lịch sử phát triển

Theo dòng lịch sử, đa số các hệ thống sản xuất cũng như các sản phẩmhàng hoá được cơ khí hoàn toàn khi có sự hiện diện của động cơ điện, hoặcthuỷ lực trong kết cấu, đó là xuất phát điểm Sự xuất hiện của linh kiện bándẫn trong những năm 50 và các máy tính điện tử số trong những năm 70 đãtạo nên những hệ thống ghép nối tương hỗ giữa kỹ thuật cơ khí với điện tử,điều khiển và công nghệ thông tin Những sản phẩm cơ điện tử trong giaiđoạn này có kết cấu đơn giản nhưng cũng đã thể hiện được tính tích cực của

Cơ điện tử trong việc tạo ra các sản phẩm thông minh, có độ tin cậy lớn, vàgiải phóng sức lao động của con người

Sang thập niên 1980, công nghệ thông tin được hình thành thì các bộ vi

xử được nhúng vào trong các hệ thống cơ khí để nâng cao tính năng của hệthống Máy công cụ điều khiển số và robot trở nên hoàn hảo hơn, trong khi đócác ứng dụng trong ôtô như hệ thống điều khiển động cơ điện tử dùng rộngrãi

Từ những năm 1990 trở đi, khi công nghệ truyền thông đang được ứngdụng rộng rãi thì các hệ thống cơ điện tử cũng tích hợp thêm khả năng kết nốilàm việc trong hệ thống mạng rộng rãi Khi khoa học kỹ thuật đã phát triểnvượt bậc ở tất cả các lĩnh vực, do đó sự trao đổi chuyển giao công nghệ ngàycàng trở nên cần thiết trong nghiên cứu thiết kế sản xuất chế tạo Như vậy cơ

điện tử là một công nghệ tổng hợp ngày càng nhiều các công nghệ khác trong

nó để có thể có được các sản phẩm hoàn hảo hơn Ta có thể tóm tắt quá trìnhphát triển theo sơ đồ sau

Chiều tăng truyền động điện

Chiều tăng điều khiển tự động

Chiều tăng

tự động hóa với máy tính quá trình

và sự thu nhỏ

Các hệ thống cơ khí thuần túy

Các hệ thống cơ khí với truyền

động điện

< 1900

Mô tơ một chiều (1870)

Mô tơ xoay chiều (1889)

Động cơ hơi nước

1860 Máy phát điện 1870 Bơm tuần hoàn 1880 Động cơ đốt trong

1880 Máy chữ cơ khí Máy công cụ

Bơm 1920

Các hệ thống cơ khí với truyền

- Điều khiển điện tử (tương tự)

- Điều khiển dãy

Transistor (1948) Thysistor (1955)

Các hệ thống cơ khí với

- Điều khiển số liên tục

- Điều khiển dãy - số

Máy tính số hóa (1955) Máy tính xử lý (1959) Phần mềm thời gian thực (1966) Máy vi tính (1971)

Tự động hóa phân quyền số (1975)

Các hệ thống cơ điện tử

- Tích hợp: phần cứng cơ khí &

điện tử

- Phần mềm xác định chức năng

- Công cụ thiết kế mới cho kỹ

thuật đông thời

- Các khả năng điều phối

Bộ vi điều chỉnh (1978) Máy tính cá nhân (1980)

Hệ thống process/fieldbus Các cơ cấu điều khiển, cảm biến mới

Robot di động

CIM Phương vị từ Điều khiển ôtô (EFI, ABS,

ESP) 1985

Hình 1.3 Lịch sử phát triển của các hệ thống kỹ thuật từ cơ khí thuần

túy đến các hệ cơ điện - tử ngày nay

1.2 Cơ điện tử là một khoa học về hệ thống

1.2.1 Ví dụ về hệ thống cơ điện tử

Qua tìm hiểu định nghĩa Cơ điện tử cũng như lịch sử phát triển của nó ta

có được một cái nhìn tổng quan về bản chất của một hệ thống cơ điện tử bản

chất như đã phân tích trên (Hình 1.2) ta có thể thấy cơ điện tử đã tách ra thành

một chuyên ngành, công nghệ độc lập Việc các chuyên ngành cơ điện, điện

tử, công nghệ thông tin biến đổi và kết hợp với nhau tạo nên phần xương thịthữu cơ trong cơ điện tử Ở trong cơ thể đó tồn tại 3 dòng lưu thông dòng lưuthông vật chất, dòng điều phối năng lượng, dòng lưu thông thông tin

Ở đây chúng ta sẽ nghiên cứu hệ thống phân phối sản phẩm dựa vào màusắc của phòng thí nghiệm Khoa cơ khí để thấy rõ điều này Sản phẩm là cácmiếng nhựa hình tròn được sơn màu đỏ, màu đen và tráng bạc di chuyển trêndây chuyền Khi đi qua cảm biên màu sắc, cảm biến sẽ nhận được diện đượcmàu của vật thể Tín hiệu được truyền về bộ điều khiển PLC, tại đây tín hiệugửi đến được kiểm tra Nếu tín hiệu trùng với màu sơn đỏ đã định trước bộđiều khiển PLC sẽ gửi tín hiệu kích hoạt đến bộ phận khí nén, khí lên xylanh,đẩy sản phẩm vào máng đã định Nếu sản phẩm có màu đen máng dẫn được

Chiều tăng

sự tích hợp của vi xử

lý và máy

vi tính

thay đổi để sản phẩm mang màu đen vào đúng vị trí của nó Sau khi thực hiệnxong nhiệm vụ tay gạt trở lại vị trí ban đầu Còn nếu sản phẩm là màu trắngbạc cảm biến thứ nhất sẽ không nhận biết được Sản phẩm được nhận biết ởcảm biến thứ hai riêng biệt của nó Và quá trình lặp lại tương tự như trên Nếu

có sản phẩm khác với 3 màu trên lẫn vào trong tập hợp nó sẽ không được cáccảm biến nhận biết và được đưa đến kho phế phẩm

1.2.2 Các thành phần của hệ thống cơ điện tử

Các thành phần của một hệ thống cơ điện tử có thể được thấy như (Hình1.3)

trong đó những cụm thành phần quan trọng mà ta sẽ nghiên cứu dưới đây là

hệ thống sensor, actuator, hệ thống xử lý thông tin và hệ thống cơ khí biếnđổi năng lượng

cách, lực, v.v .), xử lý dữ liệu và cung cấp một tín hiệu phần mềm (điện, cơ khí, từ, v.v .) cái mà có thể được hiểu bởi cơ cấu chấp hành.

Theo cách khác, có thể hiểu sensor là bộ biến đổi năng lượng từ dạngnày sang dạng khác Hệ thống sensor sẽ đo lường các thông số của hệ

Hệ thống

cơ điện

Cơ cấu chấp hành

Cảm biến

Hệ thống

cơ điện

Số/tương tự

Tương tự/số

Hệ thống máy tính

thống vật lý (cơ khí) rồi đưa thông tin thu được dưới dạng tín hiệu số vềcho hệ thống xử lý thông tin.

Hình 1.5 Mô hình cảm biến (Sensor) 1.2.2.2 Cơ cấu chấp hành

Actuator được định nghĩa như là một thiết bị cơ học để chuyển động hayđiều khiển một cái gì đó Chúng ta định nghĩa một actuator là: "Một thực thểtiếp nhận các sự kiện phần mềm và tác động trở lại bằng sự cố gắng thay đổitrạng thái của thế giới thực theo một số cách bởi một số thiết bị phần cứng"

Hình 1.6 Mô hình cơ cấu chấp hành (Actuator)

Actuator cơ bản giống phần "cơ bắp" đằng sau hệ thống cơ điện tử, nhậnlệnh điều khiển (thường dưới dạng tín hiệu điện) và tạo ra một sự thay đổitrong hệ thống vật lý bằng cách tạo lực, chuyển động, sức nóng, dòng chảy,

v.v

Cụm cơ cấu chấp hành

C

Tiếp nhận sự kiện

Xử lý cảm biến

Quá trình chấp hành

Cung ứng năng lượng

Actuator Sự kết nối cơ khí

Hình 1.7 Cụm cơ cấu chấp hành cơ bản

Thông thường, các actuator cùng chung nguồn năng lượng và phần kếtnối cơ khí như Đơn vị năng lượng cung cấp hoặc nguồn AC hoặc nguồn DC.Phần kết nối cơ khí hoạt động như là một giao diện giữa actuator và hệ thốngvật lý Phần cơ khí điển hình gồm có thanh răng và bánh răng, truyền độngbánh răng, truyền động đai, vít me đai ốc, piston, linkage

1.2.2.3 Hệ thống xử lý thông tin

Hệ thống xử lý thông tin với vai trò như "bộ não" của hệ thống cơ điện tửbao gồm các máy tính, trung tâm xử lý, phần mềm Hệ thống xử lý thôngtin nhận thông tin ban đầu từ người điều khiển (hoặc lập trình) kết hợp vớithông tin nhận được từ hệ thống sensor để xử lý, phân tích đưa ra quyết địnhđến hệ thống actuator

Bộ nhớ

mã lệnh Bộ nhớ dữ liệu

Bộ phát xung đồng

Mạch điện

tử ngoại vi

Hình 1.8 Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển

Hệ thống xử lý thông tin đơn giản nhất là một bộ vi điều khiển (Hình 1.7)với bộ xử lý trung tâm CPU, các bộ nhớ mã lệnh và dữ liệu, mạch điện tử kếtnối ngoại vi Hệ thống xử lý thông tin còn có thể là một bộ vi xử lý (Hình 1.8)với các thành phần:

Xử lý trung tâm: Gồm các phần, đơn vị điều khiển: tạo các tín hiệu điềukhiển để sắp đặt các hoạt động trong đường dẫn dữ liệu, đường dẫn dữ liệu:gồm có đơn vị số học chính xác và đơn vị thực thi logic được yêu cầu để thựcthi lệnh

Hình 1.9 Sơ đồ khối của bộ vi xử lý

Hệ thống nhớ là kho chứa thông tin của bộ vi xử lý Đơn vị xử lý lấythông tin lưu trữ trong bộ nhớ, xử lý thông tin, và trả lại thông tin mới vào bộnhớ Hệ thống nhớ gồm có:

• Bộ nhớ cache là bộ nhớ tốc độ nhanh, nhỏ dùng công nghệ bán dẫnSRAM, đặt gần bộ xử lý nhất trong phân cấp của hệ thống bộ nhớ

• Đơn vị quản lý bộ nhớ (MMU) với vùng nhớ đệm (TLB)

• Bộ điều khiển của bộ nhớ

Hệ thống vào ra là hệ thống truyền dữ liệu giữa các thành phần bên trong(CPU, bộ nhớ chính) với các thiết bị bên ngoài (đĩa, thiết bị cuối, máy in, bàn

Đơn vị logic

số học

Điều khiển

Đầu ra (Output)

Đầu vào (Input)

Bộ nhớ

phím, scanner, ) Hệ thống vào ra có bộ điều khiển ngoại vi và bộ điềukhiển truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA controller)

Phần kết nối hệ thống là các phương tiện cho phép các thành phần trong

hệ thống máy tính giao tiếp với các hệ thống khác

1.2.2.4 Hệ thống cơ khí và biến đổi năng lượng

Các hệ thống cơ khí là các hệ thống vật lý trực tiếp thực hiện các nhiệm

vụ của hệ thống cơ điện tử Các hệ thống biến đổi năng lượng làm nhiệm vụbiến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác để phù hợp với mục đích sửdụng

1.2.3 Cấu trúc chung của hệ thống cơ điện tử

Cấu trúc tổng quát của hệ thống cơ điện tử có thể được thấy như trên(Hình 1.9) với những mô tả về các thành phần và sự vận động của chúng.Xuyên suốt hệ thống cơ điện tử chính là dòng năng lượng (Energy flow) Nó

chạy xuyên suốt các hệ thống cơ khí, điện, các phần thông tin, điện tử số

thu thập các thông tin dữ liệu của các phần làm thông tin dữ liệu trao đối với

các thành phần khác trong hệ thống Dòng năng lượng này đầu tiên đi sâu vào

trong máy, nó có thể được dùng trực tiếp cho bộ phận tiêu thụ năng lượng

hoặc được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng, cơ năng

(thế năng, động năng, thuỷ lực, khí nén), hoá năng hay nhiệt năng Với mỗi

máy được đặc trưng bởi một dòng năng lượng như vậy, có thể là liên tục hoặc

lặp lại hay có thể là gián đoạn (như phần tử cơ khí hay thiết bị cơ khí theo chu

kỳ) Dòng năng lượng thu thập thông tin trạng thái của quá trình cơ khí (dòng

tốc độ, khối lượng hay thể tích), các đại lượng như lực, áp suất, nhiệt độ hay

điện áp Và một số đại lượng đo là đầu vào cho dòng thông tin nhờ điện tử số

được kết quả là đại lượng điều chỉnh cho cơ cấu điều khiển hoặc đại lượng

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống cơ điện tử

Việc thêm và tích hợp dòng thông tin phản hồi tới dòng năng lượng sơ

cấp trong hệ thống cơ khí cơ bản là một tính chất của nhiều hệ cơ điện tử Hệ

Cảm biến (Sensor)

Cung ứng năng lượng Cung ứng năng lượng

thống cơ điện tử có thể được thấy ở một số dạng như: hệ thống cơ điện tử, cơcấu cơ điện tử, phương tiện giao thông cơ điện tử, cơ điện tử chính xác và các

hệ thống vi cơ điện tử (micro mechatronics) Điều đó chỉ ra rằng việc tích hợp

cơ khí với điện tử sẽ cho ra nhiều lớp khác nhau của các hệ thống công nghệ.Trong một số trường hợp, phần cơ khí trong hệ thống được tích hợp với phầnđiện, nhiệt, nhiệt động, hoá học hay phần xử lý thông tin Việc hiểu như thếnày chỉ đúng với cụm biến đổi năng lượng khác đã xuất hiện Theo đó cơ điện

tử theo nghĩa rộng hơn bao gồm hệ thống cơ khí và hệ thống xử lý không phải

cơ khí (non-mechanical processes) Tuy nhiên phần cơ khí là trội hơn trong hệthống Dòng năng lượng phụ được đòi hỏi trong các hệ thống này để bổ sungnhững chức năng thiếu hụt trong các hệ thống cơ khí thụ động truyền thống.Cũng chính vì vậy mà các hệ thống này còn được gọi là các hệ thống cơ khítích cực (active mechanical systems)

1.3 Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao nói chung và trong công nghệ ôtô hiện đại nói riêng.

1.3.1 Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao.

Các hệ thống truyền động trên được ứng dụng rộng rãi trong các máycông cụ cắt gọt kim loại, các trung tâm gia công và trạm công nghệ kháctrong hệ thống tự động linh hoạt (FMS = Flexible Manufacturing System)hoặc trong hệ thống gia công điều khiển bằng mạng vi tính kết nối (CIM =Computer Intergrated Manufacturing) Và cũng được ứng dụng trong các hệthống robot của mọi lĩnh vực công nghệ và dịch vụ với năng lực cao hơn vàtrí tuệ hơn Mở rộng phạm vi ứng dụng của robot, tăng cường khả năng chọnlọc chương trình và sử dụng trí tuệ nhân tạo là các hướng nghiên cứu các ứngdụng điển hình trên lĩnh vực robot Hướng ứng dụng có ý nghĩa vô cùng tolớn và đưa các hệ thống cơ điện tử vào các sản phẩm dân dụng và gia dụng:máy ảnh, vi deo - camera, tủ lạnh, ti vi, điều hoà

Các ứng dụng trong hệ thống vi cơ điện tử: chế tạo những bộ phận thuộcphần cứng của các hệ máy tính như: đĩa cứng, Ổ nhớ ngoại vi (USB), cácphần tử điều khiển đọc, nhớ xử lý và xuất tín hiệu điều khiển của các hệ máytính.

Từ những năm 1960 các mạch điện tử được cải thiện một cách rõ rệt cả

về hiệu năng, về chức năng và độ ổn định khi tích hợp các vi bóng bán dẫntrên một chíp Điều này đảm bảo cho việc hạ giá thành sản phẩm, tăng côngsuất sản xuất và đó cũng chính là kết quả của cuộc cách mạng thông tin Gầnđây, các nhà khoa học nhận thấy không chỉ có các thiết bị điện, điện tử, mà cảthiết bị cơ khí cũng có thể giảm kích thước và sản xuất hàng loạt, hứa hẹn cáckhoản lợi nhuận như đã từng thấy đối với công nghệ mạng tích hợp Trong đóđiện tử có vai trò như bộ não cho các hệ thống cảm biến, các bộ tiến hànhgiống như tai, mắt, chân, tay cho phép trao đổi thông tin với thế giới bênngoài Điều này được thể hiện rõ trong một số ví dụ sau:

Ví dụ 1: Đặc tính cơ điện tử trong điều khiển chạy dao của máy công cụ

Hình 1.11 Cơ điện tử trong điều khiển chạy dao của máy công cụ CNC

Ví dụ 2: Robot bám tường: Sáu bánh xe có thể bám dính trên tường vàtrần Nó có thể vận hành tự động hoặc điều khiển từ xa Bên cạnh đó nó cũng

có thể truyền dữ liệu hình ảnh thông qua Bluetooth Các robot này có thể dễ

dàng điều khiển thông qua joystick, có thể chuyển động theo chương trình đãlập sẵn Ngoài ra nó có thể hoạt động tự động dựa trên hệ thống điều khiểnthông mình và một loạt cảm biến hổ trợ Truyền dữ liệu hình ảnh quaBluetooth.

Ví dụ 3: Robot HRP-3 Promet Mk-II: Người công nhân lý tưởng Mộtcông ty Nhật đang góp phần tạo ra mẫu người công nhân “ lý tưởng”: làmviệc không biết mệt trong trời mưa tầm tã, dưới nắng gắt chói chang, trên mặtđường lồi lõm hay sàn nhà trơn trợt

Người công nhân lý tưởng đó chính là robot hình người HRP-3 PrometMk-II cao 1,6 mét, nặng 68 kg – một sản phẩm robot thế hệ mới của công tyKawada Industries Trong buổi ra mắt báo giới ngày 20/6/2008, HRP-3Promet Mk-II đã di chuyển thoải mái trên một mặt sân trơn trợt, đầy cát và đivào phòng tắm

Hình 1.12 Robot HRP-3 Promet Mk-II đang đi giống y như người.

Ví dụ 4: Mẫu robot Asendro đầu tiên do công ty Robotwatch ở Berlin chế tạochỉ nặng 40kg, robot nhẹ cân này trông giống một chiếc xe tăng đồ chơi Vớicánh tay của mình, thiết bị này có thể mở các cánh cửa và sử dụng cặp mắtvideo của mình để do thám và điều tra các vị trí nguy hiểm mà con ngườikhông tiếp cận được

Hình 1.13 Mẫu robot “Asendro” – một thế hệ robot bảo vệ mới nhất

Ví dụ 5: Robot sử dụng trong Y học Không yêu cầu bất cứ sự liên kết bênngoài hay liên kết với các thiết bị khác, robot này vẫn có thể di chuyển bêntrong những ống có đường kính nhỏ Robot có kích thước 1mm chiều rộng và4mm chiều dài, sử dụng năng lượng từ trường từ bên ngoài

Robot này có khả năng bò trên vách bên trong của các mạch máu bằngnhững cánh tay siêu nhỏ Nó có thể chịu được áp suất và dòng chảy của máutrong mạch máu để di chuyển đến tĩnh mạch và động mạch theo yêu cầu Trong giai đoạn hiện nay, các ứng dụng của robot này chỉ có thể sử dụngtrong điều trị ung thư tuyến tiền liệt hoặc ung thư trên các bộ phận ở đầu và

cổ Tuy nhiên các nhà nghiên cứu hy vọng rằng robot này có thể trợ giúp quátrình chẩn đoán và điều trị bệnh cho con người

Các công nghệ hiện nay cho phép các bác sĩ đưa vào cơ thể người nhữngvật rất nhỏ, mang theo thuốc, camera và các thiết bị khác

Với robot này, các bác sĩ có thể khám các bộ phận của cơ thể người mộtcách dễ dàng so với phương pháp nội soi hiện nay do nó có thể đi vào cơ thểcon người thông qua các mạch máu, xương sống và các bộ phận khác tùy theoyêu cầu của bác sĩ

1.3.2 Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ ôtô hiện đại

Một ứng dụng cũng rất lớn hiện nay đó là ứng dụng các hệ thống cơ điện

tử trong ngành ôtô Các hệ thống cơ điện tử chiếm tỷ trọng ngày càng nhiềutrong cơ cấu giá thành ôtô (khoảng 16 đến 35% tuỳ theo mức ứng dụng các hệthống cơ điện tử) Từ các hệ thống kỹ thuật như hệ thống phun xăng điện tử,

phanh tự động chống bó, hệ thống an toàn cho người lái xe đến các hệ

thống ổn định, cân bằng toàn thân xe cũng như các hệ thống thông tin dẫn

đường hệ thống trợ lái tự động các hệ thống cơ điện tử làm cho công nghệ

ôtô bước sang một thời kỳ phát triển mới đầy triển vọng và ngược lại, côngnghiệp chế tạo ôtô cũng làm cho công nghệ cơ điện tử có một sân chơi rộnghơn, lớn hơn, thúc đẩy nó phát triển ngày càng đa dạng và nhanh chóng hơn.Các hãng xe trong một nỗ lực khác tham gia thị trường xe ôtô, Microsoftcho biết họ sẽ cùng Siemens đưa ra sản phẩm đầu tiên dựa trên phần mềmMicrosoft vào năm 2009 Việc hợp tác này nhằm giúp người dùng dễ dànghơn trong việc kết nối các thiết bị như ĐTDĐ và máy nghe nhạc trên ôtô.Thống kê các vụ tai nạn trên đường cao tốc cho thấy một trong nhữngnguyên nhân tai nạn gây ra liên quan đến việc chuyển làn đường Tai nạnthường do lái xe chuyển làn đường mà không báo trước bằng đèn xi-nhan chonhững xe ở làn đường bên cạnh hoặc do vô ý (lái xe ngủ gật hoặc thao tác

không chính xác) mà chiếc xe tự chuyển sang làn đường khác Dạng tai nạnnày trên cao tốc khá phổ biến và gây hậu quả dây chuyền

Các nhà sản xuất xe hơi đã cố gắng nghiên cứu nhưng do những hạn chế

về công nghệ nên mãi cho tới gần đây LDW mới có mặt trên một vài mẫu xecao cấp của Nissan, Lexus, BMW, Mercedes-Benz, Audi… Về mặt chứcnăng, LDW là một cơ cấu được thiết kế để cảnh báo cho lái xe khi họ bắt đầu

đi ra khỏi làn đường không chủ đích (không sử dụng đèn xi-nhan để xinđường)

Infinti giới thiệu hệ thống LDW mới, có bổ sung thêm chức năng ngănngừa chuyển làn LDP (Lane Departure Prevention) trên các mẫu xe cho năm

2008 như Infiniti EX35 và M45 Ngoài tạo tín hiệu cảnh báo, LDP còn dùng

hệ thống điều khiển động học để trợ giúp người lái giữ vững làn đường đangchạy Một camera nhỏ gắn trên gương hậu bên trong cabin sẽ theo dõi vạchđường, đưa tín hiệu đến máy tính và tạo tín hiệu âm thanh và ánh sáng cảnhbáo nếu như có dấu hiệu đi sang làn đường bên cạnh

Hệ thống cảm biến, cơ cấu chấp hành, hệ thống xử lý thông tin, hệ thống

cơ khí và biến đổi năng lượng và các hệ thống khác V V Từ đó đưa ra đượccấu trúc chung của hệ thống cơ điện tử

- Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao nóichung và trong công nghệ ôtô hiện đại nói riêng Nêu lên được một số ví dụnhững khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao như:

Các hệ thống truyền động trên được ứng dụng rộng rãi trong các máycông cụ cắt gọt kim loại, các trung tâm gia công và trạm công nghệ kháctrong hệ thống tự động linh hoạt (FMS = Flexible Manufacturing System)hoặc trong hệ thống gia công điều khiển bằng mạng vi tính kết nối (CIM =Computer Intergrated Manufacturing), các loại robot, các ứng dụng trong hệthống vi cơ điện tử

Những ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ ôtô hiện đại, đặc biệtquan tâm đến giải pháp ứng dụng hệ thống cơ điện tử xử lý vấn đề cân bằngtrên xe du lịch và được nghiên cứu cụ thể các chương sau

Chương 2 NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ỨNG

DỤNG TRONG KỸ THUẬT ÔTÔ

2 1 Cơ điện tử trong Ôtô

2.1.1 Xu hướng tích hợp công nghệ cơ điện tử trong ôtô

Cơ điện tử là một giai đoạn tự nhiên trong quá trình phát triển mạnh mẽcủa kỹ thuật thiết kế hiện đại Sự phát triển của máy tính, tiếp theo là máy vitính, máy tính nhúng, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và côngnghệ phần mềm đã khiến cho cơ điện tử trở thành một yêu cầu cấp thiết trongnửa thế kỷ 20 Sang thế kỷ 21, với những tiến bộ đã được dự báo trong các hệ

cơ - điện - sinh học, máy tính lượng tử, hệ pico và nano cùng với sự phát triểnkhác, tương lai của cơ điện tử sẽ đầy tiềm năng và triển vọng

Sự phát triển của cơ điện tử hiện đại có thể được minh hoạ bằng sự pháttriển của ôtô Đến tận thập niên 60, chỉ có radio là thiết bị điện tử đáng kể duynhất trong ôtô Tất cả các chức năng khác thuần tuý mang tính cơ khí hoặcđiện, ví dụ như động cơ khởi động và hệ thống nạp ắc quy Trong ôtô không

hề có một "hệ thống an toàn thông minh" nào, ngoại trừ việc tăng kích cỡ đệmgiảm chấn và các phần tử kết cấu để bảo vệ hành khách trong trường hợp xảy

ra tai nạn Vào đầu thập niên 60, dây an toàn ra đời nhằm tăng độ an toàn chongười sử dụng và được vận hành hoàn toàn cơ khí Tất cả hệ thống động cơ