Đề cương cơ điện tử 2014

* Vai trò: Nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và tạo nguồn chuyển động cho phần công tác thông qua việc truyền công suất.. Câu 3:Trình bày cấu trúc cơ bản của 1 hệ thống cơ điện t

Đề cương cơ điện tử 2014

Câu 1:

Phân tích rõ vị trí, vai trò của khối cơ cấu chấp hành trong hệ thống cơ điện tử, khối cơ cấu chấp hành gồm những bộ phận nào, trình bày vai trò và đặc điểm của từng bộ phận?

*) Vị trí:phía sau phần điều khiển và phía trước phần công tác

*) Vai trò: Nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và tạo nguồn chuyển động cho phần công tác thông qua việc truyền công suất

*) Cấu trúc cơ bản gồm 2 phần là bộ phận dẫn động và bộ phận truyền động

Bộ phận dẫn động gồm các loại động cơ để tạo ra nguồn chuyển động ( động cơ điện, đc thủy lực khí nén,…) Bộ phận truyền động để truyền và biến đổi chuyển động

Câu 2:

Phân tích ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động bằng thủy lực?

* Ưu điểm: truyền động được công suất cao và lực lớn(nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao nhưng đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng)

- điều chỉnh được vận tốc làm việc tinh và vô cấp (dễ thực hiện tự động hóa theo điều kiện làm việc hay chương trình có sẵn)

- Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc vào nhau

- Có khả năng giảm khối lượng và kích thước giờ chọn áp suất thủy lực

cao.Nhờ quán tính nhở của bơm và động cơ thủy lực, nhờ tính chịu nén của dầu có thể sử dụng ở vận tốc cao mà không sự bị va đập mạnh (như trong cơ khí và điện)

- dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành

- Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn Dễ quan sát và theo dõi bằng áp kế kể

cả các hệ phức tạp, nhiều mạch

- Tự động hóa đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp bằng cách dùng các phần tử tiêu chuẩn hóa

*Nhược điểm:

- mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử làm giảm hiệu suất và phạm vi hoạt động của các phần tử

- Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén được của chất lỏng và tính đàn hồi của đường ống dẫn

- khi mới khởi động nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định vận tốc làm việc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi

Câu 3:Trình bày cấu trúc cơ bản của 1 hệ thống cơ điện tử ở dạng sơ đồ khối giải thích ý nghĩa của từng khối( nêu rõ sự ht các nguồn tín hiệu trong sơ đồ và diễn giải quá trình hoạt động của chúng(truyền đi và được xử lí như thế nào) ?

*Sơ đồ khối của hệ thống cơ điện tử:

*Phần công tác: là phần trực tiếp tạo ra các thao tác công nghệ

*Cơ cấu chấp hành: gồm 2 phần là dẫn động và truyền động Dẫn động là các loại động cơ tạo ra nguồn chuyển động (động cơ điện, động cơ thủy lực khí nén…) Truyền động là truyền và biến đổi chuyển động

*Mô hình hóa: khảo sát trưc tiếp cấu trúc phần công tác, xác định quan hệ động học, động lực học giữa lực (momen) dẫn động với chuyển động của các khâu trung gian làm dữ liệu đầu vào phục vụ quá trình điều khiển

*Bộ điều khiển: lưu trữ chương trình điều khiển, thu thập tín hiệu phản hồi của hệ thống đo để tính toán hiệu chỉnh và phát tín hiệu vận hành hệ thống, bộ điều khiển

*) Hệ thống đo: liên kết bộ điều khiển và TTCN thông qua việc giám sát các TTCN từ môi trường công tác, giám sát các thông số trạng thái của hệ thống

Sự hình thành các nguồn tín hiệu trong sơ đồ: từ ý tưởng mục đích thiết kế để làm gì ta đi thiết kế cấu trúc phần công tác Mô hình hóa thiết kế bằng bản vẽ, mô hình toán( xác định thông số động học và động lực học) Lưu trữ chương trình qua các thông số trong bộ điều khiển Bộ điều khiển phát tín hiệu cho cơ cấu chấp hành hoạt động theo các thông số đã được lưu trữ Cơ cấu chấp hành cung cấp năng lượng cho phần công tác hoạt động Hệ thống đo gồm các sen sơ thu thập tín hiệu

từ môi trường kiểm soát vị trí, vận tốc, gia tốc và lực của phần công tác Bên cạnh

đó còn xác định các thông số, đại lượng tác động ảnh hưởng từ môi trường bên ngoài và phản hồi trở lại bộ điều khiển Tín hiệu để tương thích của bộ điều khiển cần các yêu cầu:biến đổi AD từ tín hiệu tương tự sang số(analog  digital)

Khuếch đại đủ lớn để bộ điều khiển nhận dạng.Lọc để lọc tín hiệu nhiễu.truyền dẫn ghép nối với sóng cao tần có năng lượng lớn sau đó tách tín hiệu(điều chế-tách sóng) trường hợp cần truyền dẫn không dây(trung tâm điều khiển xa phần công tác) Bộ điều khiển tiếp nhận từ hệ thống đo, so sánh tín hiệu ở hệ thống cũ sai lệch sang tính toán hiệu chỉnh

Câu 4: Phân tích vị trí vai trò của hệ thống đo trong các hệ thống cơ điện tử ,để thông tin phản hồi tương thích với bộ điều khiển thì hệ thống đo phải đảm bảo các quá trình biến đổi tín hiệu như thế nào? Trình bày lí do phải có các quá trình đó?

*Vị trí của hệ thống đo: ở giữa khối thao tác công nghệ và bộ điều khiển

*Vai trò: Hệ thống đo: liên kết bộ điều khiển và TTCN thông qua việc giám sát các TTCN từ môi trường công tác, giám sát các thông số trạng thái của hệ thống

* Để thông tin phản hồi tương thích với bộ điều khiển thì hệ thống đo phải đảm bảo các quá trình biến đổi tín hiệu theo các yêu cầu sau:

- Tín hiệu thu được từ hệ thống đo là tín hiệu tương tự

- Khuyêch đại: tăng biên độ (tần số) của tín hiệu để bộ đk có thể nhận dạng được tín hiệu phản hồi

- Quá trình lọc bỏ nhiễu: lọc bỏ các tín hiệu nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu phản hồi

- Trong quá trình phản hồi tín hiệu mà trung tâm đk xa phần công tác cấn

truyền dẫn tín hiệu thì phải có quá trình điều chế

- Giải điều chế: là quá trình ngược với quá trình điều chế, mục đích là thu được tín hiệu phả hồi cần thiết

Câu 5 Trình bày khái niệm, nguyên lí hoạt động, phân loại và đặc tính cơ bản của động cơ bước?

*Khái niệm: Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động

cơ không đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết

*) Nguyên lý hoạt động cơ bản: Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

*) Có những loại nào?

Động cơ bước được chia làm hai loại: nam châm vĩnh cửu và biến từ trở Ngoài ra còn có loại hỗn hợp

*) Nêu đặc điểm và các đặc tính cơ bản của động cơ bước

- STEP là loại động cơ không chổi than

- Độc lập với tải: động cơ bước quay với tốc độ ổn định trong tầm moment của động cơ

- Moment giữ : STEP có thể giữ được trục quay của nó, so với động cơ DC không có hộp số thì moment giữ của STEP lớn hơn rất nhiều

- Điều khiển vị trí vòng hở: thông thường chúng ta có thể đếm xung kích ở động cơ để xác định vị trí mà không cần phải có cảm biến hồi tiếp vị trí, nhưng đôi khi trong những ứng dụng đòi hỏi tính chính xác cao STEP thường được sử dụng kết hợp với các cảm biến vị trí như: encoder, biến trở …

- Đáp ứng tốt: STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và đảo chiều quay một cách dễ dàng

Câu 6: Trình bày khái niệm,nguyên lí hoạt động,phân loại và các đặc tính cơ bản của động cơ servo?

*)Khái niệm: Động cơ SERVO là động cơ không đồng bộ nhưng có roto là nam châm vĩnh cửu Loại động cơ này được gắn thêm encoder để lấy tín hiệu hồi tiếp như tốc độ, vị trí Ứng dụng của động cơ servo là dùng để điều khiển chính xác các thông số như: góc quay, tốc độ, momen Động cơ servo đạt được công suất lớn và không bỏ bước như động cơ step

*)Nguyên lý hoạt động: Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp (liên hệ ngược) sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác

*)Phân loại: Động cơ servo thường được phân thành hai loại: động cơ servo DC và động cơ servo AC

Động cơ servo AC được chia thành hai loại: loại động cơ servo AC đồng bộ và

1 Tăng tốc độ đáp ứng vận tốc: các động cơ thông thường muốn chuyển từ mức tốc độ này sang tốc độ khác thì phải mất một khoảng thời gian quá độ Động cơ servo đã khắc phục được nhược điểm này

2 Tăng khả năng đáp ứng: tức là có khả năng chuyển tiếp trơn các mức vận tốc, hay nói cách khác quá trình quá độ vận tốc xảy ra một cách tuyến tính

3 Mở rộng vùng điều khiển: có thể điều chỉnh tốc độ trong một dải rất rộng

4 Khả năng ổn định tốc độ: do có hồi tiếp vịt trí và vận tốc đến mạch điều khiển (driver)

Câu 7: Các đặc điểm nhận biết 1 sp cơ điện tử, trình bày vai trò của liên hệ ngược trong hệ thống cơ điện tử, cách thức thiết lập liên hệ ngược những lợi ích mà nó mang lại?

*Sp cđt có các đặc điểm nổi bật nhất là tính tự động hóa linh hoạt cao nhờ các liên

hệ phản hồi, tức là trong hệ thống luôn luôn tồn tại cá liên hệ ngược, từ đó các đặc điểm nhận biết sp cđt như sau:

- Hệ servo: tồn tại ít nhất một liên hệ ngược( hệ kín có phản hồi)

- Đảm bảo 3 chức năng chính: động học, động lực học,cơ điện tử

- Có sự kết hợp các thành phần cơ,điện,điện tử…

- Tích hợp hữu cơ: phần nọ bổ trợ cho phần kia các bộ phận có liên quan với nhau

Liên hệ ngược là các đường phản hồi tín hiệu từ môi trường công tác , thông số trạng thái của hệ thống về bộ điều khiển

*) Cách thức thiết lập liên hệ ngược:

- Dữ liệu được cung cấp từ mô hình hóa

- Dữ liệu được cung cấp từ các hệ thống đo

*) Lợi ích mà nó mang lại:

- Phản hồi thông tin để giám sát, điều khiển chính xác theo ý đồ công nghệ

- Tự động hóa trong quá trình vận hành

- Trong các sp cơ khí cụ thể, vd như trong hệ thống thủy lực, liên hệ ngược có vai trò tiết kiệm môi chất

- Tính kinh tế.

Câu 8: Trình bày những nguyên lý cơ bản của van servo kiểu vòi phun bản chắn, cách thiết lập điểm o cho bản chắn?

*) Nguyên lý cơ bản của van servo kiểu vòi phun chắn:

1 - Đưa vào cuộn dây một dòng điện để động cơ mô men tác động lên mặt rotor một mô men quay (M1), làm càng đàn hồi di chuyển bản chắn lại gần một trong hai miệng vòi phun Áp lực tăng do khe hở giảm làm giảm lưu lượng qua vòi phun này, buồng cấp dầu cho vòi phun bị chặn có áp suất tăng lên Lượng chênh áp trong các buồng của van trượt thủy lực cấp 2 làm di chuyển lõi trụ trượt mở đường cấp A hoặc B tới xy lanh công tác

2 - Lõi trụ trượt di chuyển làm cong càng đàn hồi tạo ra một mô men M2 chống lại

M1 Đây là tín hiệu phản hồi cần có của hệ điều chỉnh servo, khi M2 bằng với M1

trụ trượt nằm ở vị trí cân bằng và duy trì lưu lượng tới buồng làm việc của xy lanh công tác

3 - Nếu ngắt điện khỏi động cơ mô men, mô men M1 mất theo, càng đàn hồi duỗi

ra do đàn hồi và bị vòi phun đẩy về vị trí trung gian như ban đầu nên M2 cũng không còn, 2 lò xo xác định vị trí điểm 0 của lõi trụ trượt tác động đem trụ trượt về

vị trí trung gian Hai vòi phun có lưu lượng cân bằng trở lại, hai buồng chứa có áp cân bằng cũng góp phần đẩy con trượt di chuyển về trạng thái trung gian ngắt hết các đường A, B nên không có dầu tới xy lanh công tác Quá trình chuyển động thực hiện xong một chu kỳ ứng với 1 lần cấp nguồn cho động cơ mô men Nếu hành động cấp nguồn xảy ra liên tục thì chuyển động cũng liên tục và ngược lại

Có thể thấy nếu không nhờ có liên hệ ngược chuyển động A hay B đã được phát động có tốc độ phụ thuộc vào sự cân bằng của M1 và M2 khó duy trì do vị trí con trượt di động liên tục

Câu 9: Giải thích sự khác nhau của đặc tính chuyển động khi xây dựng bằng lí thuyết và thực nghiệm?

Trong thiết kế kỹ thuật có 2 pp xây dựng mô hình là xd mô hình bằng lý thuyết và xây dựng mô hình bằng thực nghiệm

+) XD mô hình bằng lý thuyết: yêu cầu biết trước các thông số cấu trúc hệ thống, 1

số quan hệ hình học và động học cũng như động lực học của các phần tử trong hệ

và phải kết hợp thêm các định luật, định lý chuyên biệt cho từng hệ

*) Các dđ của việc xd mô hình bắng lý thuyết: xử lý mang tính tổng quát, ít tốn kém và có thể tối ưu hóa được

*) Nhược điểm: khối lượng tính toán và thời gian tính toán lớn; thường gặp khó khăn khi xét đến các yếu tố phi tuyến tồn tại trong hệ thống trong đó có cả nhiễu tác động bên ngoài; yêu cầu người thiết kế phải có trình độ cao về mô hình hóa +) Xd mô hình bằng thực nghiệm ko yêu cầu biết trước thông số cấu trúc hệ thống, bản chất của việc xd mô hình hóa là dựa vào kq từ các phép đo các đại lượng đầu

ra theo các đại lượng đầu vào đã xđ, đề từ đó nội suy từ các thuật toán chuyên ngành và rút ra qh giữa đầu ra và đầu vào

*)ƯĐ: thời gian đáp ứng nhanh; khối lượng công việc phải làm ít; đã kiểm soát hết các yếu tố từ môi trường công tác cũng như các thông số trạng thái của hệ thống

*)NĐ: chi phí thực hiện cao; việc tối ưu hóa bị hạnh chế; nếu thay đổi đầu vào thì phải thực hiện đo lại các tín hiệu ra do ko xđ được 1 cách tq; muốn tối ưu phải thực hiện nhiều lần

Câu 10: Xây dựng phương trình vi phân mô tả chuyển động của cơ hệ 2 bậc tự do trong trường hợp hệ tự dao động trên nền cố định?

*) Phân tích hệ:

- Hệ có 2 bậc tự do

- Phân tích cđ: vật m, m0 cđ tịnh tiến theo phương thẳng đứng

- Ngoại lực tác dụng: P, P0, F

- Chọn hệ tọa độ suy rộng: q={y;y1} với gốc là vị trí cân bằng tĩnh của hệ

*) Biểu thức động năng: .2 .2

0 1

*) Năng lượng hao tán: .2 . . 2

1 1

2b y 2b y y

*) Biểu thức thế năng:

Do gốc thế năng ở vị trí cân bằng tĩnh của hệ, ta có quan hệ sau:

k1(l-l1)=m0g & kl=(m0+m)g

           

*) Lực suy rộng không thế:

Tính toán: tự viết

Trình bày ứng dụng của mô hình nói trên trong kĩ thuật: có thể nêu nó ứng dụng trong công nghệ sản xuất ô tô xe máy hay các thiết kế cơ khí mục đích để giảm

xóc, giảm chấn động để tăng tính hoạt động ổn định và êm cho cơ cấu khi chịu tải trọng lớn…

Câu 11: Mô hình động học và mô hình động lực học có vai trò ntn trong điều khiển

hệ cơ điện tử?

*) Mô hình động học :là quan hệ giữa không gian khớp và không gian công tác

Có 2 bài toán động học là động học thuận và động học ngược trong đó bài toán động học ngược quan trọng hơn,nhưng lại khó khăn hơn bởi vì thực chất giải bài toán động học ngược là giải hệ phương trình đại số phi tuyến mà không thể giải bằng giải tích

Đầu vào bài toán động học là quĩ đạo chuyển động của phần công tác Đầu ra là bộ thông số động học khâu trung gian

Vai trò:

1 Lời giải bài toán động học ngược là quĩ đạo phần công tác khi giải rat a tìm được các thông số động học của khâu trung gian

2 Là thông tin đầu vào cho bài toán động lực học ngược

3 Kết quả bài toán động học ngược có thể dùng làm thông tin điều khiển cho việc điều khiển mạch chuyển vị

*) Mô hình động lực học : là phương trình biểu diễn mối quan hệ lực dẫn động các khâu với các thông số động học từng khâu Là vấn đề tiếp theo có liên quan tới các lực và momen cần thiết cho việc thực hiện các nhiệm vụ đã đề ra, kể cả việc bám theo quỹ đạo cho trước trong không gian công tác

Có 2 bài toán là động lực học thuận(dễ thực hiện nhưng lại quan trọng hơn) và động lực học ngược(khó thực hiện)

Vai trò:

Kết quả bài toán động lực học là căn cứ lựa chọn động cơ và thiết lập phương trình điều khiển động cơ,truyền động cho các thao tác công nghệ,kiểm bền cho chi tiết máy…

Câu 12: Ttrình bày điều kiện để thay thế 1 mô hình nghiên cứu = mô hình

khác trong các trường hợp 2 mô hình được coi là đồng dạng ,và 2 mô hình được coi là tương tự ? phạm vi ứng dụng của mỗi kĩ thuật đó?

Thay thế … đồng dạng khi: 2 hệ cùng bản chất; đã xđ được hs đồng dạng giữa 2

mô hình Thường được sd trong thiết kế máy, hệ thống mới, tk thử nghiệm, tính toán tối ưu

Thay thế … tương tự: 2 hệ khác bản chất; có sự tương tự về đặc tính của các phần

tử Thường dùng trong trường hợp khảo sát các ht không có mô hình thật

Câu 14: So sánh van servo và van tỷ lệ trên cơ sở ccch là van đảo chiều 4/3 Độ nhạy của các van lưu lượng lớn được đảm bảo bằng giải pháp nào?

*) So sánh

1 Cả van servo và van tỉ lệ được dùng cho điều khiển vô cấp vị trí, tốc độ và lực của một cơ cấu chấp hành thủy lực, yêu cầu độ chính xác vị trí hoặc chính xác trong điều kiện chạy và dải tần số làm việc, trong cả hai cấu trúc vòng kín và vòng hở

2 Trong các trường hợp cần thiết thì các van có thể được điều khiển theo nhiều bước Độ khuếch đại tổng bằng tích của các độ khuếch đại riêng của từng bước Đối với các van servo nhiều tầng, độ khuếch đại tổng có thể đạt tới >108

3 Van servo hay van tỉ lệ là một bộ phận của hệ thủy lực có thể sinh ra đầu ra điều khiển được và hàm của đầu vào dạng điện Thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện thành tác động vào cửa van là nam châm điện của động cơ mô men hoặc cuộn cảm tỉ lệ

4 Động cơ mô men chuyển dòng điện một chiều nhỏ sang mô men tác động lên mặt rotor ở chế độ lưỡng cực trong van servo Trong khi cuộn cảm tỉ lệ sinh ra lực tác động đơn hướng trên hàm phần ứng di động của dòng điện trong cuộn