Hệ thống cơ điện tử

Hệ thống cơ điện tử

- Vai trò của việc mô hình hóa:

+ Thể hiện và truyền thông: mô hình để thể hiện các ý tưởng, các giả định, các yêu cầu bằng tài liệu và cho phép truyền đạt các ý tưởng đó tới những người khác trong nhóm thiết kế và các nhà đầu tư khác nhau của quá trình thiết kế

+ Cấu trúc thứ bậc: mô hình cung cấp một cấu trúc theo thứ bậc cho phép phân chia công việc trong quá trình thiết kế và cho phép làm việc đồng thời trên các phần riêng rẽ

+ Sự hiểu biết: mô hình cho phép chúng ta hiểu rõ đáp ứng của một hệ thống mà

nó có thể bị che khuất khi chúng ta cứ cố gắng tìm hiểu đáp ứng về hệ thống thật của

nó

+ Sự tương tự: mô hình cho phép chúng ta nắm được sự tương tự của nó với các

hệ khác và sử dụng kinh nghiệm trước đó để giúp giải quyết các vấn đề hiện tại

+ Sự thiếu hiểu biết: các mô hình đưa ra cách nhận diện và kiểm tra thiếu hiểu biết của chúng ta về các đáp ứng thực tế của hệ bằng cách xác định các tham số chưa biết và cung cấp các giả thuyết thử phù hợp

- Mô hình hóa hệ vật lí : là một công việc mô tả lại hệ vật lí thành các mô hình

- Việc xây dựng mô hình dựa trên 2 phương pháp:

+ Xây dựng mô hình lý thuyết : phải có kiến thức tối thiểu về hệ thống, phải

có kiến thức về các môn khoa học căn bản (các định luật và tính chất vật lí, các định luật kinh tế, xác suất thống kê…)

Thí dụ:

Cơ học: định lí biến thiên động lượng, định lí biến thiên momen động lượng,

định lý động năng, hay các công cụ toán học khác nhau.

Kỹ thuật điện: các phương trình cơ bản của trường điện từ (định luật ampe,

định luật cảm ứng…) và đối với mạch điện (định luật Ohm, định luật Kirchhoff…)

+ Xây dựng mô hình thức nghiệm : nhiệm vụ này thường được gọi là bài toán nhận dạng dựa trên việc quan sát (hoặc là trên các phép đo)

- Tiếp cận hệ thống bằng cách kết hợp giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm

sẽ có rất nhiều lợi ích.

Các mô hình thực nghiệm

Mô hình thí nghiệm sóng dài Mô hình kiểm tra sự sạt nở, sói mòn của bờ sông

Mô hình thiết kế máy phát điện dùng năng lượng gió

Một vài mô hình thường gặp khi thiết kế hệ cơ điện tử:

1 Cơ học vật rắn ( mechanics of solid):

là một phân ngành của cơ học nghiên cứu các ứng xử của vật rắn dưới tác dụng của các lực từ bên ngoài (ngoại lực) Cơ học vật rắn sử dụng rộng rãi khái niệm ten xơ, các định luật đàn hồi( định luật hook) để mô tả ứng suất, biến dạng

và quan hệ giữa chúng Một cách điển hình, cơ học vật rắn dùng mô hình tuyến tính để biểu diễn quan hệ giữa ứng suất và biến dạng Các địng luật cơ bản của Cơ học là cân bằng của động lượng và mô men động lượng :

P=mv

Định luật hooke tổng quát:

Dạng vi phân của phương trình cân bằng moomen động lượng:

, , ,

Động học của các vật thể rắn:

Động học là sự mô tả chuyển động thông qua các vectơ vị trí r, vận tốc v,

gia tốc a, vectơ vận tốc quay và các tọa độ suy rộng {qk(t)}như các vị trí góc tương đối của bộ phận này đối với bộ phận khác của máy.

Mô hình hệ thống trục động cơ

2 Hệ tịnh tiến và quay:

Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyển động trong đó đường nối hai điểm bất kỳ của vật luôn luôn song song với chính nó Chuyển động quay được đặc trưng bởi vận tốc góc ω

Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay quanh một trục cố định là hai chuyển động đơn giản nhất của vật rắn Mọi chuyển động phức tạp của vật rắn đều có thể phân tích thành hai chuyển động nói trên.

+ Người ta có thể mô tả một hệ tịnh tiến hoặc hệ

quay bằng: Phương trình vi phân, hoặc dùng các

công cụ để mô phỏng như Matlab simulink…

Các phương trình cơ bản của chuyên động

tịnh tiến và quay:

F = m x a

M = J x ε

3 Hệ thống thủy lực( fluid systems)

Hệ thống thủy khí (thủy khí lực) sử dụng chất lỏng hoặc chất khí để thực hiện các nhiệm vụ đặt ra Các hệ thống thủy lực cũng có thể được mô tả bằng Hàm truyền, PTVP, Phương trình trạng thái… Việc mô hình hóa hệ thống như thế này, sẽ rất tiện lợi cho việc lập trình hệ thống.

4 Hệ thống điện (electrical systems)

- Dựa vào các định luật và cơ sở vật lí, chúng ta có thể viết

phương trình vi phân cho mạch điện bằng phương pháp node điện áp hoặc phương pháp lưới dòng điện

- Sau khi có PTVP, lấy laplace 2 vế chúng ta sẽ được hàm

truyền như trên.

5 Hệ thống nhiệt (thermal systems):

Thuật ngữ nhiệt động học (hoặc nhiệt động lực học) có hai nghĩa:Khoa học về nhiệt và các động cơ nhiệt (nhiệt động học cổ điển)

Khoa học về các hệ thống ở trạng thái cân bằng (nhiệt động học cân bằng)

6 Hệ thồng micro và nano ( micro and nano systems)

Xuất phát từ quá trình phát triển của công nghệ chế tạo vi điện tử, các thiết

bị cỡ micro thường được phân loại không chỉ theo kích thước của chúng mà còn theo cấu tạo và cách sản xuất Nói chung công nghệ nano được xem là có phạm

vi từ những thiết bị cỡ micro nhỏ nhất xuống đến các thiết bị cỡ phân tử là tổ

hợp của các phân tử đơn lẻ Do có sự chồng chéo lên nhau của các hệ thống vi

cơ điện tử (MEMS – MicroElectroMechanical Systems) và các hệ thống nano

hay công nghệ nano nên có sự chia sẻ một tập hợp các nghiên cứu thiết kế kỹ thuật chung, duy nhất từ các hệ thống kỹ thuật thông thường khác

Để thiết kế MEMS điện từ cũng như để thực hiện phân tích và tối ưu hóa điện từ-cơ học, cần giải các phương trình vi phân trong miền thời gian Các nguyên lý hoạt động của MEMS dựa trên các nguyên lý điện từ Một mô hình điện từ đầy đủ nhận được dưới dạng 5 véc tơ điện từ trường Cụ thể là 3 véc tơ điện trường và 2 véc tơ từ trường.

Mạch tích hợp sử dụng công nghệ MEMS

7 Hệ điện từ quay ( rotational electromagnetic).

Trường điện từ (còn gọi là trường Maxwell) là một trong những trường của vật lý học Nó là một dạng vật chất đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mang điện Trường điện từ cũng do các hạt mang điện sinh ra, và là trường thống nhất của điện trường và từ trường Đặc trưng cho khả năng tương tác của trường điện từ

là các đại lượng cường độ điện trường, độ điện dịch, cảm ứng từ và cường độ từ trường (thường được ký hiệu lần lượt là E, D, B và H).

Các cơ sở lý thuyết của điện từ :

Phương trình Maxwell-Faraday

Phương trình này diễn tả luận điểm thứ nhất của Maxwell về mối liên hệ giữa từ trường biến thiên và điện trường xoáy

8 Sự tương tự của các hệ vật lí (phycical systems analogies)

Mô hình hệ thống BTS Mô hình hệ thống: Đo chiều cao

và góc bằng gương phẳng

III CƠ CẤU ĐÓNG MỞ ĐiỆN CƠ

1.Cơ chế chung của sự chuyển đổi điện-cơ

Loại thứ nhất là chuyển đổi đa thành phần, họat động dựa trên sự tương tác không tiếp xúc giữa các vật Gồm có chuyển đổi điện–từ dựa trên phương trình Lorentz và định luật Faraday, và tương tác tĩnh điện dựa trên định luật Coulomb.

Van điện từ rơle điện từ

1.Cơ chế chung của sự chuyển đổi điện-cơ

Loại thứ hai là các chuyển đổi hoạt động dựa trên

sự biến dạng hay còn gọi là chuyển đổi bán dẫn, loại chuyển đổi này sử dụng các đặc tính kết cấu của vật (ví dụ như sự thay đổi pha của tinh thể thạch anh hoặc sự liên kết lưỡng cực phân tử) Gồm có các hiệu ứng áp điện, hợp kim nhớ thù hình, và các vật liệu từ giảo, điện giảo và quang giảo.

2 Cơ cấu đóng mở điện cơ.

2.1 Công tắc cơ (mechanical switch)

là một thiết bị cơ thể đóng/mở Qua đó cho dòng điện chạy qua hay không Công tắc cơ gồm một hoặc nhiều cặp tiếp xúc có thể được đóng hoặc mở cơ học các loại công tắc này có thể vận hành thủ công hoặc tự động nhờ mực chất lỏng, nhiệt độ, dòng chảy, áp suất, bánh cam hoặc những thành phần khác, tức chúng đóng mở các tiếp điểm của mình tại những giá trị tương ứng cụ thể nào đó.

Một số loại công tắc cơ thường dùng.

a) Nút nhấn tự phục hồi (push button).

tiếp điểm thường mở

Tiếp điểm thường đóng Push buton switch

Nút nhấn thường đặt ở mặt trước các tủ điều khiển, dùng

để ra lệnh điều khiển Tín hiệu do nút nhấn tự phục hồi tạo ra có dạng xung.

Một số loại công tắc cơ thường dùng.

b) Công tắc (switch)

Công tắc thực tế thường được dùng làm các khóa chuyển mạch ( chuyển chế độ làm việc trong mạch điều khiển), hoặc dùng làm các công tắc đóng mở nguồn.

công tắc 1 pha công tắc 3 pha

Một số loại công tắc cơ thường dùng.

Một số loại công tắc cơ thường dùng.

c) Công tắc hành trình (limit switch)

Cấu tạo của công tắc hành trình

Một số kiểu công tắc hành trình

- Công tắt hành trình trước tiên có chức năng đóng mở mạch điện,

và nó được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nào đó sẽ tác động lên công tắc Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc quay Khi công tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác

- Người ta có thể dùng công tắc hành trình vào các mục đích như:+ Giới hạn hành trình ( khi cơ cấu đến vị trí dới hạn tác động vào công tắc sẽ làm ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu -> nó không thể vượt qua vị trí giới hạn)

+ Hành trình tự động: Kết hợp với các role, PLC hay VDK để khi

cơ cấu đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu đó)

Bộ điều khiển đơn giản, phối hợp giữa Zelio, công tắc hành trình, nút nhấn đèn báo và thiết bị Tesys.

- Công tắc hành trình được dùng nhiều trong các dây chuyền

tự động Các công tắc hành trình có thể là các nhút nhấn (button) thường đóng, thường mở, công tắc 2 tiếp điểm, và

cả công tắc quang

2.2 Rơ le (relay)

Rơ le là thuật ngữ chỉ các thiết bị chuyển mạch điện từ bao gồm: các đóng ngắt tiếp điểm (contactors), các khởi động động cơ (motor staters), rơ le hẹn giờ (time delay relay) Rơle dùng để tự động đóng cắt mạch điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện

Rơ le được sử dụng trong những ứng dụng khác nhau nhưng thường hoạt động theo cùng nguyên lý là cấp năng lượng cho nam châm điện để đóng/mở một công tắc tơ

Rơ le của hãng OMRON

Kí hiệu:

Tiếp điểm thường đóng Tiếp điểm thường mở Cuộn dây

b) Rơ le thời gian (time delay relay)

Rơ le thời gian được thiết kế để trì hoãn thời gian đóng/mở tiếp điểm khi được kích hoạt Rơ le thời gian trong thực tế có rất nhiều loại: rơ le thời gian cơ khí, rơ le thời gian thủy lực, rơ le thời gian điện từ, rơ le thời gian điện tử hiện nay trong công nghiệp người ta thường dùng

rơ le thời gian điện tử ( có độ chính xác cao)

Cấu tạo của một rơ le thời gian điện tử bao gồm

một mạch trễ thời gian điện tử cấp nguồn cho một rơ

le trung gian.

Sơ đồ khối của rơ le thời gian ; sơ đồ nguyên lý của một rơ le thời gian đơn giản

Rơ le thời gian tương tự Rơ le thời gian số

c) Công tắc tơ (contactor)

+ Công tắc tơ là một loại thiết bị điện dùng để đóng cắt từ xa, tự động hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải điện áp đến 500V, dòng điện đến 600A

+ Công tắc tơ có hai vị trí là đóng và cắt Tần số đóng có thể tới 1500 lần một giờ + Về cơ bản cấu tạo của công tắc tơ giống với rơ le điện từ, chỉ khác nhau ở chỗ

rơ le dùng để đóng cắt tín hiệu trong mạch điều khiển còn công tăc tơ dùng để đóng cắt ở mạch động lực ( có điện áp cao, dòng điện lớn) do đó cuộn dây của công tắc tơ cũng lớn hơn ( chịu được dòng điện và điện áp cao)

+ Tiếp điểm công tắc tơ có hai loại: tiếp điểm chính ( dùng để đóng cắt cho mạch động lực), tiếp điểm phụ ( dùng để điều khiển phụ trợ) Để hạn chế phát sinh hồ quang khi tiếp điểm chính đóng cắt, tiếp điểm chính thường có cấu tạo dạng cầu

và được đặt trong buồng dập quang

một công tắc tơ công tắc tơ 4 cực

2.3 Khóa điện tử (solid state switches)

+ Một số chi tiết bán dẫn có thể dùng cho mạch đóng

ngắt điện- điện tử Đó là điôt, tiristo, triac và tranzito

+ Cơ sở cho tất cả các thiết bị điện tử bán dẫn là sự kết hợp dưới các dạng khác nhau các chất bán dẫn dạng n

và dạng p

solid-state-fet-switches Solid-State Switches based PIN diode

* Điôt

Điôt đường đặc tính của điôt

Điốt tương tự một van kiểm soát, cho phép dòng (dòng điện) chảy theo một chiều nếu áp suất thuận đủ lớn để thắng lực lò xo.

Sự tương đương của điốt với van kiểm soát

* Thyristor

Thyristor và kí hiệu Đường đặc tính của thyristor

Thyristor mở cho dòng điện đi qua (ngắn mạch hay dẫn điện) khi hai điều kiện sau thoả mãn:

Cực anốt (A) và catốt (K) phải có thế hiệu áp thuận, điện áp anốt cần cao hơn điện áp catốt

Dòng điện cực cổng IG phải đủ một khoảng thời gian thông thường là một vài giây Dòng điện cực cổng có thể tạo ra bởi một xung điện áp dương cấp cho cực cổng (G) và cực catốt (K) Dòng điện cực cổng tối thiểu yêu cầu để mở một thyristor gọi là dòng điện chốt

* Triac

Kí hiệu và đường đặc tính của triac

Triac hoạt động tương tự như thyristo và tương đương với cặp thyristo măc song song ngược chiều nhau trong cùng một vi mạch

* Tranzito

Transistor là một thiết bị bán dẫn đặc biệt dùng cho đóng mở và khuếch đại công suất, có thể điều chỉnh dòng điện hoặc điện áp khá lớn giữa hai cực bằng một dòng điện hay điện áp điều khiển nhỏ, việc chuyển mạch được thực hiện bởi việc mở hoặc đóng hai cực transistor dùng một tín hiệu điều khiển cực thứ 3

có 3 dạng transistor phổ biến là transitor lưỡng cực tiếp giáp (bipolar junction transistors - BJTs), transistor hiệu ứng trường metal-oxide (metal-oxide field effect transistors - MOSFETs), và transistor lưỡng cực cách ly (insulated gate bipolar transistors -IGBTs).

Tranzito lưỡng cực tiếp giáp (BJTs)

Một transistor lưỡng cực tiếp giáp là một thiết bị với 3 lớp kết hợp 2 dạng bán dẫn p-n-p và n-p-n Một tranzito lưỡng cực có thể hoạt động ở 3 chế độ

• Ngưỡng: Khi điện áp BE (base-emitter) nhỏ hơn điện áp

mở V γ , dòng điện bazơ iB nhỏ không đáng kể Transistor hoạt động ở vùng ngưỡng, không có dòng qua cực colectơ và emittơ (C và E) Thông thường, V γ = 0.6 - 0.7V

Ở chế độ này, transitor tương tự một van đóng, C và E coi như hở mạch

• Tuyến tính tích cực: Khi VBE =V γ , transistor hoạt động

ở chế độ tuyến tính tích cực, ở chế độ này, transistor được xem như bộ khuếch đại dòng điện điều khiển trong đó dòng điện colectơ ic tỉ lệ với dòng điện bazơ

iB Hằng số tỉ lệ (hệ số khuếch đại dòng điện) ß = 20 ~

200, thường được gọi là h, hf, hay hFE trong bảng dữ liệu thông tin của chúng Ở chế độ này, transistor được xem như van mở một phần, trong đó dòng điện tỉ lệ với

độ mở của van (độ lớn dòng điện bazơ) Công suất tiêu hao trên transistor

• Trạng thái bão hoà: Khi dòng điện bazơ iB lớn hơn dòng điện tối đa có thể iC, transistor rơi vào vùng bão hoà, trong đó

BJT với vai trò một khóa điều khiển dòng

/

0.2

B C

CE SAT BE

Một số khóa điện tử

Solid state FET switches

Solid state pressure switches

Solid state switches PNP

Solid-State Switch Modules Perform

High Voltage Switching Directly

Solid state power switches

3 Ứng dụng và vai trò

Cơ cấu đóng mở điện cơ được ứng dụng trong rất nhiều:

-Van cơ điện,

-khóa on/off cơ điện

-rơ le đóng ngắt

- cơ cấu đóng mở piston.

- Các thiết bị điều chỉnh lưu lượng chất lỏng trong các hệ thống thủy lực khí nén