tài liệu hướng dẫn môn học cơ điện tử chọn lọc 2014

1


LỜI MỞ ĐẦU

Nhiệm vụ chuyên môn là phần công việc dành cho Sinh viên thực hiện ngoài giờ lên lớp,
đây là những kiến thức có quan hệ chặt chẽ đến môn học mà giảng viên yêu cầu sinh viên
phải tìm hiểu qua nhiều tài liệu tham khảo khác nhau để bổ trợ kiến thức cho bản thân.
Tất cả các câu hỏi, bài tập và nhiệm vụ được thực hiện trên một cuốn vở ghi chép riêng
ngoài vở ghi bài trên lớp và được kiểm tra đánh giá định kì.
Mỗi câu hỏi , bài tập hay nhiệm vụ chuyên môn được đánh số theo ký hiệu gồm 2 phần,
phần số bên ngoài dấu ngoặc vuông thể hiện vị trí câu hỏi, bài tập hay nhiệm vụ chuyên
môn thuộc chương, mục nào, phần số trong ngoặc vuông mô tả khối lượng qui đổi của
nhiệm vụ sang đơn vị là một bài tập thương.
Ví dụ: 1.2.3[2] có nghĩa là nhiệm vụ này là nhiệm vụ thứ 3 trong mục 1.2 và có khối
lượng qui đổi là 2 bài tập thường.
2


CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ
1.1 Câu hỏi lý thuyết:
1.1.1[1] Cơ điện tử là gì? Các thành phần cơ bản cấu thành khái niệm này?
1.1.2[1] Thế nào là một sản phẩm cơ điện tử, nêu các tiêu chí nhận biết. Thế nào là mức
độ tích hợp của một sản phẩm cơ điện tử, cho một vài ví dụ.
1.1.3[1] Trình bày cấu trúc nguyên lý của một sản phẩm Cơ điện tử dưới dạng sơ đồ
khối. Trình bày sự hình thành các nguồn tín hiệu trong sơ đồ trên và diễn giải quá trình
hoạt động của chúng (truyền đi và được xử lý như thế nào?)
1.1.4[1] Phân tích vị trí, vai trò chức năng của Hệ thống đo trong các hệ thống Cơ điện
tử? Các quá trình xử lý tín hiệu trong hệ thống đo.
1.1.5[1] Phân tích vị trí, vai trò chức năng của khối Cơ cấu chấp hành trong các hệ thống
Cơ điện tử? Phân tích rõ đặc điểm về mặt cấu trúc của khối Cơ cấu chấp hành.

1.1.6[1] Phân tích vị trí, vai trò chức năng của Bộ điều khiển trong các hệ thống Cơ điện
tử?
1.1.7[1] Phân tích đặc tính truyền động của một số bộ truyền động có tỉ số truyền xác
định. (Trình bày ít nhất 3 bộ truyền)
1.1.8[1] Phân tích đặc tính truyền động của một số bộ truyền động có tỉ số truyền không
xác định. (Trình bày ít nhất 3 bộ truyền)
1.1.9[1] Phân tích cấu trúc hệ thống phanh ABS?
1.1.10[1] Phân tích cấu trúc Hệ thống phun xăng điện tử?
1.1.11[1] Các chức năng của một hệ cơ điện tử gồm chức năng động học, chức năng
động lực học và chức năng cơ điện tử, hãy kể tên các bài toán cơ bản trong tổng hợp cấu
hình tương ứng của hệ cơ điện tử, nội dung hay những điểm cần đạt được trong các bài
toán đó.
1.1.12[1] Thông tin điều khiển toàn diện một hệ thống cơ điện tử được khởi tạo từ đâu,
được xử lý và gia công như thế nào trong hệ, cho ví dụ.
1.1.13[1] Thế nào là một tế bào của hệ thống sản xuất tự động linh hoạt, các tế bào của
hệ thống tương tác với nhau như thế nào?
1.1.14[1] So sánh các điểm căn bản của sản phẩm cơ điện tử với một sản phẩm cùng
chức năng khác nguyên lý hoạt động, sử dụng kiểu bảng liệt kê.
1.1.15[1] Khi nào một hệ thống chấp hành được coi là hệ servo, cơ sở để đảm bảo sự
chính xác trong thực hiện các nhiệm vụ công nghệ của một hệ servo và một hệ không
servo khác nhau như thế nào?
1.1.16[1] Thế nào là một tế bào sản xuất tự động linh hoạt, trong hai loại hình sản xuất là
trình độ Cơ điện tử và trình độ CIM thiết bị có gì khác nhau?
3

1.1.17[1] Một hệ Cơ điện tử có những chức năng gì, có những hình thức nào khởi tạo
thông tin điều khiển vận hành của hệ?
1.1.18[1] Nêu nhiệm vụ, mục đích của bài toán động học trong thiết kế và trong điều
khiển vận hành của một hệ cơ điện tử?
1.1.19[1] Nêu nhiệm vụ, mục đích của bài toán động lực học trong thiết kế và trong điều

khiển vận hành của một hệ cơ điện tử?
1.1.20[1] Giải thích cơ sở của việc rút gọn được kích thước, khối lượng và tăng cường
được năng lực công tác của truyền dẫn chấp hành trên máy CNC và trên máy vạn năng
cùng loại? (chẳng hạn truyền dẫn chính máy tiện vạn năng, truyền dẫn chính máy tiện
CNC)
1.1.21[1]Khi rút gọn truyền dẫn cơ khí của một dạng chấp hành truyền thống có sử dụng
hộp giảm tốc thành một thiết kế sử dụng truyền dẫn servo cần lưu ý những đặc điểm gì?
1.1.22[1] Trình bày cơ sở của việc điều khiển một hệ cơ điện tử với dự báo sớm nhằm
bảo vệ an toàn cho người và thiết bị?
1.1.23[1] Khi điều khiển một thiết bị Cơ điện tử như máy tiện CNC 2 trục người ta
không thiết lập bài toán động học thuận ngược như với một robot 2 trục, có gì giống và
khác nhau trong việc điều khiển hai thiết bị này?
1.1.24[1] Phân tích hệ thống điều khiển tốc độ quay động cơ bằng cơ cấu ly tâm như hình
vẽ?

Hình 1.1
1.1.25[1] Phân tích hệ thống điều khiển lái tự động của ô tô?

Hình vẽ 1.2

4

1.1.26[1] Phân tích hệ thống điều khiển số máy công cụ

Hình vẽ 1.3
1.1.27[1] Phân tích hệ thống điều khiển tuabin nồi hơi công nghiệp?

Hình 1.4
1.1.28[1] Vẽ sơ đồ khối thể hiện hệ thống hồi tiếp điều khiển tốc độ chuyển động ô tô.
Với hệ thống này, tốc độ chuyển động của ô tô luôn duy trì ở một tốc độ không đổi đặt

trước.
1.1.29[1] Hình vẽ 1.5 thể hiện một hệ thống điều khiển mức nướctrong thùng chứa do
người điều khiển bằng tay. Có thể xem đây là hệ thống điều khiển hồi tiếp mạch kín. Vẽ
sơ đồ khối của hệ thống điều khiển này.

Hình 1.5
5

1.1.30[1] Hình vẽ 1.6 và 1.7 mô tả hệ thống điều khiển tốc độ quay của đĩa CD. Hình 1.6
mô tả hệ thống điều khiển theo kiểu mạch hở. Hình 1.7 mô tả hệ thống điều khiển hồi
tiếp. Vẽ sơ đồ khối hệ thống điều khiển trong hai trường hợp trên.

Hình 1.6

Hình 1.7

1. 2 Bài tập-Nhiệm vụ chuyên môn

1.2.1[3] Lập quy trình thiết kế Robot cấp phôi tự động.
1.2.2[3] Lập quy trình thiết kế hệ thống cửa tự động
1.2.3[3] Lập quy trình thiết kế thang máy tự động
1.2.4[3] Lập quy trình thiết kế máy CNC 3 trục
1.2.5[3] Lập quy trình thiết kế hệ thống lưu trữ tự động



6


CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA CÁC HỆ VẬT LÝ

2.1. Câu hỏi lý thuyết
2.1.1[1] Mô hình nói chung được sử dụng như thế nào trong thiết kế, các mô hình thông
dụng và chức năng của nó trong các giai đoạn khác nhau của thiết kế sản phẩm.
2.1.2[1] Nêu một số nguyên mẫu của mô hình cơ hệ một bậc tự do trên thực tế, làm rõ
các giả thiết khi xây dựng mô hình này và vai trò của nó trong thiết kế động lực học hệ
chấp hành.
2.1.3[1] Sử dụng phương trình lagrange II xây dựng mô hình động lực học của cơ hệ một
bậc tự do, so sánh kết quả với phương pháp cân bằng lực (dựa vào điều kiện cân bằng và
nguyên lý cộng tác dụng của hệ tuyến tính). Cho kết luận về phương pháp hoặc lợi thế
của từng cách làm sau khi so sánh.
2.1.4[1] Những thay thế về mặt hình thức bằng hệ cùng bản chất và thay thế một hệ bằng
hệ khác bản chất trong thiết kế, cơ sở để đảm bảo sự tương thích trong việc làm này. Cho
ví dụ minh họa.
2.1.5[1] Các phương phương pháp xây dựng phương trình vi phân chuyển động cho các
hệ cơ học? Viết phương trình Lagrange loại 2. Trình bày các bước xây dựng phương
trình vi phân chuyển động của cơ hệ với phương trình Lagrange loại 2.
2.1.6[1] Viết phương trình Lagrange dạng nhân tử. Trình bày các bước xây dựng
phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ với phương trình Lagrange dạng nhân tử.
Khi nào dùng phương trình Lagrange loại 2 và khi nào dùng dạng nhân tử?
2.1.7[1] Hãy thiết lập các phương trình Newton – Euler đối với hệ p vật rắn. Đưa
phương trình về dạng tối giản.

(
)
(
)
,,,
az
Mqtqgqqtff
+=+

&&&

Áp dụng: Thiết lập các phương trình Newton – Euler cho hệ p vật rắn phẳng chịu liên kết
hônônôm, giữ và dừng.
2.1.8[1] Trình bày phương pháp Newton – Euler xác định các phản lực liên kết qua một
thí dụ.
2.1.9[1] Trình bày mô hình quan hệ vận tốc ngõ vào, ngõ ra trong hệ điều khiển nhiều
trục chấp hành.
2.1.10[1] Ứng dụng của mô hình cơ hệ hai bậc tự do trong thiết kế, vận dụng phương
trình lagrange II xây dựng mô hình toán cho hệ này.
2.1.11[1] Trình bày mô hình của lò xo đơn (trụ, bước không đổi) trong hệ quy chiếu gắn
với nó và trong hệ quy chiếu cơ sở tạo với hệ quy chiếu của lò xo góc
a
.
2.1.12[1] Trình bày mô hình tính toán động năng, thế năng, quán tính, ma sát, lực ly
tâm, công, công suất tương ứng với chuyển động tịnh tiến và quay của vật thể.
7

2.1.13[1] Phương pháp khảo sát động học hệ nhiều vật, trình bày các nguyên tắc căn bản
và trình tự xây dựng hệ phương trình động học đặc trưng.
2.1.14[1] Mô hình độ cứng của hệ hai lò xo mắc nối tiếp, các tính chất của mô hình này,
cơ sở của sự tương tự giữa phần tử lò xo tuyến tính và phần tử thanh chịu kéo nén đúng
tâm.
2.1.15[1] Trình bày mô hình độ cứng của thanh chịu uốn phẳng thuần túy, mô hình độ
cứng của dầm chịu lực tổng quát trong hệ quy chiếu chung.
2.1.16[1] Trình bày các bước mô hình hóa cơ hệ vật rắn bằng Phương trình Lagrange
loại II.
2.1.17[1] Trình bày mô hình quan hệ lực ngõ vào, ngõ ra trong hệ điều khiển nhiều trục
chấp hành.
2.1.18[1] Trình bày điều kiện để thay thế một mô hình bằng một mô hình đồng dạng với

nó, cho ví dụ?
2.1.19[1] Trình bày điều kiện để thay thế một mô hình bằng một mô hình tương tự với
nó, cho ví dụ?
2.1.20[1] Tọa độ suy rộng, hệ quy chiếu suy rộng là gì, có những quy tắc nào để xác lập
tọa độ suy rộng, chúng có vai trò như thế nào trong điều khiển hệ cơ điện tử, giải thích
khái niệm hệ dư dẫn động và hệ dư chấp hành, ứng dụng của các hệ đó?
2.1.21[1] Việc lựa chọn phương pháp năng lượng hay phương pháp lực để giải quyết vấn
đề mô hình hóa một bài toán cụ thể căn cứ trên những dấu hiệu nào?
2.1.22[1] Phân tích những sai sót về mặt phương pháp thường gặp khi mô hình hóa hệ
nhiều vật theo phương pháp lý thuyết?
2.1.23[1] Phân tích những sai sót về mặt phương pháp thường gặp khi mô hình hóa hệ
nhiều vật theo phương pháp lý thuyết?
2.1.24[1] Trình bày quan hệ giữa mô hình động học và mô hình động lực học của một hệ
cơ điện tử?
2.1.25[1] Trình bày quan hệ giữa mô hình động học và mô hình điều khiển của hệ cơ
điện tử?
2.1.26[1] Lấy ví dụ minh họa về việc sử dụng mô hình đồng dạng trong thiết kế máy,
phân tích các chỉ tiêu được đảm bảo qua ví dụ đó?

2.2. Hướng dẫn bài tập
2.2.1 Mô hình hóa hệ cơ học vật rắn
A. Khái quát
Có hai nhóm phương pháp hay dùng để thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho
các hệ cơ học vật rắn:
8

- Nhóm phương pháp véc tơ: dựa vào các phương trình cân bằng véctơ để thiết lập
phương trình, ví dụ như phương pháp lực, phương pháp D’Alembert, các định lý biến
thiên động lượng, mô men động lượng,…
- Nhóm phương pháp năng lượng: dựa vào các mối quan hệ hình học, động học, động lực

học giữa các phần tử trong hệ thống để xác định các đại lượng vô hướng như động năng
của hệ, thế năng, năng lượng hao tán từ đó kết hợp với các định lý cơ học để thiết lập
phương trình và xây dựng thành phương trình tổng quát để áp dụng. Ví dụ như phương
trình Lagrange loại 2, phương trình Hamilton, các định lý biến thiên động năng, cơ
năng,…
B. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho hệ cơ học vật rắn bằng phương
trình Lagrange loại 2
Các bước tiến hành như sau:
Bước 1 Phân tích hệ và chọn tọa độ suy rộng
Cần phân tích được ba yếu tố:
- Số bậc tự do của cơ hệ: là số di chuyển độc lập tối thiểu mà hệ có thể thực hiện được.
- Phân tích chuyển động của từng phần tử trong hệ.
- Phân tích ngoại lực tác dụng lên hệ.
Từ đó đưa ra quyết định chọn tọa độ suy rộng mô tả chuyển động của hệ.
Bước 2 Xây dựng biểu thức tính động năng cho hệ
Động năng toàn hệ được tính theo công thức:

1
n
i
TT
=
å
, trong đó n là số phần tử trong hệ.
Dựa vào các bước phân tích ở bước một để tính động năng
i
T
của từng phần tử trong hệ.
- Nếu phần tử thứ i chuyển động tịnh tiến ta có công thức tính động năng như sau:

22
11
22
iii
Tmvmx
==
&

Trong đó
i
v
là vận tốc dài của phần tử thứ i đang xét, nếu chuyển vị của phần tử này là
i
x
thì
ii
vx
=
&
.
- Nếu phần tử thứ i chuyển động quay ta có công thức tính động năng như sau:
9


22
11
22
iiiii
TJJ
wj

==
&

Trong đó
i
w
là vận tốc góc của phần tử thứ i đang xét, nếu chuyển vị góc của phần tử
này là
i
j
thì
ii
wj
=
&
.
- Nếu phần tử thứ i chuyển động song phẳng ta có công thức tính động năng như sau:

2222
1111
2222
iiiiiii
TmvJmxJ
wj
=+=+
&
&

Sau khi thiết lập xong biểu thức thế năng phải rút gọn về dạng hàm của các tọa độ suy
rộng, loại bỏ bớt các tọa độ suy rộng phụ thuộc:

(
)
Tf
=
q
&

Bước 3 Xây dựng biểu thức tính năng lượng cản
Trong các tính toán cơ học lực cản thường được tính tỷ lệ tuyến tính bậc nhất với vận tốc
chuyển động:

c
Fbvbx
=×=×
&

Trong đó hệ số cản b được xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào môi trường
chuyển động.
Từ đó năng lượng cản được tính toán theo công thức:

00
22
11
22
c
vv
Fdvbvdvbvbx
F==-==
òò
&

Bước 4 Xây dựng biểu thức tính thế năng
Thế năng được định nghĩa là công của lực có thế để di chuyển vật từ vị trí đang xét về
gốc thế năng.
- Thế năng trọng lực:

mgh
P=±

Trong đó m là khối lượng vật thể, g là gia tốc trọng trường, h là chiều cao thế năng. Dấu
±
được xác định dựa vào vị trí chọn gốc thế năng.
- Thế năng đàn hồi của lò xo:

00
2
1
2
dh
xx
Fdxkxdxkx
P==-=
òò

Trong đó k là hệ số đàn hồi của lò xo, x là tổng biến dạng của lò xo.
10

Bc 5 Xỏc nh cỏc lc suy rng khụng th
Ngoi lc (khụng th) tỏc dng gõy ra chuyn v theo ta no s l lc suy rng theo
ta ú.

Bc 6 Thit lp phng trỡnh
Thay cỏc i lng sau khi ó thc hin cỏc tớnh toỏn trung gian vo phng trỡnh
Lagrange loi 2 tng quỏt ta c phng trỡnh vi phõn chuyn ng ca h.

q
dTT
Q
dtqqqq
*
ổử
ảảảFảP
-= +
ỗữ
ảảảả
ốứ
&&

C. Cỏc vớ d ỏp dng
Vớ d 1.1 Thit lp phng trỡnh vi phõn chuyn ng cho c h sau:




-Xột vt th khi lng m dao ng theo phng ngang. C h 1 bc t do.
- Chn ta x theo phng dao ng ca vt, gc ti v trớ lũ xo khụng dón, chiu
dng nh hỡnh v.
- Biu thc ng nng:
2
1
2

Tmx
=
&

- Biu thc th nng:
()
2
2
1010
11
22
lxlx
cxcxut
P=P+P=+ộ-ự
ởỷ

- Cụng hao tỏn:
2
1
2
bx
F=
&

- Lc suy rng:
0
x
Q
*
=

Phng trỡnh Lagrange tng quỏt cú dng:

x
dTT
Q
dtxxxx
*
ảảảFảP
ổử
-= +
ỗữ
ảảảả
ốứ
&&

Ta cú:
m

11


()
10
;;0
,
TdTT
mxmx
xdtxx
cxcxutbx

xy
ảảả
ổử
===
ỗữ
ảảả
ốứ
ảPảF
=+ộ-ự=
ởỷ
ảả
&&&
&&
&
&

Do ú ta cú phng trỡnh vi phõn chuyn ng ca c h nh sau:

(
)
10
0
mxbxcxcxut
+++ộ-ự=
ởỷ
&&&

Hay

00

sin
mxbxcxcut
++=W
&&&

Trong ú
10
ccc
=+

Vớ d 1.2 Thit lp phng trỡnh vi phõn chuyn ng cho h truyn ng sau:




C h 2 bc t do.
Phõn tớch chuyn ng: ng c 1, bỏnh rng 2,3 v ti 4 u chuyn ng quay.
Ngoi lc tỏc dng:
1
,
dcc
MMb
j
=
&
.
Chn ta suy rng:
{
}
14

,
jj
.
Biu thc ng nng c h:
2222
123411223344
1111
2222
TTTTTJJJJ
jjjj
=+++=+++
&&&&

Cỏc quan h ng hc:

21
22
321
33
RR
RR
jj
jjj
=
==
&&
&&&

Do ú:

22
2
123144
3
11
22
R
TJJJJ
R
jj
ộự
ổử
=+++
ờỳ
ỗữ
ốứ
ởỷ
&&

12

Nng lng cn:

2
1
1
2
b
j
F=

&

Th nng:

2
2
41
3
1
2
R
c
R
jj
ổử
P=-
ỗữ
ốứ

Lc suy rng khụng th:

14
**
,0
dc
QMQ
jj
==

Phng trỡnh Lagrange II cú dng:

i
q
iiii
dTT
Q
dtqqqq
*
ổử
ảảảFảP
-= +
ỗữ
ảảảả
ốứ
&&

Ta cú:

22
22
12311231
13131
4444
444
1
14
;;0
;;0
;0
TRdTRT

JJJJJJ
RdtR
TdTT
JJ
dt
b
jj
jjj
jj
jjj
j
jj
ộựộự
ổửổử
ổử
ảảả
ờỳờỳ
=++=++=
ỗữỗữ
ỗữ
ảảả
ờỳờỳ
ốứ
ốứốứ
ởỷởỷ
ổử
ảảả
===
ỗữ
ảảả

ốứ
ảFảF
==
ảả
&&&
&&
&&&
&&
&
&&



22
41
133
2
41
43
RR
c
RR
R
c
R
jj
j
jj
j
ổử

ảP
=
ỗữ
ả
ốứ
ổử
ảP
=-
ỗữ
ả
ốứ

Vy ta cú phng trỡnh vi phõn mụ t chuyn ng ca h nh sau:

2
222
1231141
333
2
4441
3
0
dc
RRR
JJJbcM
RRR
R
Jc
R
jjjj

jjj
ộự
ổửổử
ờỳ
+++ =
ỗữỗữ
ờỳ
ốứốứ
ởỷ
ổử
+-=
ỗữ
ốứ
&&&
&

13

2.1.3 Bài tập - Nhiệm vụ chuyên môn
2.1.3.1[1] Tại sao động năng của hệ có thể cộng tuyến tính theo công thức
1
n
i
TT
=
å
?
2.1.3.2[1] Suy luận lý do tại sao lực cản là hàm tuyến tính bậc nhất theo vận tốc?
2.1.3.3[1]Mô hình dao động của hệ chịu kích động bởi khối lượng lệch tâm cho trên hình
1. Roto có khối lượng lệch tâm

1
m
, quay đều với vận tốc góc
W
.

Hình 2.1 Mô hình khối lượng lệch tâm
Thiết lập phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ.
2.1.3.4[1] Xét mô hình dao động hai bậc tự do như hình vẽ. Trong đó
12
,
uu
là các kích
động ngoài.

Thiết lập phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ.
2.1.3.5[1]Cho mô hình con lắc đàn hồi như hình vẽ, khối lượng con lắc là
m
. Lò xo treo
có độ cứng
k
, chiều dài tự nhiên là
0
l
. Hệ chịu mô men cản và lực cản tỷ lệ bậc nhất với
vận tốc, các hệ số cản lần lượt là
1
b
và
2

b
.
2.1.3.6[1]Cho cơ hệ hai bậc tự do chuyển động như
trên hình vẽ. Chọn vị trí cân bằng tại vị trí lò xo không
giãn.
Hãy thiết lập phương trình vi phân chuyển động của
hệ bằng phương pháp Lagrang II.
b

k

14

2.1.3.7[1] Máy đo gia tốc trên băng thử động cơ tên lửa gồm đế gắn động cơ, có khả
năng trượt dọc theo băng dẫn hướng. Nếu
tổng khối lượng của đế là
1
m
, khối lượng
của gia tốc kế là
2
m
, độ cứng của lò xo là
k và hệ số giảm chấn là b thì chuyển vị
1
x

và
2
x

phản ánh lực đẩy
(
)
ft
của động cơ.
Bỏ qua ma sát giữa đế và băng trượt. Hãy
thiết lập mô hình toán mô tả mối quan hệ
trên.

2.1.3.8[1] Bộ ly hợp đĩa thường được sử
dụng trong các ứng dụng truyền động của
ôtô để truyền năng lượng từ động cơ đến các
bánh xe dẫn động được mô hình hóa dưới
dạng cơ học như hình vẽ. Hệ số đàn hồi xoắn
của khớp nối trục động cơ là k. Tổng mômen
quán tính khớp nối và bánh đà là
1
J
, mô
men quán tính bánh dẫn động là
2
J
, hệ số
cản trên ly hợp ma sát là b. Mômen quán tính trục động cơ là J. Đầu vào của bộ ly hợp là
mô men xoắn =
inñc
TM
,
1
in

qj
=
&
&
vận tốc quay trục động cơ và đầu ra là vận tốc
2
out
qj
=
&
&
,
mô men tải =
outt
TM
. Hãy thiết lập mô hình toán mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng
trên (chọn tọa độ suy rộng
{
}
12
,
q
jj
=
.
2.1.3.9[1] Một cổ tay robot được dẫn động nhờ động cơ 1 chiều điều khiển bằng dòng
điện phần ứng thông qua cánh tay. Mômen dẫn động quy đổi là
ñc
M
. Cánh tay là khâu

mềm, được biểu diễn bằng hệ lò xo, giảm chấn xoắn với độ cứng k và hệ số giảm chấn b.
1
J
và
2
J
là mô men quán tính của cánh tay và cổ tay. Tín hiệu vào là mô men quy đổi của
động cơ, tín hiệu ra là góc quay
j
2
của cổ tay. Thiết lập mô hình toán học mô tả quan hệ
giữa hai đại lượng này.




15

2.1.3.10[1] Cho mô hình một hệ dẫn động trong nước như hình vẽ. Trục quay có độ cứng
xoắn k, tổng mô men quán tính bánh đà và trục động cơ là
1
J
, trục quay và cánh quạt có
tổng mô men quán tính là
2
J
. Hệ số
cản của nước với cánh quạt là b. Đầu
vào hệ dẫn động là mô men
qj

==
&
&
1
,
inñcin
TM và đầu ra là tốc độ
quay trục đỡ
2
out
qj
=
&
&
. Hãy thiết lập mô
hình toán học mô tả mối quan hệ giữa
hai đại lượng trên (chọn tọa độ suy
rộng
{
}
12
,
q
jj
=
.
2.1.3.11[4] Cho mô hình hệ thống giảm chấn như hình vẽ.
a. Thiết lập mô hình toán học mô tả chuyển động của hệ thống.
b. Giải phương trình vi phân thu được bằng phương pháp giải tích,
tính chọn các hệ số k và b sao cho hệ dao động với biên độ lớn nhất

bằng 5cm và tần số f=0.5Hz.
c. Lập chương trình tính toán trên Matlab để mô phỏng kết quả lựa
chọn được ở ý (b) dưới dạng bảng số và đồ thị. Các kết quả mô
phỏng tính toán trong hai chu kỳ.

16

2.2 Mô hình hóa hệ điện
2.2.1 Cơ sở lý thuyết
Để có thể thiết lập được các phương trình vi phân mô tả hệ điện ta căn cứ vào các mối
quan hệ của các phần tử, các định luật chuyên biệt của hệ điện.
Các mối quan hệ giữa các đại lượng và các phần tử được thể hiện như sau:
- Mô tả điện trở (R: resistor)

Quan hệ điện áp – dòng điện:
(
)
(
)
utRit
=
(Định luật Ôm)
Quan hệ dòng điện – điện áp:
() ()
1
itut
R
=
Quan hệ điện áp – điện tích:
()

(
)
dqt
utR
dt
=
Tính trở kháng:
( )
(
)
( )
US
ZSR
IS
==

Điện dẫn:
(
)
( )
1
IS
G
USR
==

- Mô tả điện cảm (L: Inductor)

Quan hệ điện áp – dòng điện:
()

(
)
dit
utL
dt
=
Quan hệ dòng điện – điện áp:
() ()
0
1
t
itutdt
L
=
ò

Quan hệ điện áp – điện tích:
()
(
)
2
2
dqt
utL
dt
=
Tính trở kháng:
( )
(
)

( )
US
ZSLS
IS
==×

Điện dẫn:
(
)
( )
1
IS
USLS
=
×

- Mô tả tụ điện: (C: Capacitor)
17


Quan hệ điện áp – dòng điện:
()
0
1
t
utidt
C
=
ò

Quan hệ dòng điện – điện áp:
()
(
)
dut
itC
dt
=
Quan hệ điện áp – điện tích:
() ()
1
utqt
C
=
Tính trở kháng:
( )
(
)
( )
1
US
ZS
ISCS
==
×

Điện dẫn:
(
)
( )

IS
CS
US
=×

Các định luật chuyên biệt
Định luật Kirchhoff 1 (Định luật Kirchhoff về dòng điện – Kirchhoff’s Current Law,
KCL)
Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không:
0
i
=
å
, trong đó thường quy ước các
dòng điện có chiều đi tới nút mang dấu dương, và các dòng điện có chiều rời khỏi nút thì
mang dấu âm.


1224
0
iiiii
=+ =
å

Đây thực chất là hệ quả của định luật bảo toàn điện tích (điện tích tại một nút không tự
sinh ra và cũng không bị mất đi).
Định luật Kirchhoff 2 (Định luật Kirchhoff về điện áp – Kirchhoff’s Volt Law, KVL)
Tổng đại số hiệu điện thế của các nhánh theo một vòng kín bằng không.
Hoặc: đi theo một vòng khép kín, theo một chiều dương tùy ý, tổng đại số các điện áp rơi
trên các phần tử R, L, C bằng tổng đại số các sức điện động có trong vòng; trong đó

những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều dương của vòng sẽ mang dấu
dương, ngược lại mang dấu âm.
18

Định luật kirchhoff 2 thực chất là hệ quả của nguyên lý bảo toàn năng lượng: công trong
một đường cong kín bằng không.


11223344432
RiRiRiRieee
+-+=

2.2.2 Bài tập mẫu
Ví dụ 2.1 Phương trình mô tả mạch dao động LC

Mạch dao động LC
Xét một mạch điện như trên hình vẽ. Tụ điện có điện dung C, cuộn cảm có độ tự cảm L,
điện trở không đáng kể. Khi nối mạch chỉ có tụ với một nguồn điện, tụ điện sẽ nạp điện
tích. Điện tích qua tụ q sẽ tăng từ 0 đến giá trị cực đại thì tụ C không tích điện nữa. Bỏ
nguồn ra và nối C với nhánh chứa cuộn cảm có độ tự cảm L, tạo thành một mạch kín gọi
là mạch dao động LC. Khi đó, tụ C phóng nạp liên tục và cuộn cảm cũng xuất hiện dòng
điện cảm ứng biến thiên điều hòa tạo thành dao động của mạch. Ta thiết lập phương trình
vi phân cho mạch như sau:
Điện áp giữa hai bản tụ:
() ()
1
C
utqt
C
=

19

Điện áp giữa hai đầu cuộn cảm:
()
(
)
2
2
L
dqt
utL
dt
=
Theo định luật Kirchhoff 2 ta có:

(
)
(
)
0
LC
utut
+=

Do đó ta thu được phương trình:

1
0
Lqq
C

+=
&&

Hay:
1
0
qq
LC
+=
&&

Đặt
1
LC
w
= ta đưa (1.11) về dạng:

2
0
qq
w
+=
&&

Phương trình trên là phương trình vi phân mô tả dao động của mạch LC.
Ví dụ 2.2 Phương trình của hồ quang trong mạch RLC
Hồ quang là một đoạn mạch không tuân theo định luật Ôm, khi hai điện cực chạm nhau,
vật chất của điện cực ỏ phần tiếp xúc bị nóng chảy và bốc hơi, hơi đó dẫn điện cháy sáng
và cháy duy trì khi hai điện cực được giữ ở một khoảng cách nhất định, ta có hồ quang.
Sơ đồ mạch như hình vẽ.

Sơ đồ mạch hồ quang
Trong đó,
L
ii
=
,
C
uu
=
, E là suất điện động của nguồn, L là độ từ cảm, R là trở kháng,
(
)
iv
y
=
là cung vôn (là đoạn mạch không tuân theo định luật Ôm). Giả thiết dòng điện
20

hồ quang là hàm của điện áp, tức là bỏ qua quán tính của quá trình ion hóa. Thiết lập
phương trình vi phân mô tả hoạt động của mạch.
Lời giải
Áp dụng định luật Kirchhoff 1 và 2 cho mạch ta nhận được các phương trình sau:

(
)
0
0
L
RCL

uiu
iii
y
ì
+-=
ï
í
=
ï
î

Ta có:

L
di
uL
dt
= ,
R
Eu
i
R
-
= ,
C
du
iC
dt
=
Do đó ta có phương trình vi phân mô tả mạch như sau:

()
di
Lui
dt
duEu
Ci
dtR
y
ì
=-
ï
ï
í
-
ï
=-
ï
î

2.2.3 Bài tập - Nhiệm vụ chuyên môn
2.2.3.1[1] Xét sơ đồ mạch điện R, L, C mắc song song như hình vẽ dưới đây:

Mạch RLC mắc song song
Thiết lập phương trình mô tả hoạt động trong mạch.
2.2.3.2[1] Trình bày quan hệ tương tự giữa các phần tử của hệ điện và các phần tử thuộc
hệ cơ?
2.2.3.3[1] Xác định mạch điện có đặc tính dao động tương tự với hệ giảm chấn?
2.2.3.4[1] Thiết lập phương trình vi phân mô tả hoạt động của mạch có sơ đồ như sau

2.2.3.5[4] Cho mô hình mạch tạo dao động như hình vẽ.
21

a. Thiết lập mô hình toán học mô tả chuyển động của hệ
thống.
b. Giải phương trình vi phân thu được bằng phương pháp
giải tích, tính chọn các hệ số L và C sao cho hệ dao động
với biên độ lớn nhất bằng 5A và tần số f=50Hz.
c. Lập chương trình tính toán trên Matlab để mô phỏng kết
quả lựa chọn được ở ý (b) dưới dạng bảng số và đồ thị. Các
kết quả mô phỏng tính toán trong hai chu kỳ.


2.3 Mô hình hóa hệ nhiều vật

2.3.1[4] Cho sơ đồ tay máy như hình vẽ
a. Thiết lập mô hình động học cho tay máy
b. Xác định vận tốc góc và ma trận Jacobian quay cho
từng khâu
c. Xác định vận tốc tịnh tiến và ma trận Jacobian tịnh tiến
cho từng khâu
d. Tính thế năng các khâu biết khối tâm khau Ci nằm giữa
khâu i.
2.3.2[4] Cho sơ đồ tay máy như hình vẽ
a. Thiết lập mô hình động học cho tay máy
b. Xác định vận tốc góc và ma trận Jacobian quay cho từng khâu
c. Xác định vận tốc tịnh tiến và ma trận Jacobian tịnh tiến cho
từng khâu.
d. Tính thế năng các khâu biết khối tâm khau Ci nằm giữa khâu i.

2.3.3 [3]
Lập chương trình Maple tự động tính toán các ma trận thuần nhất cho từng khâu của tay
máy với đầu vào là các tham số trong bảng DH.
d
1
a
2
O
1
z
0
x
0
O
1
x
1
z
1
z
2
x
2
O
2
O
3
z
3
x

3
d
3
22

CHƯƠNG III CƠ CẤU CHẤP HÀNH
3.1 Câu hỏi ôn tập lý thuyết
3.1.1[1] Thế nào là cơ cấu chấp hành, cơ cấu chấp hành hoạt động dựa trên những
nguyên lý cơ bản nào, nó làm việc với những kiểu tín hiệu nào?
3.1.2[1] Kết cấu, ký hiệu, nguyên lý làm việc và ưu nhược điểm của van solenoid, dạng
tín hiệu giao tiếp của nó với thiết bị khác của hệ thống.
3.1.3[1] Kết cấu, ký hiệu, nguyên lý làm việc và ưu nhược điểm của van servo, dạng tín
hiệu giao tiếp của nó với thiết bị khác của hệ thống. So sánh ưu nhược điểm của van
servo dùng vòi phun bản chắn và kiểu sử dụng vòi phun ống thu. Phân tích yếu tố tạo ra
độ nhạy với tín hiệu phát động ở kiểu van nhiều cấp.
3.1.4[1] Kết cấu, ký hiệu, nguyên lý làm việc và ưu nhược điểm của van tỉ lệ, dạng tín
hiệu giao tiếp của nó với thiết bị khác của hệ thống. Sự khác nhau của cuộn cảm tỉ lệ và
ống dây solenoid.
3.1.5[1] Trình bày cơ cấu điều khiển thủy lực dạng servo chuyển động tịnh tiến với liên
hệ ngược cơ khí, mô tả một chu kì làm việc điển hình của thiết bị. So sánh với thiết bị
cùng kiểu sử dụng phản hồi điện.
3.1.6[1] Trình bày cơ cấu điều khiển thủy lực dạng servo chuyển động quay với liên hệ
ngược cơ khí, mô tả một chu kì làm việc điển hình của thiết bị, cho ví dụ ứng dụng. So
sánh với thiết bị cùng kiểu sử dụng phản hồi điện.
3.1.7[1] Động cơ bước? Nguyên lý hoạt động cơ bản? Có những loại nào? Nêu đặc điểm
và các đặc tính cơ bản của động cơ bước?
3.1.8[1] Thế nào là một hệ thống servo, một hệ thống servo có thể có những kiểu liên hệ
ngược nào?
3.1.9[1] Trình bày kết cấu, nguyên lý làm việc của hệ thống trợ lực lái servo, làm rõ tính
chất của liên hệ ngược trong cơ cấu này.

3.1.10[1] Phân biệt sự khác nhau căn bản giữa động cơ bước và động cơ servo trên các
phương diện sau: Nguyên lý và kết cấu, ưu nhược điểm cơ bản, phạm vi ứng dụng.
3.1.11[1] Trình bày các hiện tượng từ giảo, điện giảo, áp điện, lưu biến từ và mô tả ứng
dụng trong vai trò cơ cấu dẫn động hoặc cảm biến.
3.1.12[1] Thế nào là một hệ servo? Trình bày nguyên lý làm việc của van servo kiểu vòi
phun ống thu, phương pháp xử lý thứ nguyên giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi khi
điều khiển loại van này ?
3.1.13[1] Thế nào là một hệ servo? Trình bày nguyên lý làm việc của van servo kiểu vòi
phun bản chắn, phương pháp xử lý thứ nguyên giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi khi
điều khiển loại van này.

23

3.2 Bài tập-Nhiệm vụ chuyên môn

3.2.1[2] Trong van tỉ lệ, độ nhạy điều khiển xác định thế nào, giải pháp duy trì độ nhạy
điều khiển với các động cơ công suất lớn?
3.1.2[2] So sánh số lần gia công năng lượng ở van tỉ lệ và van servo, trạng thái trung gian
ở các van này được xác lập bằng cách nào?
3.1.3[2] Mô hình hàm truyền của van servo với chuyển động quay và chuyển động tịnh
tiến?
3.1.4[2] Trình bày sơ đồ bàn dao chép hình thủy lực với phản hồi điện? Sơ đồ phản hồi
chép hình thủy lực phản hồi chuyển vị cho trước.
3.1.5[2] Trình bày kết cấu, hoạt động của hệ trợ lực lái dùng nguồn thủy lực và nguồn
động cơ điện, ưu điểm của từng loại.
3.1.6[2] Thiết kế một ứng dụng cơ điện tử sử dụng cơ cấu chấp hành là van 5/2?

24

CHƯƠNG IV CẢM BIẾN VÀ ĐO LƯỜNG

4.1 Câu hỏi lý thuyết

4.1.1[1] Nêu cấu tạo của đĩa thước vạch chia trong hệ thống đo dịch chuyển kiểu số - gia
số? Ứng dụng của đo dịch chuyển kiểu đo gia số và đo tuyệt đối?
4.1.2[1] Hiện tượng áp điện và từ giảo? Hiệu ứng vật lý của cơ cấu dẫn động áp điện và
của cơ cấu dẫn động từ giảo?
4.1.3[1] Biểu diễn sơ đồ nguyên lý hoạt động của một sản phẩm Cơ điện tử? Căn cứ vào
đó xác định các quá trình xử lý tín hiệu của hệ thống đo (tại sao phải có các quá trình đó?
bản chất của các quá trình đó là gì?).
4.1.4[1] Tín hiệu là gì? Phân loại tín hiệu.
4.1.5[1] Phân biệt phương pháp đo tương tự và phương pháp đo số? Trình bày cấu tạo
của hệ thống đo quang điện (Encoder)?
4.1.6[1] Cảm biến là gì, trình bày các thông số đặc trưng của cảm biến như độ chính xác,
độ chính xác lặp lại, độ phân giải, độ nhạy.

4.1.7[1] Nguyên tắc nhận biết chiều tiến và lùi trên encoder đo góc dựa trên nguyên lý
quang học, vai trò của các chuỗi xung A, B, K.
4.1.8[1] Thế nào là mức độ tích hợp của cảm biến, cho ví dụ minh họa.
4.1.9[1] Trình bày nguyên lý do dịch chuyển thẳng bằng encoder gia số quang, kết cấu và
chức năng các bộ phận của cảm biến này?
4.1.10[1] Trình bày nguyên lý đo dịch chuyển góc bằng encoder tuyệt đối quang, kết cấu
và chức năng của các bộ phận trong cảm biến này.

4.2 Bài tập-Nhiệm vụ chuyên môn

4.2.1[2] Giả sử đại lượng A không có cảm biến đo trực tiếp và có biểu thức giải tích: A =
f(a,b,c e), trong đó các đại lượng a, b, c, e cùng hoặc khác thứ nguyên được cung cấp
bởi các cảm biến độc lập, hãy xác định độ chính xác của các cảm biến đó để đáp ứng độ
chính xác phép đo A biết trước?
4.2.2[2] Trình bày một giải pháp cơ điện tử đo góc xoắn bánh răng trụ bám sát theo tạo
hình của răng?




25

CHƯƠNG V CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN

5.1 Câu hỏi ôn tập lý thuyết

5.1.1[1] Vi xử lý? Các thành phần của vi xử lý? Chức năng của CPU?
5.1.2[1] PLC? Vai trò của PLC? Nêu ưu/ nhược điểm của PLC?
5.1.3[1] Các tập lệnh thường dùng trong việc lập trình vi xử lý? Ý nghĩa từng loại?
5.1.4[1] Ưu điểm của PLC so với các bộ điều khiển role, so với vi xử lý

5.2 Bài tập mẫu
Ví dụ 1
Viết sơ đồ sử dụng khởi động từ khởi động Thuận, Ngược cho cho tay máy công nghiệp
sử dụng động cơ ba pha và nêu nguyên lý hoạt động.
- Mạch lực là mạch cấp nguồn cho động cơ ba pha, động cơ ba pha rotor lồng sóc
gồm ba cuộn dây mắc vào ba pha của nguồn điện.
- Nguyên tắc đảo chiều của động cơ ba pha là ta chỉ cần đảo thứ tự 2 trong ba pha đặt
vào cuộn dây stator
- Mạch điều khiển có thể sử dụng nguồn điện khác sao cho đảm bảo an toàn cho
người vận hành

- Nguyên lý hoạt động
Khi ta nhấn nút KĐT (Khởi động thuân) mạch điện qua khởi động từ thuận KT được
khép kín, KT có điện sẽ hút các tiếp điểm thường đóng khi đó sẽ cấp điện cho cho động
cơ quay thuận. Đồng thời tiếp điểm T1 đóng lại duy trì cho mạch điện khi ta nhả tay ra
Khi ta nhấn nút KĐN (Khởi động thuận) mạch qua KT hở mạch làm khởi động thận mất
điện, đồng thời KN có điện sẽ làm cho động cơ quay ngược. Cùng lúc ấy tiếp điểm duy
trì N1 đóng lại tự duy trì