Luận văn 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


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.
Tác giả

Hồ Văn Đàm

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.


3

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.
Tác giả

Hồ Văn Đàm

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 hoá

1
2
3
6
7
10
13
13
13


4

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 thông 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 công 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

16
18
20
24
27
27
27
28
29
30
31
32
32
34
34
38

41

DỤNG TRONG KỸ THUẬT ƠTƠ.................................................................
2. 1. Cơ điện tử trong Ơtơ...................................................................................
2.1.1. Xu hướng tích hợp cơng nghệ cơ điện tử trong Ôtô......................
2.1.2. Các thành phần cơ điện tử trong Ôtô................................................
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
TOÁN DAO ĐỘNG VÀ CÂN BẰNG DAO ĐỘNG TRÊN ƠTƠ.........
3.1. Mơ hình hệ thống giảm xóc của xe ôtô...................................................

41
41
49
51
51
52
60
60
61

61
61
62
63
67
67


5

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

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
100

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

ABC

Automatic Body Control

ABS

Anti - block Brake System

AFL

Adaptive Forward Light

ASR

Anti - Spin Regulation

Tiếng Việt
Hệ thống tự động điều chỉnh ổn

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


6

đường
CAE

Computer Aided Engineering

Gia cơng được trợ giúp bởi máy tính

CAN

Controller Area Network
Computer Intergrated

Hệ truyền dữ liệu điện tử
Hệ thống gia cơng điều khiển

Manufacturing

bằng mạng vi tính kết nối

CIM

DGPS
ESP

FMS
Micro
MEMS
NEMS
TCS
VDC

Differential Global Possitioning
Systems

Electronic Stability Program

Hệ thống định vị tồn cầu sai phân

Chương trình quản lý độ ổn định

bằng điện tử
Flexible Manufacturing System Hệ thống tự động linh hoạt
Micro Electro Mechatronic System
Nano Electronics Mechatronics
System
Traction Control System

Hệ vi cơ điện tử
Hệ thống siêu vi cơ điện tử
Hệ thống điều khiển khả năng bám

đường
Vehicle Dynamic Control
Hệ thống điều khiển động lực ơtơ
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

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

16
24
26
28
28

29
29
30
31
33
35
36
37
45
47


7

hành...........................................................................................................

Hình 2.3. Các khu vực ứng dụng của hệ thống cơ điện tử trong một chiếc
xe ơtơ. ...................................... ...................................... ............................................
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 thuỷ
lực...................................... ..................................................................................
Hình 2.10. Các phương án cơ bản của bộ phanh thuỷ lực ABS. ..................
Hình 2.11. Hệ thống phanh cơ điện tử "Elektromechanische Bremse".......

Hình 2.12. Bộ cảm biến số vòng quay của bánh xe với hiệu ứng cảm ứng

điện từ...........................................................................................................................
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 ôtô 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 ơtơ.......................................................................
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...........................................

48

48
49
51
53
55
56
57
58
59
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


8

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 cơng
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
công nghệ tích hợp liên ngành cơ khí điện, điện tử, cơng nghệ thông 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


9

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 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 không 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 cơng 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 quá 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 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.


10

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, cơng
nghệ thơng tin, vật liệu mới, . . . Ơtơ 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 không thể nào đáp ứng tốt
cả hai yêu cầu chính của bài tốn cân bằng, đó là sự thoải mái và an toàn 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
toán cân bằng dao động. Bằng phương pháp mơ hình hóa và mô phỏng, tôi 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.

Chương 1. TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ
1.1. Cơ sở kỷ thuật của chuyên ngành cơ điện tử


11

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.
Trong nền kinh tế trí thức địi hỏi một trình độ tư duy và tác phong cơng

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 đoàn siêu quốc gia, các tổ hợp công 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 công quốc tế về công 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
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


12

các tiêu chí phát triển bền vững, bảo vệ mơi 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 cơng 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. Q trình chuyển dịch cơ cấu cơng nghệ thể hiện
rất rõ khuynh hướng phát triển này.
Tiến trình chuyển địch cơng nghệ này dựa trên các cơ sở:
- Vai trò quan trọng của công 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 hoá.
- 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.


13

Gần 20 năm đổi mới đã và đang diễn ra trên đất nước ta, q 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 hố 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 chun nghiệp của lực lượng
lao động tiên tiến bên ngồi 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 cơng nghiệp, chính đó là cơ sở đáng tin cậy để xây dựng các cơ chế và
chính sách phát triển các hướng cơng nghệ cao và công nghiệp công nghệ cao
trong chiến lược phát triển khoa học và cơng nghệ Việt Nam đến năm 2010.
Vai trị của công nghệ Cơ - Điện tử phục vụ mục tiêu của cơng nghiệp
hố, hiện đại hố rút ngắn.
Cơng 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
Hàm lượng
tri thức

trí thức.

Thiết bị,
tiền vốn

Kinh tế tri thức
(văn minh tin học)

Nguyên liệu,
năng lượng

(Văn minh tin học)

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


14

Kinh tế cơng nghiệp
(Văn minh ống khói)

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 triển tương hỗ rất mạnh
của nhiều ngành khác xoay quanh cơ điện tử: quang-cơ 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 công 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 công cụ CNC,

hệ thống đo 3D phục vụ kiểm tra chính xác cao hoặc cho thiết kế ngược,... Trong ngành tự
động hố: 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


15

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 tồn cầu,...Trong cơng nghiệp tiêu
dùng: điều hồ kỹ thuật số, lị vi sóng, nồi cơm điện, máy giặt, tủ lạnh thông 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 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 thông 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 cơng nghiệp thơng 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 luôn 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 vực liên quan (vật lý - nguồn năng lượng tia bức


16

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
điều khiển nano cịn chưa phát triển. Các nghiên cứu về micro/nano
mechatronics mới đang ở giai đoạn đầu.


17

Xu thế nhỏ hóa thiết bị máy móc đang là xu hướng tiến hóa các sản phẩm
ở hầu hết các sản phẩm công 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 mơi 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 ơng 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 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


18

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 công 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 khí, cùng với điện tử và điều khiển
máy tính thơng minh trong thiết kế và sản xuất các sản phẩm và q trình cơng nghệ” [3].

Cũng vào thời gian đó Auslander và Kempf (CHLB Đức) lại quan niệm:
"Cơ điện tử là một ứng dụng của việc tạo quyết định liên hợp để điều hành
các hệ thống vật lý” [8]. Đối tượng điều khiển theo quan niệm của Kempf
chính là hệ thống vật lý, nó khơng chỉ gồm những hệ thống cơ khí truyền
thống hay các sản phẩm cơ điện riêng lẻ mà cịn gồm cả q trình tự động hóa
một cơng nghệ sản xuất, một hệ thống xử lý, điều khiển môi trường, nhiệt độ
hay dao động, hoặc điều khiển một cỗ xe hay phương tiện vận tải, … Như vậy
quan niệm của các chuyên gia Đức về Cơ điện tử dường như có tính khái qt
hơn khi đưa ra khái niệm “môi trường tạo lập các quyết định điều khiển”


19

(Decision making). Còn với các chuyên gia Mỹ như Shetty và Kolk thì quan
niệm “Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các
sản phẩm cơ điện”[9]. Và gần đây W.Bolton đề xuất định nghĩa: “Một hệ
thống cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ thống cơ khí, điện và
điện tử, còn hơn cả một hệ thống điều khiển, nó là sự tích hợp hồn hảo của
tất cả những thứ đó” [10]. Đến những năm 90 của thập niên trước, khi công
nghệ truyền thông được đưa vào các sản phẩm cơ điện tử đã làm cho cơ điện
tử có khả năng kết nối trong mạng rộng. Sự phát triển này mang đến những

chức năng mới như điều khiển từ xa. Trong thời gian này, các công nghệ cảm
biến và cơ cấu chấp hành mới, nhỏ hơn - thậm chí cấp độ micro được dùng
ngày càng nhiều trong các sản phẩm mới. Hệ thống vi cơ điên tử như gia tốc
kế silicon dùng để khởi động túi khí ơtơ là ví dụ mới nhất. Sự phát triển của
cơ điện tử đến giai đoạn này tạo nên một hệ nhất quán - phát triển về chất chứ
không đơn thuần chỉ là sự phát triển rầm rộ về số lượng. Máy tính và các chíp
vi xử lý đã mạnh và rẻ để có thể nhúng vào các sản phẩm cùng với các công
nghệ cao khác như cảm biến, cơ cấu chấp hành, công nghệ phần mềm, công
nghệ điều khiển số hiện đại... cho ra những sản phẩm thông minh. Các chức
năng của máy móc và hệ thống kỹ thuật hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào phần
mềm có thể là một thuật tốn, mạng nơron, hệ mờ trong máy tính của sản
phẩm. Cơ điện tử là một công nghệ tổng hợp ngày càng nhiều các cơng nghệ
khác để có thể có được các sản phẩm hồn hảo hơn. Hay nói cách khác cơ
điện tử liên kết các yếu tố cấu thành của ngành cơ học, điện tử và điều khiển
để tạo nên một CƠNG NGHỆ MỚI, trong đó có sự chuyển biến về chất của
tư duy công nghiệp mà trọng điểm là tư duy công nghệ. Bằng tư duy công
nghệ mới và sự phối hợp liên ngành, con người sẽ đổi mới, xúc tiến các
phương pháp giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp và đưa ra các sẩn
phẩm cơ điện tử tiên tiến phục vụ nền công nghiệp hiện đại. Nhưng cũng phải


20

hiểu rằng cơ điện tử là một thể thống nhất chứ không phải là sự gộp đơn thuần
của nhiều công nghệ khác nhau như cơ khí, điện tử, máy tính, cảm biến... Cấu
trúc của các công nghệ này phải thay đổi để trở thành một cấu trúc thống nhất
trong một sản phẩm cơ điện tử. Các sản phẩm cơ điện tử có một hàm lượng
"thơng minh" riêng tạo nên tính năng của thiết bị trong các lĩnh vực giao
thông, robot, hệ thống sản xuất, năng lượng mới, thiết bị y tế, hàng không vũ
trụ...

Cơ điện tử là sự kết hợp đồng vận của kỹ thuật cơ khí, điều khiển điện tử
và tư duy hệ thống trong thiết kế sản phẩm và các quá trình sản xuất (theo ủy
ban Tư vấn Phát triển và Nghiên cứu công nghệ Châu âu: IRDAC).
Cơ điện tử được xem xét như là các ứng dụng kỹ thuật đồng thời vào thiết
kế và tích hợp các hệ thống cơ điện tử (theo trường Đại học Atlanta USA).
Cơ điện tử là sự kết hợp giữa 4 mảng kiến thức: cơ khí, điện tử, điều
khiển và máy tính (theo giáo sư Ke vin Cung khoa Cơ khí và Kỹ thuật hàng
không của Đại học Renssenlaser USA).
Đa số các trường đại học của Anh, Đức, áo, úc đều thống nhất quan điểm
cơ điện tử là sự phối hợp đồng vận của kỹ thuật cơ khí, điện tử và cơng nghệ
thơng tin.
Vậy có rất nhiều những định nghĩa về " CƠ ĐIỆN TỬ" nhưng người ta
đưa ra một định nghĩa tổng qt đó là "Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của
kỹ thuật cơ khí với điện tử điều khiển thơng minh bằng máy tính trong thiết kế
và chế tạo các sản phẩm và quy trình cơng nghiệp".
Cảm biến
chấp hành

ĐIỆN TỬ

CƠ KHÍ

CƠ ĐIỆN TỬ
Xử lý
tính tốn

Mơ
hình
tốn

Hình 1.2. Cơ điện tử, khoa học của nhiều ngành nghiên cứu


CƠNG NGHỆ THƠNG TIN

21

Sự tích hợp ở đây khơng phải là cộng gộp 3 ngành kỹ thuật đơn thuần mà
là sự kết hợp mật thiết hữu cơ. Không ngành nào là trọng điểm của cơ điện tử,
cũng khơng thể nói Cơ điện tử thuộc về ngành nào. Sự tích hợp khác nhau của
các ngành tạo thành các miền khác nhau, cho ra các kết quả sản phẩm tương
ứng là khác nhau.
Sự tích hợp giữa cơ khí với kỹ thuật điện tử tạo ra những sản phẩm tiêu
biểu là những cụm đo lường cảm biến (Sensors) và hệ thống điều khiển/ điều
chỉnh các cơ cấu chấp hành (Actuators).
Sự tích hợp giữa kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin tạo ra một thành
phần có tính hạt nhân là các hệ thống tính tốn điều khiển q trình ( process computation ).
Sự tích hợp giữa cơng nghệ thơng tin và kỹ thuật cơ khí lại đưa ra các cơng
cụ hữu hiệu là kỹ thuật mơ hình hố, mơ phỏng (modellisation/simmulation).
Cuối cùng sự tích hợp sản phẩm của 3 miền đó sẽ cho ra một hệ thống cơ
điện tử, một sản phẩm cơ điện tử hồn thiện.
1.1.5. Lịch sử phát triển
Theo dịng lịch sử, đa số các hệ thống sản xuất cũng như các sản phẩm
hàng hố được cơ khí hồn tồn khi có sự hiện diện của động cơ điện, hoặc
thuỷ lực trong kết cấu, đó là xuất phát điểm. Sự xuất hiện của linh kiện bán


22

dẫn trong những năm 50 và các máy tính điện tử số trong những năm 70 đã

tạo nên những hệ thống ghép nối tương hỗ giữa kỹ thuật cơ khí với điện tử,
điều khiển và công nghệ thông tin. Những sản phẩm cơ điện tử trong giai
Động
cơ hơi
nướctính tích cực của
đoạn này có kết cấu đơn giản nhưng cũng đã thể
hiện
được
Các hệ thống cơ khí thuần túy

< 1900

1860

Cơ điện tử trong việc tạo ra các sản phẩm thơng
minh, có độ tin cậy lớn, và
Máy phát điện 1870
Mô tơ một chiều (1870)
Mơ tơ xoay chiều (1889)

giải phóng sức lao động của con người.

Bơm tuần hoàn 1880
Động cơ đốt trong
Sang thập niên 1980, cơng nghệ thơng tin được hình 1880
thành thì các bộ vi
Các hệ thống cơ khí với truyền
1920
chữcao
cơ khí

xử động
đượcđiện
nhúng vào trong các hệ thống cơ khí đểMáy
nâng
tính năng của hệ
Máy công cụ
Rơle,
sôlênôit
thống. Máy công cụ điều
khiển
số và robot trở nên hồn hảo hơn, trong khi đó
Bơm
Khuếch đại điện, thủy lực, khí nén
Máy
chữ
các ứng dụng trong ơtơBộnhư
hệ thống điều khiển động cơđiện
điện tử dùng rộng
điều chỉnh PI (1930)

rãi.

Các hệ thống cơ khí với truyền
động
điện
Từ những
năm 1990 trở

1935

Tuốcbin hơi nước

đi, khi cơng nghệ truyềnMáy
thơng
bay đang được ứng

(1948)
dụng rộng rãi thì các hệTransistor
thống cơ
điện tử cũng tích hợp thêm khả năng kết nối
Thysistor (1955)

làm việc trong hệ thống mạng rộng rãi. Khi khoa học kỹ thuật đã phát triển
Thang máy điều khiển

Các hệ thống cơ khí với

1955
vượt- Điều
bậckhiển
ở tấtđiện
cả tử
các
lĩnhtự)
vực, do đó
sự trao đổi chuyển
giaotửcông nghệ ngày
(tương
bằng điện
- Điều khiển dãy

càng trở nên cần thiết trong nghiên cứu thiết kế sản xuất chế tạo. Như vậy cơ

Máy tính số hóa (1955)
Máy
tính hợp
xử lý ngày
(1959)càng nhiều các công nghệ khác trong
điện tử là một cơng nghệ
tổng
Phần mềm thời gian thực (1966)
nó để có thể có được các sản phẩm hồn hảo hơn. Ta có thể tóm tắt q trình
Máy vi tính (1971)
Tự động hóa phân quyền số (1975)
phát triển theo sơ đồ sau.
Các hệ thống cơ khí với
- Điều khiển số liên tục
- Điều khiển dãy - số

1975

Công cụ máy
Robot công nghiệp
Dây truyền cơng
nghiệp
Truyền động đĩa

Bộ vi điều chỉnh (1978)
Máy tính cá nhân (1980)
Hệ thống process/fieldbus

Các cơ cấu điều khiển, cảm biến mới
Sự tích hợp các thành phần
Các hệ thống cơ điện tử
- Tích hợp: phần cứng cơ khí &
điện tử
- Phần mềm xác định chức năng
- Công cụ thiết kế mới cho kỹ
thuật đông thời
- Các khả năng điều phối

1985

Robot di động
CIM
Phương vị từ
Điều khiển ơtơ (EFI, ABS,
ESP)

Chiều tăng
truyền động
điện

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


23

Chiều
tăng điều

khiển tự
động

Chiều tăng
tự động hóa
với máy
tính q
trình và sự
thu nhỏ

Chiều tăng
sự tích hợp
của vi xử lý
và máy vi
tính

1.2. Cơ điện tử là một khoa học về hệ thống


24

1.2.1. Ví dụ về hệ thống cơ điện tử
Qua tìm hiểu định nghĩa Cơ điện tử cũng như lịch sử phát triển của nó ta
có được một cái nhìn tổng quan về bản chất của một hệ thống cơ điện tử. bản
chất như đã phân tích trên ( Hình 1.2) ta có thể thấy cơ điện tử đã tách ra thành
một chuyên ngành, công nghệ độc lập. Việc các chuyên ngành cơ điện, điện
tử, công nghệ thông tin biến đổi và kết hợp với nhau tạo nên phần xương thịt
hữu cơ trong cơ điện tử. Ở trong cơ thể đó tồn tại 3 dịng lưu thơng dịng lưu
thơng vật chất, dịng điều phối năng lượng, dịng lưu thơng thơng tin.
Ở đây chúng ta sẽ nghiên cứu hệ thống phân phối sản phẩm dựa vào màu

sắc của phịng thí nghiệm Khoa cơ khí để thấy rõ điều này. Sản phẩm là các
miếng nhựa hình trịn được sơn màu đỏ, màu đen và tráng bạc di chuyển trên
dây chuyền. Khi đi qua cảm biên màu sắc, cảm biến sẽ nhận được diện được
màu của vật thể. Tín hiệu được truyền về bộ điều khiển PLC, tại đây tín hiệu
gửi đến được kiểm tra. Nếu tín hiệu trùng với màu sơn đỏ đã định trước bộ
điều khiển PLC sẽ gửi tín hiệu kích hoạt đến bộ phận khí nén, khí lên xylanh,
đẩy sản phẩm vào máng đã định. Nếu sản phẩm có màu đen máng dẫn được
thay đổi để sản phẩm mang màu đen vào đúng vị trí của nó. Sau khi thực hiện
xong nhiệm vụ tay gạt trở lại vị trí ban đầu. Còn nếu sản phẩm là màu trắng
bạc cảm biến thứ nhất sẽ không nhận biết được. Sản phẩm được nhận biết ở
cảm biến thứ hai riêng biệt của nó. Và q trình lặp lại tương tự như trên. Nếu
có sản phẩm khác với 3 màu trên lẫn vào trong tập hợp nó sẽ khơng được các
cảm biến nhận biết và được đưa đến kho phế phẩm.
1.2.2. Các thành phần của hệ thống cơ điện tử
Các thành phần của một hệ thống cơ điện tử có thể được thấy như (Hình
1.3)


25

trong đó những cụm thành phần quan trọng mà ta sẽ nghiên cứu dưới đây là
hệ thống sensor, actuator, hệ thống xử lý thơng tin và hệ thống cơ khí biến
đổi năng lượng.
Cơ điện

Giao diện thời
gian

thực

Cơ cấu
chấp hành

Hệ
thống
cơ
điện

Điều khiển
tự động

Cảm biến

Số/tương tự
Hệ
thống
cơ
điện

Tương tự/số

Hệ
thống
máy
tính

Tối ưu

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 thơng minh, đóng vai trị 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.
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 thơng tin thu được dưới dạng tín hiệu số về
cho hệ thống xử lý thông tin.
Các sự kiện
trong thế
giới thực

C

Tiếp nhận sự
kiện

Xử lý cảm biến

P

Sản sinh
sự kiện

Hình 1.5. Mơ hình cảm biến (Sensor)

Các sự kiện
trong thế

giới thực