Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ô tô và đề xuất giải pháp mô hình cho bài toán cân bằng trên xe du lịch

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------

HỒ VĂN ĐÀM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC HỆ THỐNG
KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ TRONG ÔTÔ VÀ ĐỀ XUẤT
GIẢI PHÁP MƠ HÌNH CHO BÀI TỐN CÂN BẰNG TRÊN XE DU LỊCH

Chuyên ngành: Sư phạm kỹ thuật

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. TẠ DUY LIÊM

HÀ NỘI - 2009


2

LỜI CAM ĐOAN
Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS Tạ Duy Liêm.
Tơi xin cam đoan những gì mà tơi viết ra trong luận văn này là do sự tìm
hiểu và nghiên cứu của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng
của các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ.
Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội
đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như nước ngoài và cho

đến nay chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi cam đoan trên đây.
Vinh, ngày 12 tháng 11 năm 2009
Tác giả

Hồ Văn Đàm


3

LỜI CẢM ƠN
Bản luận văn này được thực hiện tại Khoa Cơ Khí và Khoa Sư phạm kỹ
thuật - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn
PGS.TS Tạ Duy Liêm đã hướng dẫn, động viên và chỉ bảo tận tình trong suốt
quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy và cô giáo trường
Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghiệp Việt Nam - Hàn Quốc, đã tạo điều kiện
về thời gian để tôi thực hiện bản luận văn này.
Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân và đồng nghiệp
đã luôn quan tâm giúp đỡ, ủng hộ tôi cả về tinh thần lẫn vật chất.
Vinh, ngày 12 tháng 11 năm 2009
Tác giả

Hồ Văn Đàm


4

M ỤC L ỤC
Trang

Trang phụ bìa
Lời cam đoan.........................................................................................................
Lời cảm ơn..............................................................................................................
Mục lục....................................................................................................................
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt...........................................................
Danh mục các hình vẽ, đồ thị............................................................................
MỞ ĐẦU................................................................................................................
Chương 1. TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ.......................................................
1.1. Cơ sở kỷ thuật của chuyên ngành cơ điện tử.........................................
1.1.1 Vai trị của các cơng nghệ tích hợp trong nền sản suất hàng hố
cơng nghệ cao của thời kỳ kinh tế trí thức...................................................
1.1.2. Mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở
Việt Nam trong những năm tới......................................................................
1.1.3. Xu hướng phát triển của cơ điện tử thế giới....................................
1.1.4. Cơ điện tử là gì.......................................................................................
1.1.5. Lịch sử phát triển....................................................................................
1.2. Cơ điện tử là một khoa học về hệ thống.................................................
1.2.1. Ví dụ về hệ thống cơ điện tử...............................................................
1.2.2. Các thành phần của hệ thống cơ điện tử...........................................
1.2.2.1. Hệ thống cảm biến........................................................................
1.2.2.2. Cơ cấu chấp hành..........................................................................
1.2.2.3. Hệ thống xử lý thơng tin.............................................................
1.2.2.4. Hệ thống cơ khí và biến đổi năng lượng.................................
1.2.2.5. Các hệ thống khác........................................................................
1.2.3. Cấu trúc chung của hệ thống cơ điện tử...........................................
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..................................
1.3.1. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao
1.3.2. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ
ôtô hiện đại .........................................................................................................

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......................
2.1.2. Các thành phần cơ điện tử trong Ơtơ................................................

1
2
3
6
7
10
13
13
13
16
18
20
24
27
27
27
28
29
30
31
32
32
34
34

38
41
41
41
49


5

2.1.3. Hệ thống trợ giúp...................................................................................
2.1.3.1. Hệ thống tự động cân bằng ESP...............................................
2.1.3.2. Hệ thống chống bó cứng phanh ABS......................................
2.2. Dao động và cân bằng dao động...............................................................
2.2.1. Giới thiệu.................................................................................................
2.2.2. Các thiết bị giảm chấn của xe Ơtơ.....................................................
2.2.2.1 . Nhíp xe...........................................................................................
2.2.2.2. Giảm xóc lị xo..............................................................................
2.2.2.3. Giảm xóc khí - thủy lực..............................................................
2.3. Hệ thống giảm xóc hiện đại.......................................................................
Chương 3. THIẾT LẬP CÁC MƠ HÌNH HỆ THỐNG CHO BÀI
TỐN DAO ĐỘNG VÀ CÂN BẰNG DAO ĐỘNG TRÊN ƠTƠ.........
3.1. Mơ hình hệ thống giảm xóc của xe ơtơ...................................................
3.1.1.Mơ hình giao động của ơtơ...................................................................
3.1.2. Mơ hình bốn bánh..................................................................................
3.1.3. Mơ hình một nửa Ơtơ............................................................................
3.1.4. Mơ hình một phần tư ơtơ......................................................................
3.2. Hệ thống giảm xóc tự động........................................................................
3.3. Hệ thống giảm xóc bán chủ động.............................................................
3.3.1. Các phương pháp điều khiển...............................................................
3.3.2. Điều khiển Skyhook..............................................................................

3.3.3. Điều khiển Groundhook.......................................................................
3.4. Mơ hình tốn học của hệ thống giảm xóc bị động...............................
3.4.1. Hệ thống giảm xóc bị động.................................................................
3.4.2 Dao động của hệ thống với kích động điều hồ..............................
3.5. Mơ hình tốn học của hệ thống giảm xóc bán chủ động....................
3.5.1 Mơ hình hê thống giảm xóc bán chủ động........................................
3.5.2 Hệ thống Skyhook...................................................................................
3.5.3. Hệ thống Groundhook...........................................................................
Chương 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIẢM XÓC BÁN CHỦ ĐỘNG...
4.1. Thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động...............................
4.1.1. Cảm biến...................................................................................................
4.1.2. Giảm chấn biến đổi................................................................................
4.1.2.1. Giảm chấn van thay đổi..............................................................
4.1.2.2. Giảm chấn từ biến.........................................................................
4.2. Cấu trúc và hoạt động của hệ thống giảm xóc bán chủ động............
4.2.1. Cấu trúc của hệ thống............................................................................
4.2.2. Hoạt động của hệ thống........................................................................
KẾT LUẬN ...........................................................................................................

51
51
52
60
60
61
61
61
62
63
67

67
68
69
70
71
71
73
73
75
77
78
78
79
82
82
83
86
90
90
90
91
92
92
95
94
96
97


6

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................

100

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt
Hệ thống tự động điều chỉnh ổn

ABC

Automatic Body Control

ABS

Anti - block Brake System

AFL

Adaptive Forward Light

ASR

Anti - Spin Regulation

CAE

Computer Aided Engineering

CAN

Controller Area Network
Computer Intergrated

tính
Hệ truyền dữ liệu điện tử
Hệ thống gia công điều khiển

Manufacturing
Differential Global

bằng mạng vi tính kết nối
Hệ thống định vị tồn cầu sai

Possitioning Systems

phân
Chương trình quản lý độ ổn định

CIM
DGPS
ESP
FMS
Micro
MEMS
NEMS

TCS
VDC

Electronic Stability Program

định tồn xe
Hệ thống phanh chống bó cứng
Thay đổi độ rộng và góc quét của
dải sáng theo hướng xe chạy
Hệ thống kiểm soát độ bám
đường
Gia công được trợ giúp bởi máy

bằng điện tử
Flexible Manufacturing System Hệ thống tự động linh hoạt
Micro Electro Mechatronic
Hệ vi cơ điện tử
System
Nano Electronics Mechatronics
Hệ thống siêu vi cơ điện tử
System
Hệ thống điều khiển khả năng
Traction Control System
bám đường
Vehicle Dynamic Control
Hệ thống điều khiển động lực ôtô
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ


7

TRANG
Hình 1.1. Các tiêu chí cơ bản của những hình thái sản xuất – Đặc trưng
của nền kinh tế tri thức...........................................................................................
Hình 1.2. Cơ điện tử, khoa học của nhiều ngành nghiên cứu.......................
Hình 1.3. Lịch sử phát triển của các hệ thống kỹ thuật từ cơ khí thuần
túy đến các hệ cơ điện - tử ngày nay...................................................................
Hình 1.4. Sơ đồ thành phần của hệ thống cơ điện tử......................................
Hình 1.5. Mơ hình cảm biến (Sensor).................................................................
Hình 1.6. Mơ hình cơ cấu chấp hành (Actuator)..............................................
Hình 1.7. Cụm cơ cấu chấp hành cơ bản............................................................
Hình 1.8. Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển................................................
Hình 1.9. Sơ đồ khối của bộ vi xử lý..................................................................
Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống cơ điện tử..........................................
Hình 1.11. Cơ điện tử trong điều khiển chạy dao của máy cơng cụ CNC.
Hình 1.12. Robot HRP-3 Promet Mk-II đang đi giống y như người..........
Hình 1.13. Mẫu robot “Asendro” một thế hệ robot bảo vệ mới nhất...........
Hình 2.1. Sử dụng Rada đo khoảng cách và vận tốc để tự động điều
chỉnh khoảng cách giữa các xe ơtơ...................................... ...............................
Hình 2.2. Thiết kế hệ thống ôtô tự hành với cảm biến và cơ cấu chấp
hành...........................................................................................................
Hình 2.3. Các khu vực ứng dụng của hệ thống cơ điện tử trong một chiếc
xe ôtô. ...................................... ...................................... ............................................
Hình 2.4. % đóng góp về giá thành của cơ điện tử trong ơtơ.......................
Hình 2.5. Sự phát triển của các hệ thống an tồn cơ điện tử trong ơtơ và
khuynh hướng của nó....................................... .......................................................
Hình 2.6. Hệ thống tự động cân bằng ơtơ (ESP) ..............................................
Hình 2.7. Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) ............................................
Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ thống điều tiết Distronic.....................................
Hình 2.9. Đặc tuyến áp lực phanh theo thời gian với hệ thống trợ giúp

16
24
26
28
28
29
29
30
31
33
35
36
37
45
47
48
48
49
51
53
55

56
thuỷ lực...................................... ..................................................................................
Hình 2.10. Các phương án cơ bản của bộ phanh thuỷ lực ABS. .................. 57
Hình 2.11. Hệ thống phanh cơ điện tử "Elektromechanische Bremse"....... 58
Hình 2.12. Bộ cảm biến số vịng quay của bánh xe với hiệu ứng cảm ứng
59
điện từ...........................................................................................................................

8

Hình 2.13. Nhíp xe ơtơ.............................................................................................
Hình 2.14. Gảm xóc kết hợp với xi lanh dầu......................................................
Hình 2.15. Giảm xóc khí nén - thủy lực..............................................................
Hình 2.16. Hệ thống treo khí nén Airmatic của Mecerdes..............................
Hình 3.1. Xe ơtơ du lịch với hệ thống giảm xóc trước và sau........................
Hình 3.2. Hệ thống giảm xóc trên một bánh..................... .................................
Hình 3.3. Xe ơtơ du lịch với nhiều bộ phận và chi tiết....................................
Hình 3.4. Mơ hình bốn bánh của hệ thống giảm xóc........................................
Hình 3.5. Mơ hình 2 bánh với hai bánh bên (a) và hai bánh đồng trục (b).
Hình 3.6. Mơ hình một bánh (một phần tư ơtơ) của hệ thống giảm xóc.....
Hình 3.7. Hệ thống giảm xóc LEM của hãng Bose..........................................
Hình 3.8. Mơ hình một phần tư ôtô.......................................................................
Hình 3.9. Điều khiển Skyhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) ........................
Hình 3.10 Điều khiển Groundhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) ................
Hình 3.11. Hệ thống giảm xóc bị động................................................................
Hình 3.12. Hệ thống bị động với kích động điều hịa......................................
Hình 3.13. Các dao động của thân xe và bánh xe theo thời gian..................
Hình 3.14. Hệ thống giảm xóc bán chủ động.....................................................
Hình 3.15. Dao động thân xe và bánh xe của hệ thống Skyhook..................
Hình 3.16. Dao động của thân xe và bánh xe của hệ thống Groundhook...
Hình. 4.1. Cảm biến gia tốc TI CAS.....................................................................
Hình. 4.2. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn van điều khiển.............................
Hình 4.3. Tính chất của chất lỏng từ biến..........................................................
Hình. 4.4. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn MR.................................................
Hình. 4.5. Giảm chấn Delphi MagneRide của hãng Delphi...........................
Hình. 4.6. Các thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động.................

Hình. 4.7. Sơ đồ hệ thống giảm xóc bán chủ động...........................................

61
62
63
64
67
68
68
69
70
71
72
74
74
77
78
80
82
82
86
88
91
92
93
94
95
95
96

9

LỜI MỞ ĐẦU
Cơ điện tử hiện nay đã mở ra một phương pháp mới trong ứng dụng kỹ
thuật và nó thực sự bao trùm lên mọi diện mạo của thế giới hiện đại. Cơ điện
tử thực chất là một công nghệ tích hợp hữu cơ của nhiều cơng nghệ truyền
thống khác nhau trong một thể thống nhất, các sản phẩm cơ điện tử trước hết
phải bắt nguồn từ những thiết kế tối ưu mà cấu trúc và nguyên lý hoạt động
của nó được quan niệm như một cơ thể sống. Các bộ phận cấu thành như
modul cơ khí, điện và điện tử, khí nén và thuỷ lực cũng như các phần tử điều
khiển (Sensor: cảm biến đo lường, actuator: điều khiển và điều chỉnh), các
phần mềm tin học... trong một đơn vị sản phẩm phải là xương thịt của nhau, là
cơ bắp và là trí tuệ có ảnh hưởng lẫn nhau tạo nên thể thống nhất hữu cơ vậy.
Từ nhu cầu phát triển các sản phẩm cần cơng nghệ tích hợp liên ngành cơ khí
điện, điện tử, cơng nghệ thơng tin và điều khiển hệ thống. Những hệ thống
này đã chuyển từ hệ cơ điện với các phần điện và cơ khí riêng rẽ sang hệ cơ
điện tích hợp với các bộ cảm biến, các cơ cấu chấp hành, các mạch điện tử số
micro. Sự tích hợp này tạo nên một cơng nghệ mới, trong đó có sự chuyển
biến về chất của tư duy công nghiệp mà trọng tâm là tư duy công nghệ tạo
nên đổi mới và xúc tiến các phương pháp giải quyết những vấn đề kỹ thuật


10

tổng hợp. Công nghệ này đã tạo ra nhiều sản phẩm mới và cung cấp giải pháp
tăng hiệu quả và tính năng của thiết bị cơng nghiệp, dân dụng. Từ đó đến nay,
cơ điện tử đã phát triển khơng ngừng, nhất là khi kỹ thuật vi xử lý ra đời đã
làm cho cơ điện tử có vai trị quan trọng trong khoa học và công nghệ. Sản
phẩm cơ điện tử ngày càng tích hợp trong nó nhiều cơng nghệ cao hơn, mức

độ thơng minh ngày càng mạnh và kích thước ngày càng được rút gọn. Trong
tương lai, sự phát triển của hệ cơ điện tử sẽ được thúc đẩy bởi sự phát triển
của các lĩnh vực có liên quan. Những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thống cũng
sẽ tạo động lực cho sự phát triển của hệ cơ điện tử thông qua việc cung cấp
những "công nghệ khả thi". Chẳng hạn, việc phát minh ra bộ vi xử lý đã có
ảnh hưởng sâu rộng đến q trình tái thiết kế hệ cơ khí và q trình thiết kế
mới hệ cơ điện tử. Chúng ta nên hy vọng vào những tiến bộ không ngừng của
bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển, sự phát triển của bộ cảm biến và cơ cấu chấp
hành dựa trên việc ứng dụng những tiến bộ của hệ thống vi cơ điện tử MEMS
"Micro Electronics Mechanics System" và hệ thống siêu vi cơ điện tử NEMS
"Nano Electronics Mechatronics System", các phương pháp điều khiển thích
nghi và phương pháp lập trình tốc độ xử lý của máy tính, cơng nghệ mạng và
cơng nghệ khơng dây, kỹ thuật gia cơng được trợ giúp bởi máy tính CAE
(Computer Aided Engineering) dùng cho việc lập mơ hình hệ thống tiên tiến,
tạo mẫu ảo và thử nghiệm. Sự phát triển nhanh chóng trong những ngành này
sẽ giúp tăng tốc độ phát triển các sản phẩm thông minh. Mạng Intermet là một
công cụ khi được ứng dụng kết hợp với công nghệ khơng dây cũng sẽ có khả
năng tạo ra những sản phẩm cơ điện tử mới. Khi những phát triển trong thiết
bị tự động đã cung cấp cho chúng ta ví dụ sinh động về sự phát triển của Cơ
điện tử, thì có hàng loạt các ví dụ về các hệ thống thông minh trong tất cả các
lĩnh vực của đời sống xã hội, bao gồm thiết bị gia dụng thông minh, trong lĩnh
vực "thiết bị thân thiện với con người" (thuật ngữ do H.Kobayashi(Guest


11

Editoria), IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.2No.4,1997,P.217
đưa ra) chúng ta có thể hy vọng vào những những tiến bộ trong lĩnh vực cơ
điện tử có thể đem lại lợi ích cho những lĩnh vực khác nhau rõ rệt, chế tạo
máy, vũ trụ, công nghệ sản xuất ôtô. Tương lai của Cơ điện tử đang ngày

càng mở rộng.
Trong luận văn này tôi nêu một phần ứng dụng cơ điện tử trong ngành cơ
khí ơtơ. Ơtơ đã ra đời từ hơn một trăm năm nay và ngày càng trở đáp ứng tốt
hơn nhu cầu của con người. Với rất nhiều bộ phận, có sự đóng góp của cơ khí,
điện, điện tử, điều khiển, công nghệ thông tin, vật liệu mới, . . . Ôtô hiện đại
là một sản phẩm kết hợp của rất nhiều ngành khoa học kỹ thuật. Sẽ là rất khó
khăn cho việc thiết kế nếu tách riêng các hệ thống của ôtô thành các lĩnh vực
khoa học kỹ thuật riêng biệt khác nhau. Giải pháp cho vấn đề đó, cơ điện tử ra
đời đóng vai trị là một khoa học về hệ thống có khả năng kết nối các ngành
khoa học kỹ thuật, ngày càng đóng góp phần lớn vào các ngành cơng nghiệp
nói chung và cơng nghiệp ơtơ nói riêng. Bài tốn cân bằng ơtơ mà trọng tâm
là hệ thống giảm xóc là một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế ôtô.
Với lịch sử phát triển lâu dài cùng với nhiều cải tiến đáng kể, các hệ thống
giảm xóc thơng thường vẫn khơng thể nào đáp ứng tốt cả hai u cầu chính
của bài tốn cân bằng, đó là sự thoải mái và an tồn sự mâu thuẫn giữa hai chỉ
tiêu đó dường như là một giới hạn khó vượt qua cho tới khi các yếu tố điều
khiển tự động được áp dụng vào hệ thống giảm xóc.
Một thế hệ giảm xóc tự động mới ra đời là kết quả của sự vận dụng cơ
điện tử vào bài tốn cân bằng dao động. Bằng phương pháp mơ hình hóa và
mơ phỏng, tơi bước đầu nghiên cứu ứng dụng của cơ điện tử để giải quyết bài
toán cân bằng trên xe ơtơ du lịch. Bên cạnh đó tiếp cận với phương pháp điều
khiển hệ thống giảm xóc Groundhook và Skyhook dựa trên phương pháp mơ
hình hóa và mơ phỏng.


12

Chương 1. TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ
1.1. Cơ sở kỷ thuật của chuyên ngành cơ điện tử
1.1.1. Vai trò của các cơng nghệ tích hợp trong nền sản suất hàng hố cơng

nghệ cao của thời kỳ kinh tế trí thức.
Trong nền kinh tế trí thức địi hỏi một trình độ tư duy và tác phong công
nghiệp hiện đại, sẵn sàng đáp ứng và đáp ứng một cách hiệu quả các yêu cầu
mới đặt ra của nền kinh tế trí thức, vận hành trong thời đại văn minh tin học.
Trong thập niên 70 của thế kỷ trước, nền "Văn minh ống khói" đã đạt tới
đỉnh cao khi thế giới cơng nghiệp xuất hiện hình thái tổ chức sản xuất dưới
dạng các tập đồn siêu quốc gia, các tổ hợp cơng nghiệp lớn, tập trung quyền
lực trên các lĩnh vực chuyên ngành và khu vực thị trường xác định. Đó là
những gã khổng lồ, những con khủng long của kỷ nguyên đại hồng thuỷ (sản
xuất hàng hoá loại lớn và hàng khối). Sai lầm lớn nhất của các hình thái tổ
chức sản xuất này là ở tính độc cực trong phân cơng quốc tế về cơng nghệ và
thị trường. Chính sự độc quyền trong trong tiến trình phát triển đã trở thành
rào cản, hạn chế sức cạch tranh và năng lực sáng tạo của các lực lượng khoa
học - Công nghệ. Lao động kỹ thuật, nhất là lao động trí tuệ bị lãng phí hoặc
bị kìm hãm; vật tư năng lượng bị lạm dụng đến mức phương hại tới môi


13

trường sinh thái và trên phương diện kinh tế, những gã khổng lồ này "khiêu
vũ" , với vòng quay "đầu tư - hoàn vốn - lợi nhuận - tái đầu tư mở rộng" một
cách chậm chạp. Cơ hội ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật bị o bế, phản
ứng với các biến động thị trường một cách thụ động dẫn tới các giải pháp phi
lý như đầu cơ, phá giá, thậm chí có lúc phải huỷ hoại cả sản phẩm để duy
dưỡng thị trường.
Trong "văn minh tin học", tính mở và tính tồn cầu của sản xuất xã hội đã
phá vỡ một cách tự nhiên thế độc quyền của các hình thái tổ chức sản xuất già
cỗi xơ cứng. Team Work và mơ hình phân cơng lao động dân chủ đã động
viên tối đa tiềm lực khoa học - công nghệ trong tinh thần hợp tác xã hội cao
độ. Con người cơng nghiệp mới nhìn nhận các vấn đề một cách trí tuệ hơn với

các tiêu chí phát triển bền vững, bảo vệ môi trường sinh thái và nâng cao tối
đa hàm lượng tri thức trong một đơn vị sản xuất.
Nhiều hình thái tổ chức sản xuất mới ra đời trong đó, tính năng động linh
hoạt và mềm dẻo, nhất là khả năng phản ứng mau lẹ, cực kỳ nhạy bén đối với
thị trường của các hình thái tổ chức sản xuất này vừa là lợi thế vừa là những
thách thức rất cao đối với con người công nghiệp.
Rõ ràng, nền kinh tế trí thức có những đặc trưng riêng biệt, độc đáo mà từ
trước tới nay chưa hề có một hình thái kinh tế xã hội nào đạt được. Đặc thù
của kinh tế trí thức thể hiện trước hết ở sự tăng cao của hàm lượng tri thức
trong một đơn vị sản phẩm. Quá trình chuyển dịch cơ cấu công nghệ thể hiện
rất rõ khuynh hướng phát triển này.
Tiến trình chuyển địch cơng nghệ này dựa trên các cơ sở:
- Vai trị quan trọng của cơng nghệ cao, đặc biệt là công nghệ thông tin.
- Khoa học trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp.
- Thời gian thực hiện cơng nghiệp hố rút ngắn.
- Nhân lực kỹ thuật nhanh chóng được trí thức hố.


14

- Cơ cấu kinh tế, hệ thống tổ chức xã hội có những thay đổi cơ bản.
Vì vậy sự phát triển công nghệ cao và công nghiệp công nghệ cao trong
thời đại ngày nay, không phải chỉ đơn thuần là việc vạnh ra chiến lược phát
triển khoa học và công nghệ, mà là sự nghiệp phấn đấu vươn tới một nền văn
minh mới của nhân loại: nền văn minh tin học của kỷ ngun kinh tế trí thức.
Đổi mới thơng qua cơng nghiệp hố và hiện đại hố đất nước trước hết
phải là sự đổi mới của ý thức tư duy, bởi tư duy sáng tạo chính là nguồn lực
của đổi mới.
Định hướng phát triển công nghệ cơ điện tử cũng khơng nằm ngồi quy
luật này.

Gần 20 năm đổi mới đã và đang diễn ra trên đất nước ta, quá trình chuyển
dịch cơng nghệ cũng đã chứng minh rằng lợi thế phát triển có tính hiện thực
lớn nhất của Việt Nam lại chính là nguồn lực con người. Đất nước Việt Nam,
con người Việt Nam - khơng có con đường nào khác - đã và đang hội nhập
với tiến trình phát triển gia tốc hoá ngày càng tăng của nhân loại tiến tới nền
kinh tế trí thức.
Cùng với q trình chuyển giao cơng nghệ mang tính tồn cầu, ý thức tư
duy và tác phong cơng nghiệp hiện đại, có tính chuyên nghiệp của lực lượng
lao động tiên tiến bên ngoài cũng có điều kiện thâm nhập, làm thay đổi những
tập quán tư tưởng như cố hữu của lực lượng lao động Việt Nam, cải thiện
đáng kể chất lượng lao động và phẩm chất nghề nghiệp của con người Việt
Nam công nghiệp, chính đó là cơ sở đáng tin cậy để xây dựng các cơ chế và
chính sách phát triển các hướng công nghệ cao và công nghiệp công nghệ cao
trong chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010.
Vai trị của cơng nghệ Cơ - Điện tử phục vụ mục tiêu của cơng nghiệp
hố, hiện đại hoá rút ngắn.


15

Công nghệ Cơ - Điện tử và sản phẩm của nó thuộc phạm trù cơng nghệ
cao, mang đặc thù tích hợp nhiều ngành kỹ thuật trọng điểm của nền kinh tế
trí thức.

Hàm lượng
tri thức

Thiết bị,
tiền vốn

Kinh tế tri thức
(văn minh tin học)

Nguyên liệu,
năng lượng

(Văn minh tin học)

Kinh tế công nghiệp
(Văn minh ống khói)

Kinh tế thủ cơng

Lao động,
nhân lực

Hình 1.1. Các tiêu chí cơ bản của những hình thái sản xuất – Đặc trưng của nền kinh tế tri thức
1.1.2. Mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở Việt
Nam trong những năm tới.
Chưa nói đến vi cơ điện tử, nanô cơ điện tử vốn đã lôi kéo rất nhiều ngành
liên quan, trong thế kỷ XXI, chúng ta sẽ chứng kiến nhiều hơn nữa sự phát


16

triển tương hỗ rất mạnh của nhiều ngành khác xoay quanh cơ điện tử: quangcơ điện tử (opto-mechatronics), sinh học-cơ điện tử (bio-mechatronics), khoa
học không gian,... Một số ứng dụng tiêu biểu của cơ điện tử - tiêu điểm của
các ngành: trong ngành hàng không - vũ trụ (quân sự và dân sự): cơ điện tử
rất tự nhiên từ lâu là động lực phát triển chính. Các hệ thống lái tự động, định
vị tự động, phát hiện tránh đường, điều phối không lưu,... và rất nhiều kỹ

thuật, trang thiết bị mới, tinh vi đã ra đời sớm nhất trong ngành này. Tuy
nhiên, do đặc thù riêng mà không được phổ biến rộng rãi trong cơng nghiệp
nói chung. Cũng vậy, với kỹ thuật quân sự: các hệ thống vũ khí, khí tài do
thám, tấn cơng thơng minh, phịng thủ phản ứng nhanh (các hệ thống tên lửa
đánh chặn, tìm diệt,...) và rất nhiều bí mật quân sự khác thực sự từ lâu đã
được phát triển theo lối tiếp cận cơ điện tử hiện đại, chứ khơng phải đến khi
nó được đề xuất và nghiên cứu sau này trong dân dụng. Trong ngành cơ khí:
rơbốt, máy cơng cụ CNC, hệ thống đo 3D phục vụ kiểm tra chính xác cao
hoặc cho thiết kế ngược,... Trong ngành tự động hoá: giám sát và điều khiển
tích cực q trình (tại từng thiết bị cho đến quy mơ tồn nhà máy),... Trong
ngành cơng nghệ thơng tin: mơ phỏng, mơ hình hố, cung cấp cơng cụ tối ưu
hố, cung cấp cơng cụ cho tạo mẫu nhanh, sản xuất phân tán kỹ thuật số, phần
mềm điều khiển nhúng, các hệ thống giám sát và định vị toàn cầu,...Trong
cơng nghiệp tiêu dùng: điều hồ kỹ thuật số, lị vi sóng, nồi cơm điện, máy
giặt, tủ lạnh thơng minh,... Trong công nghiệp ôtô: các hệ thống lái tự động,
các hệ thống an toàn kiểu mới,... Trong y sinh học: thiết bị xét nghiệm, chẩn
đoán, điều trị, phục hồi chức năng, cùng với việc tích hợp các cơng cụ khai
thác thông tin, dữ liệu di truyền sinh học để kiểm sốt tổng thể các phương
tiện chăm sóc sức khoẻ (ứng dụng máy ghi nhiệt và trí tuệ nhân tạo để phát
hiện sớm khối u; tạo môi trường ảo để phục hồi từ xa cho người già bị giảm


17

nhận thức; các cơng cụ có trợ giúp bởi máy tính để phân tích chứng bệnh tim
mạch, châm cứu,...),v.v.
Có thể nhận thấy, cơ điện tử là phạm trù rộng, chúng ta cần đặt mục tiêu
nghiên cứu phát triển cơ điện tử của nước ta trong những năm tới là có những
sản phẩm chiến lược. Việc lựa chọn phương hướng nghiên cứu cơ điện tử cần
có hiệu quả mang tính đi tắt đón đầu, do vậy có 3 lĩnh vực chúng ta cần phải

làm chủ bằng được, đó là:
Sản phẩm cơ điện tử trong tiêu dùng: Những đồ gia dụng ví dụ: thiết bị
cảnh báo, bếp từ, đầu VCD, máy giặt, máy ảnh số,... là những mặt hàng mang
tính thơng minh nhưng khơng q phức tạp về cấu hình. Sự thơng minh nằm
nhiều ở phần điều khiển (cứng và mềm của thiết bị), phần mà theo nhận định
của nhiều chuyên gia là thuộc năng khiếu của người Việt Nam. Mặc dù về giá
trị kinh tế không thật cao, nhưng do là vật dụng thông dụng nên lương tiêu thụ
(với đất nước gần 86 triệu dân) là lớn.
Thiết bị và hệ thống cơ điện tử trong công nghiệp: Khá nhiều thiết bị cơng
nghiệp ví dụ như máy cơng cụ CNC, trạm trộn bê tông tự động, dây chuyền
sản xuất xi măng, hệ thống hút bụi công nghiệp,…. đã là kết quả nghiên cứu
từ các đề tài nghiên cứu KHCN và đang được triển khai tốt trong đời sống sản
xuất. Có thể nhận thấy rằng chúng ta có thể thiết kế, tích hợp tốt thiết bị công
nghiệp thông minh. Nhược điểm của chúng ta là khâu chế tạo. Tuy nhiên trên
thế giới, không một nước nào, Hãng nào lại chế tạo một hệ thống từ A-Z, theo
xu hướng chung này chúng ta sẽ tuyển chọn đâu là những vấn đề cần đầu tư
để có thể chiếm thị phần lớn trong sản phẩm cơ điện tử loại này.
Thiết bị cơ điện tử trong lĩnh vực y tế: Trong mọi xã hội giàu, nghèo sức
khoẻ con người ln được đặt lên hàng đầu vì con người là nguồn vốn quý
nhất của mọi quốc gia. Việc phát triển thiết bị cơ điện tử y tế có ý nghĩa hơn
khi bản thân thiết bị không những đã thúc đẩy sự phát triển của rất nhiều lĩnh


18

vực liên quan (vật lý - nguồn năng lượng tia bức xạ, hệ thống quang học, hệ
thống cảm biến – nhận dạng, công nghệ thông tin - xử lý ảnh,...) mà cịn có
hiệu ứng đomino đến các lĩnh vực khác như sinh hoá, chẩn đoán, trị liệu,...
Phương hướng nghiên cứu cơ điện tử của chúng ta có thể tập trung vào kỹ
thuật tích hợp hệ thống từ các mơ đun tiêu chuẩn hoá, đầu tư vào nghiên cứu

thiết kế hệ điều khiển và phần mềm, chế tạo một phần cấu hình vật lý và phần
cứng điều khiển tương thích.
1.1.3. Xu hướng phát triển của cơ điện tử thế giới.
Xu thế của cơ điện tử trên thế giới là tích hợp trong đó ngày càng nghiều
cơng nghệ cao, làm cho trí tuệ của sản phẩm ngày càng thông minh hơn trong
một kích thước sản phẩm ngày càng nhỏ hơn, tiêu tốn ngun liệu ngày một ít
hơn.
Một số cơng nghệ mới đóng vai trò quan trọng trong các sản phẩm và hệ
thống cơ điện tử trong thời gian tới, là công nghệ mạng máy tính nhúng và
cơng nghệ vật liệu mới. Với cơng nghệ mạng máy tính nhúng, các sản phẩm
cơ điện tử sẽ có chức năng hội thoại và hợp tác phối hợp thực hiện được nhiều
nhiệm vụ có độ phức tạp cao hoặc đồng thời ở nhiều địa điểm trên diện rộng.
Công nghệ vật liệu mới cho ta những vật liệu có đặc tính như điều khiển được
hoặc có khả năng biến dạng để chế tạo các cơ cấu chấp hành hoặc cấu trúc cơ
khí khơng gian 3 chiều phong phú cho sản phẩm cơ điện tử.
Công nghệ micro/nano nhằm thu nhỏ các thiết bị máy móc xuống kích
thước của phần tử cho các sản phẩm công nghệ trong tương lai. Với việc điều
khiển chính xác các nguyên tử và phân tử, con người có thể chế tạo ra các
cảm biến mới, các vật liệu nhân tạo thông minh, các robot/máy kích thước
micro, các hệ thống thơng minh cực nhỏ v.v...Tuy nhiên cơng nghệ nano cịn
nhiều thách thức mà hiện nay con người chưa giải quyết được. Sự hiểu biết cơ
chế hoạt động, điều khiển ở kích thước nano cịn chưa hồn hảo, cơng nghệ


19

điều khiển nano còn chưa phát triển. Các nghiên cứu về micro/nano
mechatronics mới đang ở giai đoạn đầu.
Xu thế nhỏ hóa thiết bị máy móc đang là xu hướng tiến hóa các sản phẩm
ở hầu hết các sản phẩm cơng nghiệp như các thiết bị điện tử gia dụng (máy

điều hịa, lị vi sóng, máy giặt...), các thiết bị truyền thông, các thiết bị y tế,
các phương tiện giao thông, các hệ thống điều khiển, các dây chuyền công
nghệ. Sự phát triển của công nghệ vi điện tử ngày càng nhỏ với chức năng
ngày càng mạnh và giá thành ngày càng rẻ cho thấy khả năng phát triển của
các sản phẩm nhỏ gọn và có nhiều tính năng phong phú, vượt trội.
Xu thế thơng minh hóa các sản phẩm cơ điện tử được thể hiện ở việc phát
triển trí thơng minh cho các sản phẩm. Các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo,
mạng nơron, hệ chuyên gia, giải thuật gen, các phương pháp xử lý song
song... đang là hướng nghiên cứu thời sự cho các hệ điều khiển thông minh áp
dụng cho các sản phẩm cơ điện tử tương lai, với việc xử lý trong thời gian
thực các tín hiệu của cảm biến âm thanh, hình ảnh, tiếng nói, các cảm biến
tiếp xúc như lực, momem v.v... sẽ tạo ra các sản phẩm cơ điện tử có khả năng
đối thoại và tự suy diễn, ra quyết định, tự thích nghi với môi trường như
những sinh vật sống.
1.1.4. Cơ điện tử là gì
Thuật ngữ cơ điện tử được hình thành vào năm 1969 do ông Tesuro Mori
người Nhật Bản, Tổng giám đốc của Công ty Seibu Electric and Machinery
nêu ra, khi ông đề xuất một công nghệ mới sản xuất các máy công cụ tiên tiến
với sự kết hợp chặt chẽ giữa cơ khí và điện tử. Ban đầu, Cơ điện tử dùng để
chỉ các hệ thống chỉ có thành phần cơ khí và điện tử-khơng u cầu sự tính
tốn. Ví dụ như cửa trượt tự động, máy bán hàng tự động, hệ thống mở cửa
gara... Như vậy, bước đầu công nghệ cơ điện tử đã tạo ra nhiều sản phẩm mới
cũng như cung cấp một giải pháp tăng hiệu quả và tính năng của các máy móc


20

thơng dụng trong đời sống con người. Từ đó đến nay cơ điện tử có sự phát
triển khơng ngừng và đóng vai trị quan trọng trong khoa học cơng nghệ, nhất
là từ khi kỹ thuật vi xử lý ra đời vào những năm 1970. Mặc dù vậy khái niệm

cơ điện tử không được thể hiện một cách rõ ràng và nhất quán trong các tài
liệu cũng như trong cách hiểu của mọi người. Đã có khơng ít các cách hiểu
đơn giản như: Cơ điện tử là một hệ thống kỹ thuật có các thành phần cơ khí,
điện, điện tử, máy tính, các cụm cảm biến đo lường, các bộ phận điều khiển
và điều chỉnh … Một số lại hiểu sản phẩm cơ điện tử là một thiết bị có thêm
phần điều khiển điện tử và phần mềm thay thế một phần chức năng của phần
cơ khí trước đây. Cách hiểu này dẫn đến suy nghĩ rằng Cơ điện tử không có gì
mới mà chỉ đơn thuần là sự kết hợp các lĩnh vực khoa học cơng nghệ có sẵn.
Với các quan niệm như thế các chuyên gia trên thế giới đã đưa ra một số định
nghĩa khác nhau về Cơ điện tử:
Đầu tiên là định nghĩa của Yasakawa Electric Company được đưa vào
trong các tài liệu xin bảo hộ thương hiệu vào năm 1972: “Thuật ngữ
Mechatronics (Cơ điện tử) được tạo thành bởi từ “Mecha” trong Mechanism
(cơ cấu) và “Tronics” trong electronics (điện tử). Nói cách khác - cơng nghệ
và các sản phẩm phát triển sẽ ngày càng hợp nhất một cách mật thiết và hữu
cơ các thành phần điện tử vào trong các cơ cấu và rất khó có thể chỉ ra ranh
giới giữa chúng” [2, 4].
Việc tích hợp chặt chẽ và hữu cơ ngày càng nhiều các lĩnh vực chun
mơn khác nhau vào trong máy móc làm ta không biết đâu là điểm bắt đầu
cũng như điểm kết thúc của q trình tích hợp
Sự tiến bộ của cơng nghệ theo thời gian, nhất là sự phát triển của máy
tính làm cho định nghĩa Cơ điện tử thay đổi. Năm 1996 Harashima, Tomizuka
và Fukada (Nhật Bản) quan niệm “Cơ điện tử là sự tích hợp của kỹ thuật cơ