Các thành phần của một hệ thống cơ điện tử có thể được thấy như (Hình 1.3)
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 biến đổi năng lượng.
Hình 1.4. Sơ đồ thành phần của hệ thống cơ điện tử 1.2.2.1. Hệ thống cảm biến
Sensor là một thiết bị thông minh, đóng vai trò như "các giác quan" của hệ thống cơ điện tử. Nó tiếp nhận dữ liệu, cảm nhận sự thay đổi từ các sự kiện, các hiện tượng vật lý trong thế giới thực (nhiệt độ, khoảng 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.
Điều khiển tự động
Tối ưu
Cơ điện Giao diện thời gian thực Hệ thống cơ điện Cơ cấu chấp hành Cảm biến Hệ thống cơ điện Số/tương tự Tương tự/số Hệ thống máy tính
Theo cách khác, có thể hiểu sensor là bộ biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Hệ thống sensor sẽ đo lường các thông số của hệ thống vật lý (cơ khí) rồi đưa thông tin thu được dưới dạng tín hiệu số về cho 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 hay điều khiển một cái gì đó. Chúng ta định nghĩa một actuator là: "Một thực thể tiếp nhận các sự kiện phần mềm và tác động trở lại bằng sự cố gắng thay đổi trạng 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, nhận lệnh điều khiển (thường dưới dạng tín hiệu điện) và tạo ra một sự thay đổi trong hệ thống vật lý bằng cách tạo lực, chuyển động, sức nóng, dòng chảy, v.v . . . C Tiếp nhận sự kiện P Sản sinh sự kiện Các sự kiện trong thế giới thực Các sự kiện trong thế giới thực Xử lý cảm biến Quá trình chấp hành C Tiếp nhận sự kiện P Sản sinh sự kiện Các tín hiệu phần mềm Các sự kiện trong thế giới thực
Cụm cơ cấu chấp hành
Hình 1.7. Cụm cơ cấu chấp hành cơ bản
Thông thường, các actuator cùng chung nguồn năng lượng và phần kết nối 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 thống vật lý. Phần cơ khí điển hình gồm có thanh răng và bánh răng, truyền động bánh 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 tử bao gồm các máy tính, trung tâm xử lý, phần mềm. . . Hệ thống xử lý thông tin nhận thông tin ban đầu từ người điều khiển (hoặc lập trình) kết hợp với thông tin nhận được từ hệ thống sensor để xử lý, phân tích đưa ra quyết định đến hệ thống actuator.
Cung ứng nănglượng
Actuator Sự kết nối cơ khí
Bộ điều khiển Hệ thống được điều khiển
Bộ nhớ mã lệnh Bộ nhớ dữ liệu Bộ phát xung đồng hồ CPU 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 kết nối 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 điều khiển 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 thực thi 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 lấy thông tin lưu trữ trong bộ nhớ, xử lý thông tin, và trả lại thông tin mới vào bộ nhớ. Hệ thống nhớ gồm có:
• Bộ nhớ cache là bộ nhớ tốc độ nhanh, nhỏ dùng công nghệ bán dẫn SRAM, 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.
Đơn vị logic số học Điều khiển Đầu ra (Output) Đầu vào (Input) 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 phím, scanner, . . .). Hệ thống vào ra có bộ điều khiển ngoại vi và bộ điều khiển 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 vụ biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác để phù hợp với mục đích sử dụng.
1.2.2.5. Các hệ thống khác
• Bộ biến đổi tương tự - số (ADC): Biến đổi tín hiệu dạng tương tự ở đầu vào đổi thành tín hiệu dạng số ở đầu ra.
• Bộ biến đổi số - tương tự (DAC): Biến đổi tín hiệu dạng số ở đầu vào thành tin hiệu dạng tương tự ở đầu ra.
• Hệ thống hiển thị: Là hệ thống kết nối thông tin giữa các phần trong hệ thống cũng như với các hệ thống khác. Hệ thống hiển thị: Làm giao diện giữa hệ thống và người sử dụng, có chức năng hiển thị, thông báo các thông tin cần thiết cho người dùng.
• Hệ thống cung ứng năng lượng: Làm nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho các thành phần của hệ thống cơ điện tử.
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 giám sát phục vụ hiển thị. Dòng thông tin Dòng năng lượng
Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống cơ điện tử
Điều khiển
Xử lý thông tin
Cụm cơ khí và biến đổi năng lượng Cung ứng năng lượng phụ Cơ cấu điều khiển (Acutuator ) Cảm biến (Sensor) Cung ứng năng
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 thống cơ điện tử có thể được thấy ở một số dạng như: hệ thống cơ điện tử, cơ cấu 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 phần điện, nhiệt, nhiệt động, hoá học hay phần xử lý thông tin. Việc hiểu như thế này 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 hệ thống. Dòng năng lượng phụ được đòi hỏi trong các hệ thống này để bổ sung những 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 khí tích 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. 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 máy công cụ cắt gọt kim loại, các trung tâm gia công và trạm công nghệ khác trong 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 hệ thống robot của mọi lĩnh vực công nghệ và dịch vụ với năng lực cao hơn và trí tuệ hơn. Mở rộng phạm vi ứng dụng của robot, tăng cường khả năng chọn lọc chương trình và sử dụng trí tuệ nhân tạo là các hướng nghiên cứu các ứng dụng điển hình trên lĩnh vực robot.. Hướng ứng dụng có ý nghĩa vô cùng to
lớn 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 thuộc phần cứng của các hệ máy tính như: đĩa cứng, Ổ nhớ ngoại vi (USB), các phần tử điều khiển đọc, nhớ xử lý và xuất tín hiệu điều khiển của các hệ máy tính.
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 dẫn trên một chíp. Điều này đảm bảo cho việc hạ giá thành sản phẩm, tăng công suất sản xuất và đó cũng chính là kết quả của cuộc cách mạng thông tin. Gần đây, các nhà khoa học nhận thấy không chỉ có các thiết bị điện, điện tử, mà cả thiết bị cơ khí cũng có thể giảm kích thước và sản xuất hàng loạt, hứa hẹn các khoản lợi nhuận như đã từng thấy đối với công nghệ mạng tích hợp. Trong đó điện tử có vai trò như bộ não cho các hệ thống cảm biến, các bộ tiến hành giống như tai, mắt, chân, tay cho phép trao đổi thông tin với thế giới bên ngoài. 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
Ví dụ 2: Robot bám tường: Sáu bánh xe có thể bám dính trên tường và trần. 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 đã lập sẵn. Ngoài ra nó có thể hoạt động tự động dựa trên hệ thống điều khiển thông mình và một loạt cảm biến hổ trợ. Truyền dữ liệu hình ảnh qua Bluetooth.
Ví dụ 3: Robot HRP-3 Promet Mk-II: Người công nhân lý tưởng. Một công ty Nhật đang góp phần tạo ra mẫu người công nhân “ lý tưởng”: làm việc không biết mệt trong trời mưa tầm tã, dưới nắng gắt chói chang, trên mặt đường lồi lõm hay sàn nhà trơn trợt.
Người công nhân lý tưởng đó chính là robot hình người HRP-3 Promet Mk-II cao 1,6 mét, nặng 68 kg – một sản phẩm robot thế hệ mới của công ty Kawada Industries. Trong buổi ra mắt báo giới ngày 20/6/2008, HRP-3 Promet Mk-II đã di chuyển thoải mái trên một mặt sân trơn trợt, đầy cát và đi vào 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 tạo chỉ nặng 40kg, robot nhẹ cân này trông giống một chiếc xe tăng đồ chơi. Với cánh tay của mình, thiết bị này có thể mở các cánh cửa và sử dụng cặp mắt video của mình để do thám và điều tra các vị trí nguy hiểm mà con người không 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 bên ngoài hay liên kết với các thiết bị khác, robot này vẫn có thể di chuyển bên trong những ống có đường kính nhỏ. Robot có kích thước 1mm chiều rộng và 4mm 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 bằng những cánh tay siêu nhỏ. Nó có thể chịu được áp suất và dòng chảy của máu trong 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 dụng trong 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 quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh cho con người.
Các công nghệ hiện nay cho phép các bác sĩ đưa vào cơ thể người những vật 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 một cách dễ dàng so với phương pháp nội soi hiện nay do nó có thể đi vào cơ thể con người thông qua các mạch máu, xương sống và các bộ phận khác tùy theo yêu 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 nhiều trong cơ cấu giá thành ôtô (khoảng 16 đến 35% tuỳ theo mức ứng dụng các hệ thống 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, công nghiệp chế tạo ôtô cũng làm cho công nghệ cơ điện tử có một sân chơi rộng hơn, 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, Microsoft cho biết họ sẽ cùng Siemens đưa ra sản phẩm đầu tiên dựa trên phần mềm Microsoft vào năm 2009. Việc hợp tác này nhằm giúp người dùng dễ dàng hơn 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 những nguyên nhân tai nạn gây ra liên quan đến việc chuyển làn đường. Tai nạn
thường do lái xe chuyển làn đường mà không báo trước bằng đèn xi-nhan cho những xe ở làn đường bên cạnh hoặc do vô ý (lái xe ngủ gật hoặc thao tác