Sau đây là phần đề cương lẫn lời giải chi tiết môn học Đề cương hệ thống cơ điện tử trong giao thông và công nghiệp đại học giao thông vận tải. Đề cương sẽ là tài liệu sát đề thi chính thức , đây là tài liệu các em nên tham khảo học tập . Chúc các em học tập và ôn thi thật tốt.
Trang 1Câu 1: Định nghĩa hệ thống cơ điện tử? Trình bày các thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện
tử? 2
Câu 2: Lịch sử phát triển của hệ thống cơ điện tử? Hướng phát triển trong tương lai? 2
Câu 3: Các phương pháp tích hợp của hệ thống cơ điện tử? 3
Câu 4: Thế nào là một cảm biến? Các loại cảm biến thường dùng? Cho ví dụ về hoạt động của 1 loại cảm biến? 4
Câu 5: Thế nào là 1 cơ cấu chấp hành? Các loại cơ cấu chấp hành thường gặp? Cho ví dụ về nguyên lý hoạt động của 1 loại cơ cấu chấp hành? 4
Câu 6: Các đặc trưng cơ bản của cảm biến và cơ cấu chấp hành 5
Câu 7: Nguyên lý làm việc của các loại cảm biến đo lực? 6
Câu 8: Nguyên lý làm việc của các loại cảm biến đo nhiệt độ? 7
Câu 9: Nguyên lý làm việc của các loại cảm biến đo gia tốc? 9
Câu 10: Các loại động cơ điện 1 chiều? 10
Câu 11: Các loại động cơ điện xoay chiều? 12
Câu 12: Ưu khuyết điểm và phạm vi sử dụng của động cơ bước? 13
Câu 13: Các phần tử cơ bản của hệ thống chấp hành thủy lực? 14
Câu 14: Các phần tử cơ bản của hệ thống chấp hành khí nén? 15
Câu 15: Hệ thống phun nhiên liệu điện tử là gì? Ưu khuyết điểm của hệ thống so với bộ chế hòa khí? Tai sao hệ thống này ngày cang được ứng dụng rộng rãi? 17
Câu 16: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống phun nhiên liệu điện tử? 18
Câu 17: Các yếu tố tác động đến thời điểm phun, lưu lương phun, áp suất phun của hệ thống phun nhiên liệu điện tử? 19
Câu 18: Công dụng, nguyên lý làm việc của hệ thống chóng bó cứng phanh (ABS) trên xe oto? .19
Câu 19: Công dụng, nguyên lý làm việc của hệ thống túi khí an toàn trên xe ô tô? 21
Câu 20: Công dụng, nguyên lý làm việc của hệ thống điều chỉnh khoảng cách giữa các xe ô tô? .21
Trang 2ĐỀ 3
1 Các thành phần chính của hệ thống cđt Khả năng phát triển của hệ thống cđt trong tương lai
a.Thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện tử:
- Hệ phát động và dẫn động: Bộ chuyển hóa năng lượng chuyển đổi năng lượng từ 1 dạng khác(ví dụ: điện năng, cơ năng) Thông thường là các động cơ (điện từ, thủy khí, nhiệt) đóng vai trò
là cơ cấu phát động Bộ phận dẫn động (truyền động) có vai trò truyền cơ năng từ bộ phận phátđộng đến cơ cấu chấp hành
- Cơ cấu chấp hành: Trong hệ thống cơ điện tử, cơ cấu chấp hành là một thiết bị hay dụng cụ mà
hệ thống đó dùng để tương tác với môi trường Ví dụ như tay kẹp robot, trống quay trong máygiặt, bàn chứa phôi và dao trong máy phay CNC
- Hệ thống cảm biến đo lường (có thể có hoặc không): các cảm biến đo và thu thập dữ liệu nhằmphản hồi vào hệ thống điều khiển qua đó các dữ liệu đo được xử lý và bộ điều khiển đưa ra tácđộng lên quá trình động học, động lực học của hệ thống để thu được đáp ứng như mong muốn ởđầu ra
- Hệ thống điều khiển- bao gồm cả phần cứng (mạch điện, điện từ) và phần mềm chứa giải thuậtđiều khiển của hệ thống
Hướng phát triển trong tương lai:
- Xu thế phát triển của cơ điện trên thế giới là tích hợp ngày càng nhiều công nghệ, sản phẩmngày càng “thông minh” hơn và kích thước ngày càng nhỏ hơn
- Công nghệ micro,nano thu nhỏ các thiết bị máy móc xuống kích thước của phân tử các sảnphẩm công nghệ trong tương lai
- Nâng cao trí thông minh cho các sản phẩm cơ điện tử
2 Cấu tạo, nllv, ưu nhược điểm phạm vi sd của cơ cấu chấp hành là động cơ điện 1 chiều kiểu kích từ song song, nối tiếp, hỗn hợp?
a Đ/c điện 1 chiều Kích từ nối tiếp: Loại động cơ điện này có cuộn dây phần
ứng và cuộn kích từ nối nối tiếp với nhau
Trang 3+ Ưu điểm:
1 Khi dòng điện phụ tải tăng sđđ cảm ứng giảm.Mặt khác do cuộn dây kích từ được nốitiếp với cuộn dây phần ứng, từ thông tỉ lệ thuận với dòngđiện phần ứng, nê tải trọnggiảm, tốc độ của động cơ lại tăng
2 Kích từ nối tiếp thích hợp với những động cơ dùng trong lĩnh vực giao thông
Ví dụ: Đầu máy, to axe tự hành, oto điện
b Đ/c 1 chiều kích từ song song:
- Loại này có cuộn dây kích từ song song với cuộn dây phần ứng
- Ưu điểm:
+ Tải trọng có thể thay đổi trong dải rộng nhưng tốc độ của động cơ vẫn được duy trì ổn định+ Thích hợp với các loại máy công cụ, máy bơm hay đối với các loại máy cần sự ổn định về tốcđộ
c Đ/c điện 1 chiều kích từ hỗn hợp: là loại động cơ điện 1 chiều được kích từ bằng các cuộn
dây kích từ mắc nối tiếp và mắc song sogn với cuộn dây phần ứng
- Ưu điểm: Có khả năng tạo ra các đường đặc tính theo ý muốn thích hợp với các động cơ điệnđòi hỏi sự thay đổi về phụ tải trong 1 dải rộng
3 Các đặc tính của cảm biến và cơ cấu chấp hành.
a Dải đo, độ nhạy và độ phân giải
- Dải đo của cảm biến là hiệu giữa đầu vào lớn nhất với đầu vào nhỏ nhất mà tương ứng với dảigiá trị đầu vào đó có giá trị đầu ra phù hợp
VD: cặp nhiệt có dải từ -50oC đến 750oC thì dải đo là 800oC
- Độ nhạy của cảm biến: là thông số biểu diễn mỗi sự thay đổi của đầu vào sẽ có sự thay đổitương ứng của đầu ra
- Độ phân giải: là khoảng nhỏ nhất của đầu vào mà cảm biến có thể đo được hay chính là số đếmnhỏ nhất của cảm biến
b Sai số độ tuyến tính và độ chính xác.
- Sai số là sự sai khác giữa giá trị đo được và giá trị thực của đầu vào Có 2 loại sai số:
+ Sai số hệ thống:là sai số ở tất cả các phép đo
+ Sai số ngẫu nhiên: là sai số có ở 1 số các phép đo nào đó
- Độ tuyến tính và độ chính xác: độ chính xác của 1 cảm biến tỷ lệ nghịch với sai số, sai số càngnhỏ thì độ chính xác càng cao
Trang 4ĐỀ 4.
1 Trình bày nguyên lý đo lực momen và cs
* Nguyên lý:
Khi vật liệu chịu kéo chiều dài sẽ tăng lên, khi vật liệu chịu nén chiều dài sẽ giảm xuống
Với dầm chịu uốn 1 thớ của dầm sẽ chịu kéo và 1 thớ của dầm sẽ chịu nén
Dựa vào các đặc tính trên người ta có các nguyên lý đo lực như sau:
- Dựa vào sự biến dạng của các phần tử đàn hồi
- Cân bằng các lực chưa biết thong qua 1 hệ đo
- Có thể đo gia tốc để xác định giá trị của lực khi đã biết khối lượng( để xác dịnh các lực
Dựa vào giá trị E người ta xác định được giá trị của P
* Cảm biến đo lực kéo
Cảm biến đo lực kéo thường sử dụng đó là các điện trở thay đổi khi bị biến dạng Các điện trởnày được gắn lên các vật chịu lực khi vật bị biến dạng, điện trở trong cảm biến lực sẽ thay đổitùy theo mức độ biến dạng từ đó có thể xác định được độ lớn của lực kéo
Trang 5B, Đo mô men xoắn và công suất
Nguyên lý: khi chịu mô men các lớp ngoài cùng của trục chịu biến dạng lớn nhất và tại đó ứngsuất lớn nhất
Dựa vào những biến dạng của lớp ngoài cùng có thể xác định được độ lớn của mô men xoắn Mx.Nếu biết được độ lớn của Mx có thể xác định được công suất N=Mx.w
Trong đó w là vận tốc góc của trục
- Lắp đặt
1 Cảm biến đo biến dạng
2 Cảm biến đo tốc độ
Thiết bị dẫn động là động cơ diesel, xăng hay các nguồn động lực khác
Thiết bị bị động là nguồn tiêu thụ công suất, trong các thí nghiệm đo công suất của động cơ,thiết bị bị động thong thường là các hộp phanh ma sát , hộp nước các cảm biế đo biến dạngthường được chế tạo bằng các sợi KL, các CB đo tốc độ thường dùng là các Encoder hoạt độngdựa trên nguyên lý biến xung
2 Cảm biến nhiệt độ dựa vào sự giãn nở khác nhau: rắn - rắn, rắn - lỏng
1 Tương đối đơn giản, giá thành tương đối thấp
2 Độ chính xác tương đối cao, dễ bảo quản
+ Nhược điểm:
Trang 61 Dải đo bị hạn chế bởi nhiệt độ đông đặc và nhiệt độ bay hơi của chất lỏng.
ví dụ: Thủy ngân nhiệt độ đo được trong khoảng -40oC đến 500oC
1 Có khoảng đo tương đối rộng
2 Tương đối đơn giản
3 Có thể dùng để đóng mở các công tắc dựa vào mức nhiệt độ
+ Nhược điểm: Độ chính xác bị hạn chế khi phải đo trong khoảng đo rộng
3.Cảm biến gia tốc quán tính (Gia tốc kế quán tính)
Trang 7
1.Dây dẫn 2.Bộ điều chỉnh 3.Khối lượng dao động
4 Bộ xử lý
Nguyên lý làm việc: Bộ xử lý 4
sẽ xác định được gia tốc dựa vàocác giá trị f1 và f2
+ Ưu điểm: có thể xác định được các gia tốc tần số thấp năng lượng dao động nhỏ
+ Nhược điểm: Cồng kềnh
ĐỀ CƯƠNG MÔN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TRONG GIAO THÔNG VÀ CÔNG NGHIỆP
Câu 1: Định nghĩa hệ thống cơ điện tử? Trình bày các thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện tử?
Định nghĩa hệ thống cơ điện tử:
- Cơ điện tử là sự tích hợp của cơ khí, điện tử và điều khiển thông minh bằng máy tính trong
thiết kế và chế tạo các sản phẩm của quá trình công nghiệp
- Hệ thống cơ điện tử là 1 hệ thống bao gồm các thành phần cơ khí, cơ điện hoặc thủy khí, trong
đó có sự chuyển hóa năng lượng từ 1 dạng năng lượng khác sang cơ năng hoặc ngược lại và cácthành phần điện, điện tử trong mạch phần cứng, được điều khiển hoạt động dưới 1 giải thuật điềukhiển nhằm đạt được đáp ứng như mong muốn ở đầu ra của hệ thống
Thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện tử:
+ Hệ phát động và dẫn động: Bộ chuyển hóa năng lượng chuyển đổi năng lượng từ 1 dạngkhác (ví dụ: điện năng, cơ năng) Thông thường là các động cơ (điện từ, thủy khí, nhiệt) đóngvai trò là cơ cấu phát động Bộ phận dẫn động (truyền động) có vai trò truyền cơ năng từ bộphận phát động đến cơ cấu chấp hành
Trang 8+ Cơ cấu chấp hành: Trong hệ thống cơ điện tử, cơ cấu chấp hành là một thiết bị hay dụng cụ
mà hệ thống đó dùng để tương tác với môi trường Ví dụ như tay kẹp robot, trống quay trongmáy giặt, bàn chứa phôi và dao trong máy phay CNC
+ Hệ thống cảm biến đo lường (có thể có hoặc không): các cảm biến đo và thu thập dữ liệunhằm phản hồi vào hệ thống điều khiển qua đó các dữ liệu đo được xử lý và bộ điều khiểnđưa ra tác động lên quá trình động học, động lực học của hệ thống để thu được đáp ứng nhưmong muốn ở đầu ra
+ Hệ thống điều khiển- bao gồm cả phần cứng (mạch điện, điện từ) và phần mềm chứa giảithuật điều khiển của hệ thống
Câu 2: Lịch sử phát triển của hệ thống cơ điện tử? Hướng phát triển trong tương lai?
Lịch sử phát triển:
- Trước năm 1990: hệ cơ khí thuần túy
+ Máy hơi nước_động cơ đốt ngoài (1780)
+ Máy phát điện (1870)
+ Động cơ điện (1889)
- Giai đoạn 1900- 1920:Giai đoạn này xuất hiện sự liên kết giữa hệ thống cơ khí và điện
+ Rơle, cuộn hút
+ Các máy khuếch đại thủy lực và khí nén
+ Các bộ điều khiển, bộ khuếch đại
- Giai đoạn 1920-1935: cơ khí và điều khiển tự động
+ Máy tính số, thang máy, tuốc bin hơi nước
- Giai đoạn 1955- 1975: Giai đoạn này hệ thống cơ điện tử tích hợp giữa máy tính, điềukhiển và hệ thống cơ khí
+ Máy tính xử lý (CPU) (1959)
+ Tự động hóa dựa trên số hóa (1975)
+ Robot công nghiệp
+ Ổ đĩa
- Giai đoạn 1975- 1985:
+ Vi điều khiển (1978)
+ Máy tính cá nhân (PC) (1980)
Trang 9+ CIM 1980
Hướng phát triển trong tương lai:
- Xu thế phát triển của cơ điện trên thế giới là tích hợp ngày càng nhiều công nghệ, sản phẩmngày càng “thông minh” hơn và kích thước ngày càng nhỏ hơn
- Công nghệ micro,nano thu nhỏ các thiết bị máy móc xuống kích thước của phân tử các sảnphẩm công nghệ trong tương lai
- Nâng cao trí thông minh cho các sản phẩm cơ điện tử
Câu 3: Các phương pháp tích hợp của hệ thống cơ điện tử?
- Tích hợp giữa các phần cứng: các phần cứng được nối với nhau, bộ cảm biến được nối với máytính, bộ cảm biến được nối với các cơ cấu chấp hành để thực hiện các lệnh sau khi đã xử lý tínhiệu được thu thập từ bộ cảm biến
- Tích hợp xử lý thông tin: liên kết các phần mềm để xử lý thông tin trực tuyến hoặc xử lý cácthông tin chung
- Tích hợp để thực hiện các điều khiển đa cấp bao gồm các hệ thống các cấp:
+ Cấp 1: điều khiển ở cấp thấp, phản hồi ổn định và tuyến tính hóa
+ Cấp 2: điều khiển mức cao, điều khiển chấp nhận các phản hồi
+ Cấp 3: giám sát bao gồm cả chẩn đoán lỗi
+ Cấp 4: tối ưu hóa phối hợp các quá trình
+ Cấp 5: quản lý quá trình
Câu 4: Thế nào là một cảm biến? Các loại cảm biến thường dùng? Cho ví dụ về hoạt động của 1 loại cảm biến?
- Cảm biến là 1 thiết bị mà khi có hiện tượng vật lý tác động vào sẽ tạo ra 1 tín hiệu đầu ra tỷ lệ.
- Phân loại:Có nhiều cách phân loại cảm biến khác nhau.
- Các cảm biến lưu lượng: là các cảm biến siêu âm, lưu lượng kế, các thiết bị đo dòngchảy bằng điện từ
- Các cảm biến áp suất
+ Theo đối tượng đo: độ phân giải cao, khoảng đo rộng, giải pháp tin cậy, giá thành thấp
- Ví dụ về hoạt động của 1 loại cảm biến:
* Cảm biến đo biến dạng:
- Nguyên lý hoạt động:
Trang 10
- Khi vật liệu chịu kéo chiều dài sẽ tăng lên, khi vật liệu chịu nén chiều dài sẽ giảm xuống
- Đối với dầm chịu uốn, 1 thớ của dầm sẽ chịu kéo, 1 thớ của dầm chịu nén
Dựa vào các đặc tính trên người ta có các nguyên lý đo lực như sau:
+ Dựa vào sự biến dạng các phần tử đàn hồi
+ Cân bằng các lực chưa biết thông qua 1 hệ cân bằng
+ Có thể đo gia tốc để xác định giá trị của lực khi đã biết khối lượng (để xác định các lực
1 Theo dạng năng lượng sử dụng
+ Cơ cấu chấp hành điện:Sử dụng năng lượng điện Ví dụ: động cơ điện, role điện từ
+ Cơ cấu chấp hành thủy lực:Sử dụng năng lượng của dòng dầu thủy lực Ví dụ: các xy lanh thủylực, các động cơ thủy lực, van thủy lực
+ Cơ cấu chấp hành bằng các loại vật liệu mới: các áp điện, các tinh thể
+ Cơ cấu chấp hành micro, nano: thích hợp cho các cơ hệ có kích thước nhỏ có thể sử dụng cáccông nghệ xử lý các vật liệu có nguồn gốc từ silic
2.Theo công dụng:
+ Cơ cấu chấp hành tạo ra chuyển động tịnh tiến
+ Cơ cấu chấp hành tạo ra chuyển động quay
+ Cơ cấu chấp hành tạo ra chuyển động đóng mở các van, role
- Đặc tính hoạt động của 1 cơ cấu chấp hành:
* Cơ cấu chấp hành điện: hầu hết dựa trên nguyên lý hoạt động kiểu đóng mở các thiết bị
chuyển mạch nhận tín hiệu ra, lệnh cấp năng lượng để tác động đóng hay mở các thiết bị điệnnhư động cơ van
Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp : có cuộn dây phần ứng và cuộn kích từ nối tiếp nhau
Trang 11
Câu 6: Các đặc trưng cơ bản của cảm biến và cơ cấu chấp hành
a Dải đo, độ nhạy và độ phân giải
- Dải đo của cảm biến là hiệu giữa đầu vào lớn nhất với đầu vào nhỏ nhất mà tương ứng với dảigiá trị đầu vào đó có giá trị đầu ra phù hợp
VD: cặp nhiệt có dải từ -50oC đến 750oC thì dải đo là 800oC
- Độ nhạy của cảm biến: là thông số biểu diễn mỗi sự thay đổi của đầu vào sẽ có sự thay đổitương ứng của đầu ra
- Độ phân giải: là khoảng nhỏ nhất của đầu vào mà cảm biến có thể đo được hay chính là số đếmnhỏ nhất của cảm biến
b Sai số độ tuyến tính và độ chính xác.
- Sai số là sự sai khác giữa giá trị đo được và giá trị thực của đầu vào Có 2 loại sai số:
+ Sai số hệ thống:là sai số ở tất cả các phép đo
+ Sai số ngẫu nhiên: là sai số có ở 1 số các phép đo nào đó
- Độ tuyến tính và độ chính xác: độ chính xác của 1 cảm biến tỷ lệ nghịch với sai số, sai số càngnhỏ thì độ chính xác càng cao
Câu 7: Nguyên lý làm việc của các loại cảm biến đo lực?
Trả lời
* Nguyên lý:
Khi vật liệu chịu kéo chiều dài sẽ tăng lên, khi vật liệu chịu nén chiều dài sẽ giảm xuống
Với dầm chịu uốn 1 thớ của dầm sẽ chịu kéo và 1 thớ của dầm sẽ chịu nén
Dựa vào các đặc tính trên người ta có các nguyên lý đo lực như sau:
Trang 12- Dựa vào sự biến dạng của các phần tử đàn hồi.
- Cân bằng các lực chưa biết thong qua 1 hệ đo
- Có thể đo gia tốc để xác định giá trị của lực khi đã biết khối lượng( để xác dịnh các lực
Dựa vào giá trị E người ta xác định được giá trị của P
* Cảm biến đo lực kéo
Cảm biến đo lực kéo thường sử dụng đó là các điện trở thay đổi khi bị biến dạng Các điện trởnày được gắn lên các vật chịu lực khi vật bị biến dạng, điện trở trong cảm biến lực sẽ thay đổitùy theo mức độ biến dạng từ đó có thể xác định được độ lớn của lực kéo
B, Đo mô men xoắn và công suất
Trang 13Thiết bị dẫn động là động cơ diesel, xăng hay các nguồn động lực khác.
Thiết bị bị động là nguồn tiêu thụ công suất, trong các thí nghiệm đo công suất của động cơ,thiết bị bị động thong thường là các hộp phanh ma sát , hộp nước các cảm biế đo biến dạngthường được chế tạo bằng các sợi KL, các CB đo tốc độ thường dùng là các Encoder hoạt độngdựa trên nguyên lý biến xung
Câu 8: Nguyên lý làm việc của các loại cảm biến đo nhiệt độ?
1 Cảm biến nhiệt độ dựa vào sự giãn nở khác nhau:
a Nhiệt kế rắn-lỏng:
Trang 143 Tương đối đơn giản, giá thành tương đối thấp.
4 Độ chính xác tương đối cao, dễ bảo quản
+ Nhược điểm:
3 Dải đo bị hạn chế bởi nhiệt độ đông đặc và nhiệt độ bay hơi của chất lỏng
ví dụ: Thủy ngân nhiệt độ đo được trong khoảng -40oC đến 500oC