TÀI LIỆU CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ ĐẦY ĐỦ MỤC LỤC BÀI 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ........................................... 2 1.1. Lịch sử phát triển của cơ điện tử.................................................................... 2 1.2. Các khái niệm cơ bản................................................................................... 23 1.3. Các thành phần chủ yếu của Cơ điện tử....................................................... 25 1.4. Sự phát triển của ôtô như một hệ Cơ điện tử ............................................... 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 322 BÀI 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 1.1. Lịch sử phát triển của cơ điện tử Những nỗ lực nhằm xây dựng các hệ cơ khí tự động có một lịch sử thú vị. Trên thực tế, thuật ngữ “tự động hoá” không được phổ biến cho tới thập niên 1940 khi công ty Ford Motor sử dụng thuật ngữ này để biểu thị một quá trình trong đó một cỗ máy chuyển một cụm lắp ráp từ vị trí này sang vị trí khác sau đó định vị chúng một cách chính xác cho các hoạt động lắp ráp phụ (Hình 1.1). Hình 1.1. Máy chuyển cụm lắp ráp Tuy nhiên sự phát triển thành công các hệ cơ khí tự động lại xuất hiện từ trước đó rất lâu. Ví dụ như những ứng dụng ban đầu của hệ điều khiển tự động xuất hiện ở Hy Lạp từ khoảng năm 300 đến năm thứ nhất trước Công nguyên với sự phát triển của cơ cấu điều chỉnh bằng phao (Hình 1.2).3 Hình 1.2.Cơ cấu điều chỉnh bằng phao Điển hình là việc phát minh ra đồng hồ nước sử dụng phao điều chỉnh của Ktesibios (Hình 1.3) và việc phát minh ra đèn dầu sử dụng phao điều chỉnh của Philon (Hình 1.4) để duy trì lượng dầu liên tục có trong đèn. Sau đó, vào thế kỷ thứ nhất sau công nguyên dưới triều đại Alexandria, Heron đã cho xuất bản một cuốn sách mang tựa đề Pneumatica trong đó miêu tả những cách thức khác nhau trong việc sử dụng phao để điều chỉnh mực nước. Hình 1.3.Đồng hồ nước sử dụng phao điều chỉnh của Ktesibios
TỔNG QUAN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Lịch sử phát triển của cơ điện tử
Những nỗ lực xây dựng hệ thống cơ khí tự động có một lịch sử thú vị, với thuật ngữ “tự động hoá” chỉ được phổ biến từ thập niên 1940 Lúc này, công ty Ford Motor đã sử dụng thuật ngữ này để mô tả quy trình mà một cỗ máy di chuyển một cụm lắp ráp từ vị trí này sang vị trí khác và định vị chúng chính xác cho các hoạt động lắp ráp phụ.
Hình 1.1 Máy chuyển cụm lắp ráp
Sự phát triển của các hệ cơ khí tự động đã bắt đầu từ rất sớm, với những ứng dụng đầu tiên của hệ điều khiển tự động xuất hiện ở Hy Lạp vào khoảng năm 300 trước Công nguyên Một trong những phát minh quan trọng trong thời kỳ này là cơ cấu điều chỉnh bằng phao, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ tự động hóa.
Cơ cấu điều chỉnh bằng phao đã được phát triển qua các phát minh quan trọng như đồng hồ nước của Ktesibios và đèn dầu của Philon, giúp duy trì lượng dầu liên tục trong đèn Vào thế kỷ thứ nhất sau công nguyên, Heron đã xuất bản cuốn sách Pneumatica, trong đó mô tả nhiều phương pháp sử dụng phao để điều chỉnh mực nước.
Hình 1.3 Đồng hồ nước sử dụng phao điều chỉnh của Ktesibios
Hình 1.4 Đèn dầu sử dụng phao điều chỉnh của Philon
Giữa thế kỷ 17 và 19, châu Âu và Nga chứng kiến nhiều phát minh quan trọng thúc đẩy sự phát triển của Cơ điện tử Tại Hà Lan, Cornelis Drebbel (1572-1633) đã phát minh ra máy điều chỉnh nhiệt độ, được coi là một trong những hệ thống phản hồi đầu tiên trong lịch sử.
Vào năm 1681, Dennis Papin (1647-1712) đã phát minh ra thiết bị điều chỉnh áp suất an toàn cho nồi hơi, tương tự như van nồi áp suất hiện đại ngày nay.
Hình 1.7 Thiết bị điều chỉnh áp suất an toàn cho nồi hơi
Vào năm 1642, Pascal (Hình 1.8) đã phát minh ra máy tính cơ khí đầu tiên (Hình 1.9)
Hình 1.9 Máy tính cơ khí
Năm 1765, Polzunov, một nhà phát minh người Nga, đã phát triển hệ thống điều chỉnh có phản hồi đầu tiên trong lịch sử Thiết bị này sử dụng một chiếc phao để tự động nâng lên hạ xuống theo mực nước, từ đó điều chỉnh van khóa nước bên trong nồi hơi, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động.
Hình 1.11 Thiết bị điều chỉnh mực nước của Polzunov
Sự phát triển của tự động hóa đã được thúc đẩy mạnh mẽ nhờ những tiến bộ trong lý thuyết điều khiển, bắt đầu với máy điều tốc ly tâm của Watt vào năm 1769 Máy điều tốc ly tâm được sử dụng để điều chỉnh tốc độ của động cơ hơi nước, minh chứng cho hệ điều khiển có phản hồi Trong thiết bị cơ khí, dấu hiệu phản hồi và cơ cấu chấp hành là hai thành phần không thể tách rời, tạo nên sự hoàn chỉnh trong quá trình điều khiển.
Hình 1.13 Máy điều tốc ly tâm của Watt
Trực giác, kỹ năng thực hành và lòng kiên nhẫn đã góp phần vào những thành công ban đầu trong lĩnh vực tự động hóa Để tiếp tục phát triển, ngành này cần một lý thuyết điều khiển tự động Máy điều khiển số (NC) được sử dụng trong sản xuất tự động, xuất hiện vào thập niên 50 và 60 tại MIT, có nguồn gốc từ bộ điều khiển cấp thẳng do Joseph Jacquard phát minh cho máy dệt vào đầu thế kỷ 19.
Hình 1.14 Bộ điều khiển cấp thẳng (feed-forward control) khung máy dệt của
Vào cuối thế kỷ 19, J.C Maxwell đã khởi xướng việc phát triển lý thuyết điều khiển thông qua phân tích các phương trình vi phân để mô tả máy điều tốc ly tâm, đồng thời kiểm tra ảnh hưởng của các thông số hệ thống đến hoạt động của nó Cùng thời điểm đó, Vyshnegradsky đã giới thiệu một lý thuyết toán học mới về máy điều chỉnh.
Vào những năm 1830, Michael Faraday (Hình 1.17) đã mô tả định luật cảm ứng (Hình 1.18) làm nền tảng cho động cơ điện và máy phát điện
Hình 1.18 Sơ đồ định luật cảm ứng
Sau đó, vào thập niên 80 của thế kỷ 19, Nikola Tesla (Hình 1.19) đã phát minh ra động cơ điện xoay chiều
Vào cuối thế kỷ 19, 12 ý tưởng cơ bản về điều khiển hệ cơ khí tự động đã được xác lập vững chắc Sự phát triển của tự động hóa đã bùng nổ mạnh mẽ trong thế kỷ 20.
Vào những năm 1930, bộ điều khiển khí nén đã được phát triển và ứng dụng trong công nghiệp, nhưng trước năm 1940, thiết kế hệ điều khiển vẫn dựa vào phương pháp thử-sai Trong thập niên 1940, những tiến bộ trong phương pháp giải tích và toán học đã củng cố kỹ thuật điều khiển như một nguyên lý độc lập Tại Hoa Kỳ, sự phát triển của mạng điện thoại và máy khuyếch đại điện tử có phản hồi đã khuyến khích Bode, Nyquist và Black áp dụng các bộ phận phản hồi trong nghiên cứu tại phòng thí nghiệm điện thoại Bell Việc vận hành máy khuyếch đại có phản hồi được mô tả trong miền tần số và các quy trình kỹ thuật trong thiết kế và phân tích sau này được xem là “điều khiển cổ điển”.
Hình 1.20 Bode, Nyquist và Black ứng dụng các bộ phận có phản hồi trong phòng nghiên cứu điện thoại Bell
Trong cùng thời gian đó, lý thuyết điều khiển đã được phát triển mạnh mẽ tại Nga và Đông Âu Các nhà toán học và chuyên gia cơ học ứng dụng ở Liên Bang Xô Viết cũ đã đóng vai trò tiên phong trong lĩnh vực này, tập trung nghiên cứu nhằm cải thiện các phương pháp điều khiển.
13 đưa ra các công thức miền thời gian và các mô hình phương trình vi phân của hệ thống
Vào những năm 1960, sự phát triển trong việc lập công thức miền thời gian đã đạt được những bước tiến mới nhờ vào hệ thống biến trạng thái Những tiến bộ này đã mở ra các quy trình thiết kế và phân tích, hiện nay được công nhận là “điều khiển hiện đại”.
Thế chiến thứ 2 đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ trong lý thuyết và thực tiễn của điều khiển tự động, đặc biệt là trong thiết kế và xây dựng các hệ thống như máy bay tự động, hệ thống định vị và điều khiển anten rađa Sự phức tạp trong vận hành các hệ thống quân sự này yêu cầu cải tiến công nghệ điều khiển, từ đó thu hút sự quan tâm của giới khoa học vào việc phát triển các phương pháp điều khiển mới.
Sau Thế chiến thứ 2, phương pháp miền tần số vẫn giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực điều khiển, đặc biệt là với việc ứng dụng biến đổi Laplace và phương pháp mặt phẳng S Một trong những ứng dụng điển hình là thiết kế hệ thống điều khiển dựa trên quỹ đạo nghiệm.
Hình 1.22 Phương pháp miền tần số
Các khái niệm cơ bản
Cơ điện tử, theo định nghĩa của công ty điện tử Yasakawa, là một lĩnh vực kết hợp giữa cơ học và điện tử, mở ra từ những khái niệm ban đầu của công ty này Yasakawa đã đưa ra định nghĩa về Cơ điện tử trong các tài liệu xin bảo hộ thương hiệu của mình.
Thuật ngữ mechatronics (Cơ điện tử) được hình thành từ hai phần: "mecha" trong mechanism (cơ cấu) và "tronics" trong electronics (điện tử) Điều này phản ánh sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ điện tử và cơ cấu, khiến cho việc xác định ranh giới giữa chúng trở nên khó khăn Sự phát triển của các sản phẩm trong lĩnh vực này ngày càng thể hiện tính tích hợp cao, mang lại hiệu quả vượt trội cho các ứng dụng công nghiệp và công nghệ hiện đại.
Cơ điện tử là lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ, với định nghĩa đầu tiên được đưa ra bởi Yasakawa Định nghĩa nổi bật khác từ Harashima, Tomizuka và Fukada vào năm 1996 mô tả Cơ điện tử là "sự tích hợp chặt chẽ giữa kỹ thuật cơ khí, điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế và chế tạo sản phẩm cũng như quy trình công nghiệp" Cùng năm, Auslander và Kempf cũng cung cấp một định nghĩa khác, nhấn mạnh rằng "Cơ điện tử là sự ứng dụng các quyết định liên hợp tạo nên hoạt động của các hệ vật lý".
Năm 1997, Shetty và Kolk lại quan niệm: “Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện”
Bolton đã đề xuất một định nghĩa mới về hệ Cơ điện tử, nhấn mạnh rằng nó không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ giữa các hệ cơ khí và điện, mà còn là một hệ thống điều khiển Định nghĩa này khẳng định rằng hệ Cơ điện tử thực sự là sự tích hợp toàn diện của tất cả các thành phần trên.
Mặc dù các định nghĩa và phát biểu về Cơ điện tử đều có giá trị, nhưng chúng không đủ để định nghĩa toàn diện thuật ngữ này Đã có nhiều nỗ lực nhằm xác định rõ ràng Cơ điện tử, phân loại các sản phẩm liên quan và phát triển chương trình giảng dạy chuẩn, nhưng đến nay vẫn chưa đạt được sự thống nhất trong việc định nghĩa một cách đầy đủ về Cơ điện tử.
Cơ điện tử là một lĩnh vực đang phát triển và chưa có định nghĩa thống nhất, điều này cho thấy sự đa dạng và tiềm năng của nó Các kỹ sư, dù chưa được đào tạo chính quy về thiết kế Cơ điện tử, vẫn có thể hiểu bản chất của lĩnh vực này thông qua kinh nghiệm thực tiễn Trong suốt 25 năm qua, nhiều sản phẩm kỹ thuật đã được phát triển nhờ sự kết hợp giữa cơ khí, điện tử và máy tính Nghiên cứu Cơ điện tử không chỉ giúp các học giả tìm hiểu quy trình thiết kế mà còn cung cấp kỹ năng để phân loại, sắp xếp và tổng hợp các khía cạnh của công việc thiết kế sản phẩm thành một khối gắn kết.
Sự phân chia giữa các lĩnh vực kỹ thuật như cơ khí, điện, hàng không, hóa học, xây dựng và vi tính ngày càng mờ nhạt, dẫn đến sự ra đời của Cơ điện tử như một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong học thuật Chuyên ngành này cung cấp một phương pháp giáo dục định hướng cho sinh viên kỹ thuật, phù hợp với mô hình đào tạo truyền thống tại nhiều trường kỹ thuật Cơ điện tử được công nhận toàn cầu là một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn, với nhiều chương trình đào tạo đại học và sau đại học đang được triển khai Ngoài ra, các tạp chí chuyên ngành và hội thảo về Cơ điện tử thu hút đông đảo người tham gia, chứng tỏ sự quan tâm ngày càng tăng đối với lĩnh vực này.
Cơ điện tử không chỉ là một công cụ hữu ích cho các nhà khoa học trong việc nghiên cứu, mà còn là một phần thiết yếu trong ứng dụng kỹ thuật hiện đại.
Sự xuất hiện của mạch vi xử lý vào đầu thập niên 80, kết hợp với sự tiến bộ trong kỹ thuật và giảm chi phí sản xuất, đã cách mạng hóa mô hình thiết kế kỹ thuật.
Sự phát triển của sản phẩm mới ngày càng gia tăng nhờ vào sự giao thoa giữa các quy tắc truyền thống của khoa học kỹ thuật, khoa học vi tính và khoa học tự nhiên.
Các quy tắc truyền thống trong thiết kế Cơ điện tử đang ngày càng được cải tiến nhờ vào những tiến bộ mới Sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin, cùng với các tiến bộ trong truyền thông không dây và thiết kế cảm biến thông minh dựa trên công nghệ MEMS, đã góp phần quan trọng vào sự tiến bộ của mô hình thiết kế kỹ thuật trong những năm đầu thế kỷ 21.
Các thành phần chủ yếu của Cơ điện tử
Hệ Cơ điện tử có thể được phân chia thành những lĩnh vực nghiên cứu sau:
Mô hình hệ vật lý
Cảm biến và cơ cấu chấp hành
Tín hiệu và hệ thống
Máy tính và hệ logic
Phần mềm và thu thập dữ liệu
Khi lĩnh vực cơ điện tử tiếp tục phát triển, danh sách những vấn đề liên quan đến nó chắc chắn sẽ được mở rộng và phát triển.
Sự phát triển của ôtô như một hệ Cơ điện tử
Sự phát triển của Cơ điện tử hiện đại được thể hiện rõ nét qua sự tiến bộ của ngành công nghiệp ôtô Vào những năm 1960, ô tô chỉ được trang bị một thiết bị điện tử đáng chú ý là rađiô, trong khi tất cả các chức năng khác vẫn chủ yếu mang tính cơ khí hoặc điện, như động cơ khởi động và hệ thống nạp ắc quy.
Hệ thống an toàn thông minh không chỉ đơn thuần là việc tăng kích thước đệm giảm chấn mà còn bao gồm các phần tử kết cấu được thiết kế để bảo vệ hành khách trong trường hợp xảy ra tai nạn.
Vào đầu thập niên 1960, dây an toàn ra đời nhằm tăng cường an toàn cho người sử dụng và hoạt động hoàn toàn cơ khí Hệ thống động cơ được điều khiển bởi người lái cùng các thiết bị cơ khí khác Trước khi có cảm biến và vi điều khiển, bộ phân phối cơ khí được sử dụng để truyền các xung điện cao áp đến buzi theo quy luật hoạt động của động cơ Thời gian đốt cháy nhiên liệu được xác định là biến điều khiển Tuy nhiên, quy trình đốt cháy điều khiển cơ khí không phải là giải pháp tối ưu về mặt tiết kiệm nhiên liệu.
Hình 1.41 Bộ phân phối cơ khí được dùng để đưa các xung điện cao áp đến các buzi
Mô hình quá trình đốt cháy nhiên liệu cho thấy rằng để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nhiên liệu, cần xác định thời điểm đốt nhiên liệu phù hợp, phụ thuộc vào tải, tốc độ và các thông số đo lường khác Hệ thống đánh lửa điện tử, được giới thiệu vào cuối thập niên 1970, là một trong những ứng dụng đầu tiên của hệ Cơ điện tử trong ngành công nghiệp ô tô.
Hình 1.42 Hệ thống đánh lửa điện tử
Vào cuối thập niên 1970, hệ thống phanh chống bó (ABS – Antilock Brake
Hệ thống ABS (Hệ thống chống bó cứng phanh) được ứng dụng rộng rãi trong ô tô, giúp phát hiện hiện tượng khóa cứng của bánh xe Khi một bánh xe có dấu hiệu bị khóa, hệ thống sẽ điều chỉnh áp suất thủy lực cần thiết để giảm thiểu hoặc loại bỏ tình trạng trượt, từ đó nâng cao an toàn khi lái xe.
Hình 1.43 Hệ thống phanh chống bó
Hệ thống điều khiển sức kéo (TCS – Traction Control System) được áp dụng trong ô tô từ cuối thập niên 1990, hoạt động bằng cách phát hiện sự trượt khi tăng tốc và điều chỉnh công suất truyền tới bánh xe đang trượt Quá trình này giúp xe tăng tốc tối đa trong điều kiện đường và xe cụ thể.
Hệ thống điều khiển động lực ô tô (VDC – Vehicle Dynamics Control) được ứng dụng trong ôtô vào cuối những năm 1990
Trong các ô tô hiện nay, các CPU 8, 16, hay 32-bit được dùng để vận hành các hệ điều khiển khác nhau
Bộ vi điều khiển này được trang bị bộ nhớ EEPROM/EPROM, đầu ra số và tương tự, bộ chuyển đổi A/D, chức năng điều chế độ rộng xung (PWM), và các chức năng thời gian như đếm sự kiện và đo độ rộng xung Ngoài ra, nó còn hỗ trợ đầu ra ưu tiên và trong một số trường hợp, có khả năng xử lý tín hiệu số.
Bộ xử lý 32-bit được dùng để quản lý động cơ, điều khiển truyền động, và các túi khí;
Bộ xử lý 16-bit dùng cho ABS, TCS, VDC, cụm thiết bị, và các hệ thống điều hoà không khí;
Bộ xử lý 8-bit được sử dụng để điều khiển ghế, gương và các hệ thống nâng hạ cửa trong ô tô Hiện nay, mỗi chiếc ô tô có khoảng 30 đến 60 bộ vi điều khiển, con số này dự kiến sẽ tăng lên nhờ vào xu hướng môđun hóa các hệ cơ điện tử trong tương lai.
Cơ điện tử đã trở thành yếu tố phân biệt chính giữa các loại ô tô Kể từ khi động cơ đốt trong ra đời gần một thế kỷ trước, thiết kế động cơ không còn là yếu tố quyết định Trong thập niên 1970, các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản đã khẳng định vị thế trên thị trường Mỹ bằng việc cung cấp những chiếc xe nhỏ tiết kiệm năng lượng và chất lượng tương đương với các mẫu xe khác.
Trong suốt thập niên 1980, chất lượng của xe là dấu hiệu phân biệt các sản phẩm
Trong những năm 1990, chất lượng và độ tin cậy của ô tô là những gì mà người tiêu dùng mong đợi từ phía các nhà sản xuất
Hiện nay, đặc tính cơ điện tử đã trở thành yếu tố phân biệt quan trọng trong các hệ cơ khí truyền thống Sự phát triển này được thúc đẩy bởi giá trị thực hiện cao hơn của thiết bị, nhu cầu thị trường về sản phẩm sáng tạo với tính năng thông minh, và nỗ lực giảm chi phí sản xuất thông qua tái thiết kế các thành phần cơ điện tử.
Trước tình hình dự báo tăng trưởng thấp (2 ÷ 3%), các hãng xe hơi đang nỗ lực nghiên cứu các công nghệ tiên tiến nhằm tạo sự khác biệt cho sản phẩm của mình Các ứng dụng mới của hệ Cơ điện tử trong ngành ô tô bao gồm ô tô bán tự động và tự động hoàn toàn, hệ thống nâng cao độ an toàn, giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu, cùng với các tính năng như hệ thống dẫn đường thông minh và hệ thống phanh điện không dùng thủy lực.
Một lĩnh vực tăng trưởng quan trọng nhờ vào thiết kế Cơ điện tử là hệ thống mạng không dây giữa các trạm mặt đất và xe hơi Công nghệ viễn thông, bao gồm hệ thống âm thanh, điện thoại cầm tay, điều hướng, kết nối Internet, e-mail và nhận dạng giọng nói, được xem là có tiềm năng lớn nhất trong ngành công nghiệp ôtô Dự báo, ứng dụng điện tử trong sản xuất ô tô sẽ tăng trung bình 6% mỗi năm trong 5 năm tới, cùng với việc các tính năng điện tử trong ô tô cũng sẽ tăng gấp đôi trong khoảng thời gian này.
Hệ vi cơ điện tử (MEMS) là công nghệ tiên tiến cho phép phát triển các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành hiệu quả về kinh tế, phục vụ cho ứng dụng Cơ điện tử Nhiều thiết bị MEMS đã được ứng dụng trong ô tô, như cảm biến và cơ cấu chấp hành túi khí, cũng như cảm biến áp suất trong ống phân phối Sự tích hợp các thiết bị MEMS với mạch trạng thái tín hiệu CMOS trên cùng một chip bán dẫn là một minh chứng cho sự phát triển công nghệ, góp phần cải tiến các sản phẩm Cơ điện tử, đặc biệt trong ngành ô tô.
Công nghệ ra-đa sóng milimét (mm) đã được tích hợp vào ô tô, cho phép phát hiện vị trí của các phương tiện khác, xác định khoảng cách đến chướng ngại vật và theo dõi tốc độ theo thời gian thực.
Công nghệ này kết hợp cảm biến với hệ thống dẫn hướng và ABS, cho phép điều chỉnh khoảng cách an toàn giữa ô tô và chướng ngại vật hoặc xe khác Người lái có thể thiết lập vận tốc và khoảng cách mong muốn với xe phía trước, đảm bảo tính năng hoạt động an toàn nhờ sự phối hợp giữa hệ thống ABS và dẫn hướng.
