Hệ thống cơ điện tử

Nhóm 1
Nội dung1:
- Các thành phần cơ bản của
hệ thống cơ điện tử.
- Mô hình hóa hệ vật lí.
- Cơ cấu đóng mở điện cơ

Hệ thống cơ điện tử
Design: N1 – HTCĐT – K54M
Các thành phần cơ bản của hệ
thống cơ điện tử
+ Mô hình hệ vật lí.
+ Cảm biến và cơ cấu chấp hành
+ Tín hiệu và hệ thống
+ Máy tính và hệ logic
+ Phần mềm và thu thập dữ liệu
Mô hình hóa hệ vật lí
-
Các mô hình là: là sự mô tả có định hướng về mục tiêu và chức
năng hoặc phản ánh các quan hệ cơ bản của vấn đề khảo sát.

VD: các mô hình toán học (phương tình vi phân, hàm truyền, phương
trình đạo hàm riêng), mô hình số, mô hình thống kê…

-
Vai trò của việc mô hình hóa:
+ Thể hiện và truyền thông: mô hình để thể hiện các ý tưởng, các giả định, các
yêu cầu bằng tài liệu và cho phép truyền đạt các ý tưởng đó tới những người khác trong
nhóm thiết kế và các nhà đầu tư khác nhau của quá trình thiết kế.

+ Cấu trúc thứ bậc: mô hình cung cấp một cấu trúc theo thứ bậc cho phép phân
chia công việc trong quá trình thiết kế và cho phép làm việc đồng thời trên các phần
riêng rẽ.
+ Sự hiểu biết: mô hình cho phép chúng ta hiểu rõ đáp ứng của một hệ thống mà
nó có thể bị che khuất khi chúng ta cứ cố gắng tìm hiểu đáp ứng về hệ thống thật của
nó.
+ Sự tương tự: mô hình cho phép chúng ta nắm được sự tương tự của nó với các
hệ khác và sử dụng kinh nghiệm trước đó để giúp giải quyết các vấn đề hiện tại
+ Sự thiếu hiểu biết: các mô hình đưa ra cách nhận diện và kiểm tra thiếu hiểu biết
của chúng ta về các đáp ứng thực tế của hệ bằng cách xác định các tham số chưa biết và
cung cấp các giả thuyết thử phù hợp.

- Mô hình hóa hệ vật lí: là một công việc mô tả lại hệ vật lí thành các mô hình
- Việc xây dựng mô hình dựa trên 2 phương pháp:
+ Xây dựng mô hình lý thuyết: phải có kiến thức tối thiểu về hệ thống, phải
có kiến thức về các môn khoa học căn bản (các định luật và tính chất vật lí, các
định luật kinh tế, xác suất thống kê…)
Thí dụ:
Cơ học: định lí biến thiên động lượng, định lí biến thiên momen động lượng,
định lý động năng, hay các công cụ toán học khác nhau.
Kỹ thuật điện: các phương trình cơ bản của trường điện từ (định luật ampe,
định luật cảm ứng…) và đối với mạch điện (định luật Ohm, định luật
Kirchhoff…)
+ Xây dựng mô hình thức nghiệm: nhiệm vụ này thường được gọi là bài
toán nhận dạng dựa trên việc quan sát (hoặc là trên các phép đo)
- Tiếp cận hệ thống bằng cách kết hợp giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm
sẽ có rất nhiều lợi ích.
Các mô hình thực nghiệm
Mô hình thí nghiệm sóng dài
Mô hình kiểm tra sự sạt nở, sói mòn của bờ sông

Mô hình thiết kế máy phát điện dùng năng lượng gió
Một vài mô hình thường gặp khi thiết kế hệ cơ điện tử:
1. Cơ học vật rắn ( mechanics of solid):
là một phân ngành của cơ học nghiên cứu các ứng xử của vật rắn dưới tác
dụng của các lực từ bên ngoài (ngoại lực). Cơ học vật rắn sử dụng rộng rãi khái
niệm ten xơ, các định luật đàn hồi( định luật hook) để mô tả ứng suất, biến dạng
và quan hệ giữa chúng. Một cách điển hình, cơ học vật rắn dùng mô hình tuyến
tính để biểu diễn quan hệ giữa ứng suất và biến dạng. Các địng luật cơ bản của Cơ
học là cân bằng của động lượng và mô men động lượng :

P=mv
Định luật hooke tổng quát:
Dạng vi phân của phương trình cân bằng moomen động lượng:
,
,
,
xy
xx xz
x x xy yx
yx yy yz
y y yz zy
zy
zx zz
z z xz zx
T
T T
f a T T
x y z
T T T
f a T T

x y z
T
T T
f a T T
x y z
r
r
r
¶
¶ ¶
+ + + = =
¶ ¶ ¶
¶ ¶ ¶
+ + + = =
¶ ¶ ¶
¶
¶ ¶
+ + + = =
¶ ¶ ¶
Động học của các vật thể rắn:
Động học là sự mô tả chuyển động thông qua các vectơ vị trí r, vận tốc v,
gia tốc a, vectơ vận tốc quay và các tọa độ suy rộng {qk(t)}như các vị trí góc
tương đối của bộ phận này đối với bộ phận khác của máy.

Mô hình hệ thống trục động cơ
2. Hệ tịnh tiến và quay:
Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyển động trong đó đường nối
hai điểm bất kỳ của vật luôn luôn song song với chính nó. Chuyển động quay
được đặc trưng bởi vận tốc góc ω
Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay quanh một trục cố định là hai

chuyển động đơn giản nhất của vật rắn. Mọi chuyển động phức tạp của vật rắn
đều có thể phân tích thành hai chuyển động nói trên.
+ Người ta có thể mô tả một hệ tịnh tiến hoặc hệ
quay bằng: Phương trình vi phân, hoặc dùng các
công cụ để mô phỏng như Matlab simulink…
Các phương trình cơ bản của chuyên động
tịnh tiến và quay:
F = m x a
M = J x ε
3. Hệ thống thủy lực( fluid systems)
Hệ thống thủy khí (thủy khí lực) sử dụng chất lỏng hoặc chất khí để thực
hiện các nhiệm vụ đặt ra. Các hệ thống thủy lực cũng có thể được mô tả bằng
Hàm truyền, PTVP, Phương trình trạng thái… Việc mô hình hóa hệ thống như
thế này, sẽ rất tiện lợi cho việc lập trình hệ thống.
4. Hệ thống điện (electrical systems)
-
Dựa vào các định luật và cơ sở vật lí, chúng ta có thể viết
phương trình vi phân cho mạch điện bằng phương pháp
node điện áp hoặc phương pháp lưới dòng điện.
-
Sau khi có PTVP, lấy laplace 2 vế chúng ta sẽ được hàm
truyền như trên.
5. Hệ thống nhiệt (thermal systems):
Thuật ngữ nhiệt động học (hoặc nhiệt động lực học) có hai nghĩa:
Khoa học về nhiệt và các động cơ nhiệt (nhiệt động học cổ điển)
Khoa học về các hệ thống ở trạng thái cân bằng (nhiệt động học cân bằng)
6. Hệ thồng micro và nano ( micro and nano systems)
Xuất phát từ quá trình phát triển của công nghệ chế tạo vi điện tử, các thiết
bị cỡ micro thường được phân loại không chỉ theo kích thước của chúng mà còn
theo cấu tạo và cách sản xuất. Nói chung công nghệ nano được xem là có phạm

vi từ những thiết bị cỡ micro nhỏ nhất xuống đến các thiết bị cỡ phân tử là tổ
hợp của các phân tử đơn lẻ. Do có sự chồng chéo lên nhau của các hệ thống vi
cơ điện tử (MEMS – MicroElectroMechanical Systems) và các hệ thống nano
hay công nghệ nano nên có sự chia sẻ một tập hợp các nghiên cứu thiết kế kỹ
thuật chung, duy nhất từ các hệ thống kỹ thuật thông thường khác.
Để thiết kế MEMS điện từ cũng như để thực hiện phân tích và tối ưu hóa
điện từ-cơ học, cần giải các phương trình vi phân trong miền thời gian. Các
nguyên lý hoạt động của MEMS dựa trên các nguyên lý điện từ. Một mô hình
điện từ đầy đủ nhận được dưới dạng 5 véc tơ điện từ trường. Cụ thể là 3 véc tơ
điện trường và 2 véc tơ từ trường.
Mạch tích hợp sử dụng công nghệ MEMS
7. Hệ điện từ quay ( rotational electromagnetic).
Trường điện từ (còn gọi là trường Maxwell) là một trong những trường của
vật lý học. Nó là một dạng vật chất đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mang
điện. Trường điện từ cũng do các hạt mang điện sinh ra, và là trường thống nhất
của điện trường và từ trường. Đặc trưng cho khả năng tương tác của trường điện từ
là các đại lượng cường độ điện trường, độ điện dịch, cảm ứng từ và cường độ từ
trường (thường được ký hiệu lần lượt là E, D, B và H).
Các cơ sở lý thuyết của điện từ :
Phương trình Maxwell-Faraday
Phương trình này diễn tả luận điểm thứ nhất của Maxwell về mối liên hệ giữa từ
trường biến thiên và điện trường xoáy
8. Sự tương tự của các hệ vật lí (phycical systems analogies)
Mô hình hệ thống BTS
Mô hình hệ thống: Đo chiều cao
và góc bằng gương phẳng
III. CƠ CẤU ĐÓNG MỞ ĐiỆN CƠ
1.Cơ chế chung của sự chuyển đổi điện-cơ
Loại thứ nhất là chuyển đổi đa thành phần, họat

động dựa trên sự tương tác không tiếp xúc giữa các
vật. Gồm có chuyển đổi điện–từ dựa trên phương
trình Lorentz và định luật Faraday, và tương tác tĩnh
điện dựa trên định luật Coulomb.

Van điện từ
rơle điện từ
1.Cơ chế chung của sự chuyển đổi điện-cơ
Loại thứ hai là các chuyển đổi hoạt động dựa trên
sự biến dạng hay còn gọi là chuyển đổi bán dẫn, loại
chuyển đổi này sử dụng các đặc tính kết cấu của vật
(ví dụ như sự thay đổi pha của tinh thể thạch anh
hoặc sự liên kết lưỡng cực phân tử). Gồm có các
hiệu ứng áp điện, hợp kim nhớ thù hình, và các vật
liệu từ giảo, điện giảo và quang giảo.
2. Cơ cấu đóng mở điện cơ.
2.1. Công tắc cơ (mechanical switch)
là một thiết bị cơ thể đóng/mở. Qua đó cho
dòng điện chạy qua hay không. Công tắc cơ gồm
một hoặc nhiều cặp tiếp xúc có thể được đóng
hoặc mở cơ học. các loại công tắc này có thể vận
hành thủ công hoặc tự động nhờ mực chất lỏng,
nhiệt độ, dòng chảy, áp suất, bánh cam hoặc
những thành phần khác, tức chúng đóng mở các
tiếp điểm của mình tại những giá trị tương ứng cụ
thể nào đó.
Một số loại công tắc cơ thường dùng.
a) Nút nhấn tự phục hồi (push button).

tiếp điểm thường mở

Tiếp điểm thường đóng
Push buton switch
Nút nhấn thường đặt ở mặt trước các tủ điều khiển, dùng
để ra lệnh điều khiển. Tín hiệu do nút nhấn tự phục hồi
tạo ra có dạng xung.