Điều khiển
Xử lý thơng 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 dịng thơng 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 thơng 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, hố học hay phần xử lý thơng 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 khơng phải cơ khí (non-mechanical processes). Tuy nhiên phần cơ khí là trội hơn trong hệ thống. Dịng 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 cịn 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 cơng nghệ cao nói chung và trong cơng nghệ ơtơ hiện đại nói riêng. chung và trong cơng nghệ ơtơ 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 cơng 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 vơ 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 cơng suất sản xuất và đó cũng chính là kết quả của cuộc cách mạng thông tin. Gần đây, các nhà khoa học nhận thấy khơng 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 cơng nghệ mạng tích hợp. Trong đó điện tử có vai trị như bộ não cho các hệ thống cảm biến, các bộ tiến hành giống như tai, mắt, chân, tay cho phép trao đổi thơng tin với thế giới bên ngồi. 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 cơng 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 thơng qua Bluetooth. Các robot này có thể dễ dàng điều khiển thơng qua joystick, có thể chuyển động theo chương trình đã lập sẵn. Ngồi ra nó có thể hoạt động tự động dựa trên hệ thống điều khiển thơng 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 cơng ty Nhật đang góp phần tạo ra mẫu người cơng 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 cơng 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 phịng 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 khơng 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 bị trên vách bên trong của các mạch máu bằng những cánh tay siêu nhỏ. Nó có thể chịu được áp suất và dịng 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 q trình chẩn đốn và điều trị bệnh cho con người.
Các cơng 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 tồn thân xe cũng như các hệ thống thơng 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 khơng chính xác) mà chiếc xe tự chuyển sang làn đường khác. Dạng tai nạn này trên cao tốc khá phổ biến và gây hậu quả dây chuyền.
Các nhà sản xuất xe hơi đã cố gắng nghiên cứu nhưng do những hạn chế về công nghệ nên mãi cho tới gần đây LDW mới có mặt trên một vài mẫu xe cao cấp của Nissan, Lexus, BMW, Mercedes-Benz, Audi… Về mặt chức năng, LDW là một cơ cấu được thiết kế để cảnh báo cho lái xe khi họ bắt đầu đi ra khỏi làn đường khơng chủ đích (khơng sử dụng đèn xi-nhan để xin đường).
Infinti giới thiệu hệ thống LDW mới, có bổ sung thêm chức năng ngăn ngừa chuyển làn LDP (Lane Departure Prevention) trên các mẫu xe cho năm 2008 như Infiniti EX35 và M45. Ngồi tạo tín hiệu cảnh báo, LDP cịn dùng hệ thống điều khiển động học để trợ giúp người lái giữ vững làn đường đang chạy. Một camera nhỏ gắn trên gương hậu bên trong cabin sẽ theo dõi vạch đường, đưa tín hiệu đến máy tính và tạo tín hiệu âm thanh và ánh sáng cảnh báo nếu như có dấu hiệu đi sang làn đường bên cạnh.
Kết luận chương 1
Trong chương đã trình bày một cách tổng quan về cơ điện tử, vai trò của các cơng nghệ tích hợp trong nền sản xuất hàng hóa cơng nghệ cao của thời kinh tế trí thức.
- Một số mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở Việt Nam trong những năm tới, xu hướng phát triển cơ điện tử thế giới.
- Khái quát về cơ điện tử, lịch sử phát triển phát triển của cơ điện tử được ứng dụng trong sản phẩm hàng hóa, các sản phẩm thơng minh.
- Cơ điện tử là một khoa học về hệ thống, kết hợp giữa các hệ thống và cơ cấu chấp hành như:
Hệ thống cảm biến, cơ cấu chấp hành, hệ thống xử lý thơng tin, hệ thống cơ khí và biến đổi năng lượng và các hệ thống khác V...V. Từ đó đưa ra được cấu trúc chung của hệ thống cơ điện tử.
- Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong cơng nghệ cao nói chung và trong cơng nghệ ơtơ hiện đại nói riêng. Nêu lên được một số ví dụ những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao như:
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), các loại robot, các ứng dụng trong hệ thống vi cơ điện tử.
Những ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ ôtô hiện đại, đặc biệt quan tâm đến giải pháp ứng dụng hệ thống cơ điện tử xử lý vấn đề cân bằng trên xe du lịch và được nghiên cứu cụ thể các chương sau.
Chương 2. NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT ÔTÔ
2. 1. Cơ điện tử trong Ơtơ
2.1.1. Xu hướng tích hợp cơng nghệ cơ điện tử trong ơtơ
Cơ điện tử là một giai đoạn tự nhiên trong quá trình phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật thiết kế hiện đại. Sự phát triển của máy tính, tiếp theo là máy vi tính, máy tính nhúng, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và công nghệ phần mềm đã khiến cho cơ điện tử trở thành một yêu cầu cấp thiết trong nửa thế kỷ 20. Sang thế kỷ 21, với những tiến bộ đã được dự báo trong các hệ cơ - điện - sinh học, máy tính lượng tử, hệ pico và nano cùng với sự phát triển khác, tương lai của cơ điện tử sẽ đầy tiềm năng và triển vọng.
Sự phát triển của cơ điện tử hiện đại có thể được minh hoạ bằng sự phát triển của ôtô. Đến tận thập niên 60, chỉ có radio là thiết bị điện tử đáng kể duy nhất trong ôtô. Tất cả các chức năng khác thuần tuý mang tính cơ khí hoặc điện, ví dụ như động cơ khởi động và hệ thống nạp ắc quy. Trong ơtơ khơng hề có một "hệ thống an tồn thơng minh" nào, ngoại trừ việc tăng kích cỡ đệm giảm chấn và các phần tử kết cấu để bảo vệ hành khách trong trường hợp xảy
ra tai nạn. Vào đầu thập niên 60, dây an toàn ra đời nhằm tăng độ an toàn cho người sử dụng và được vận hành hồn tồn cơ khí. Tất cả hệ thống động cơ được điều khiển bởi người lái hoặc các hệ điều khiển cơ khí. Chẳng hạn, trước khi có sự xuất hiện các cảm biến và vi điều khiển, bộ phân phối cơ khí được dùng để chọn buji đánh lửa khi hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí được nén lại. Thời gian ấn định cho việc đốt cháy nhiên liệu chính là biến điều khiển. Quá trình đốt cháy được điều khiển cơ khí khơng phải là tối ưu nếu xét trên vấn đề là tiết kiệm nhiên liệu. Việc mơ hình hố quá trình đốt cháy nhiên liệu chỉ ra rằng, để tăng hiệu quả nhiên liệu, tồn tại một thời điểm tối ưu để đốt cháy nhiên liệu. Thời điểm này phụ thuộc vào tải, tốc độ và các đại lượng có thể đo khác. Hệ thống đánh lửa điện tử là một trong những hệ cơ điện tử đầu tiên được ứng dụng trong ngành công nghiệp ôtô vào cuối thập niên 70. Hệ thống đánh lửa điện tử bao gồm bộ cảm biến vị trí trục khuỷu, bộ cảm biến vị trí trục cam, tốc độ lưu lượng khơng khí nạp, vị trí van tiết lưu, tốc độ thay đổi vị trí van tiết lưu của bộ cảm biến, bộ vi điều khiển quyết định thời điểm buji đánh lửa. Những ứng dụng ban đầu chỉ gồm một cảm biến hiệu ứng Hall nhằm xác định một cách chính xác vị trí của rơto trong bộ chia điện (Delco) những ứng dụng sau này đã loại bỏ hoàn toàn bộ chia điện và dùng hệ thống vi xử lý để điều khiển trực tiếp quá trình đất cháy nhiên liệu.
Vào cuối thập niên 70, hệ thống phanh chống bó cứng ABS (Anti - block Brake System) được ứng dụng trong ôtô. Hệ thống ABS hoạt động thông qua việc phát hiện ra hiện tượng bó cứng của bất kỳ bánh xe nào, sau đó điều chỉnh áp suất thuỷ lực cần thiết để giảm thiểu hoặc loại bỏ sự trượt. Hệ thống điều khiển khả năng bám đường TCS (Traction Control System) được ứng dụng trong ôtô vào cuối thập niên 90. Hệ thống TCS hoạt động thông qua việc phát hiện ra sự trượt trong quá trình tăng tốc và sau đó điều chỉnh cơng suất truyền cho bánh xe đang trượt. Quá trình này đảm bảo cho xe có thể tăng
tốc với gia tốc lớn nhất có thể với điều kiện về đường và xe cho trước. Hệ thống điều khiển động lực ôtô VDC (Vehicle Dynamic Control) được ứng dụng trong ôtô vào những năm cuối của thập niên 90. VDC hoạt động tương tự TCS với việc thêm một cảm biến tốc độ lệch và cảm biến gia tốc ngang. Vị trí bánh xe phát động được xác định bởi các vị trí bánh lái và tiếp theo được so sánh với hướng thực của chuyển động. Sau đó, hệ thống TCS được kích hoạt để điều khiển cơng suất truyền cho các bánh xe và điều khiển vận tốc ôtô, cũng như giảm thiểu sự khác nhau giữa hướng lái và hướng chuyển động của ôtô. Trong một số trường hợp, ABS được dùng để giảm tốc độ của ôtô để thực hiện việc điều khiển như mong muốn. Trong các ôtô hiện nay, các CPU