Giáo trình Nhập môn cơ điện tử (Nghề: Cơ điện tử): Phần 1 - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

1

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh
thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.


2

LỜI GIỚI THIỆU
Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Cơ điện tử ở trình độ Cao Đẳng
và Trung Cấp, giáo trình Nhập mơn cơ điện tử là một trong những giáo trình mơ
đun đào tạo chun ngành được biên soạn theo nội dung chương trình chi tiết mô
đun Nhập môn cơ điện tử. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức
và kỹ năng chặt chẽ với nhau, lơgíc.
Nội dung của giáo trình “Nhập môn cơ điện tử” đã được xây dựng trên cơ sở kế thừa
những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp
ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện đại
hóa đất nước. Giáo trình nội bộ này do các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm nhiều năm
làm công tác trong ngành đào tạo chuyên nghiệp. Giáo trình được biên soạn ngắn gọn,
dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập
những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà
nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và khơng trái với quy định của chương trình
khung đào tạo cao đẳng nghề.
Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc chắn
khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự tham gia đóng góp ý kiến
của các bạn đồng nghiệp và các chuyên gia kỹ thuật đầu ngành.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

BAN CHỦ NHIỆM BIÊN SOẠN GIÁO TRÌNH
NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ


3

MỤC LỤC
TRANG
LỜI GIỚI THIỆU ........................................................................................................... 2
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 3
BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CƠ ĐIỆN TỬ ...................................................... 7
Nội dung chính: ............................................................................................................. 7
1. Khái niệm cơ bản về cơ điện tử............................................................................... 7
2. Phân tích q trình của hệ thống cơ điện tử ............................................................ 7
3. Thiết lập mơ hình và chức năng hệ thống cơ điện tử ............................................. 10
4. Phác thảo hệ thống cơ điện tử ................................................................................ 12
BÀI 2: KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU HÀNH ............................................... 14
Nội dung chính: ........................................................................................................... 15
1. Kỹ thuật điều khiển ................................................................................................ 15
2. Giới thiệu mạch điều chỉnh .................................................................................... 17
BÀI 3: CƠ CẤU CHẤP HÀNH ................................................................................... 20
Nội dung chính: ........................................................................................................... 20
1. Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành ....................................... 20
2. Cơ cấu chấp hành điện từ ....................................................................................... 23

3. Cơ cấu chấp hành thủy khí ..................................................................................... 27
4. Các loại cơ cấu chấp hành đặc biệt ........................................................................ 28
BÀI 4: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN ........................................................... 45
Nội dung chính: ........................................................................................................... 45
1. Kỹ thuật đo lường................................................................................................... 45
2. Các thông số đặc trưng cảm biến. .......................................................................... 46
3. Giới thiệu các loại cảm biến ................................................................................... 49
BÀI 5: KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ..... 66
Nội dung chính: ........................................................................................................... 66
1. Một số hệ đếm điển hình ........................................................................................ 66
2. Chuyển đổi cơ số .................................................................................................... 70
3. Mã số ...................................................................................................................... 72
4. Dữ liệu và mã hoá dữ liệu ...................................................................................... 75


4

5. Bài tập ứng dụng .................................................................................................... 83
BÀI 6: CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH HỆ THỐNG CƠ DIỆN TỬ ................................... 85
Nội dung chính: ........................................................................................................... 85
1. Mơ hình nồi cơm điện tự động. .............................................................................. 85
2. Mơ hình máy ép nhựa............................................................................................. 88
3. Máy điều khiển theo chương trình số CNC. .......................................................... 90
4. Mơ hình phân loại sản phẩm tự động ..................................................................... 92
5. Mơ hình rơbốt cơng nghiệp. ................................................................................... 96
6. Học sinh tự tìm tịi mơ hình và phân tích tổng quan chức năng ............................ 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 99


5

GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN
Tên mơ đun: Nhập mơn cơ điện tử
Mã mơ đun: MĐ CĐT 18
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơn học/mơ đun:
Vị trí: Trước khi bắt đầu học mô đun này sinh viên phải học các mơn học, mơ
đun kỹ thuật cơ sở.
Tính chất: Là mơ đun tích hợp lý thuyết với thực hành.
- Ý nghĩa và vai trị của mơn học/mơ đun:
-

Mục tiêu của mơn học/mơ đun:

- Về kiến thức:
+ Giải thích được Cơ điện tử là gì
+ Giải thích được các yếu tố thành phần trong hệ thống và sản phẩm cơ điện
tử.
- Về kỹ năng:
+ Nhận biết các loại hình thông tin trong hệ thống cơ điện tử.
+ Bước đầu làm quen được với các mơ hình cơ điện tử.
+ Phân biệt các dạng sản phẩm cơ điện tử trong công nghiệp.
- Về thái độ:
+ Rèn luyện thái độ làm việc chuyên nghiệp; tinh thần tích cực học tập, chủ
động trau dồi kiến thức, tu dưỡng đạo đức nghề nghiệp.
Nội dung của mô đun:
Thời gian (giờ)
Số
TT

1

Tên các bài trong mô đun

Bài 1: Các khái niệm cơ bản cơ điện tử
1. Khái niệm cơ bản về cơ điện tử
2. Phân tích q trình của hệ thống cơ
điện tử
3. Thiết lập mơ hình và chức năng hệ
thống cơ điện tử
4. Phác thảo hệ thống cơ điện tử

Tổng

Lý

số

thuyết

3

3

Thực hành,
thí nghiệm,
thảo luận,
bài tập

Kiểm
tra

6

2

Bài 2: Khái niệm điều khiển và điều
chỉnh.

4

2

2

4

1

3

5

1

4

5

1,5

3,5

6

0,5

4,5

1. Kỹ thuật điều khiển
2. Giới thiệu mạch điều chỉnh
3

Bài 3: Cơ cấu chấp hành.
1. Kết cấu và phương thức làm việc
của cơ cấu chấp hành
2. Cơ cấu chấp hành điện từ
3. Cơ cấu chấp hành thủy khí
4. Các loại cơ cấu chấp hành đặc biệt

4

Bài 4: Kỹ thuật đo lường, cảm biến.
1. Kỹ thuật đo lường
2. Các thông số đặc trưng cảm biến.
3. Giới thiệu các loại cảm biến

5

Bài 5: Khái niệm xử lý thông tin trong

hệ thống cơ điện tử
1. Một số hệ đếm điển hình
2. Chuyển đổi cơ số
3. Mã số
4. Dữ liệu và mã hoá dữ liệu
5. Bài tập ứng dụng

6

Bài 6: Các ví dụ điển hình hệ thống cơ
điện tử.
1. Mơ hình nồi cơm điện tự động.
2. Mơ hình máy ép nhựa.

1

3. Máy điều khiển theo chương trình
số CNC.
4. Mơ hình phân loại sản phẩm tự
động
5. Mơ hình rơbốt cơng nghiệp.
6. Học sinh tự tìm tịi mơ hình và phân
tích tổng quan chức năng
Thi kết thúc mơ đun
Cộng

3
30

3

9

17

4


7

BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CƠ ĐIỆN TỬ
Mã bài:
Giới thiệu:
Cơ điện tử không chỉ là một cấu trúc thuận tiện cho nghiên cứu khảo sát của các
nhà khoa học mà còn là một phương thức hoạt động thực tiễn kỹ thuật hiện đại.Cơ
điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính
thơng minh trong thiết kế chế tạo các sản phẩm và quy trình cơng nghiệp
Mục tiêu:
- Khái qt và định hình được thế nào là một hệ thống cơ điện tử.
- Phân loại được các loại hệ thống cơ điện tử.
Nội dung chính:
1. Khái niệm cơ bản về cơ điện tử
 Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của cơ khí với điện tử và điều khiển

máy tính thơng minh trong thiết kế chế tạo các sản phẩm và quy trình cơng
nghiệp”
 “Cơ điện tử là sự áp dụng tổng hợp các quyết định tạo nên hoạt động của
các hệ vật lý”
 “Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản
phẩm cơ điện”
 “Một hệ Cơ điện tử khơng chỉ là sự kết hợp các hệ cơ khí, điện và nó cũng

khơng chỉ đơn thuần là một hệ điều khiển, nó là sự tích hợp đầy đủ của tất cả
các hệ trên”.
Một định nghĩa cịn chưa có sự thống nhất rộng rãi cho thấy đây là một lĩnh vực
bản thân nó chưa hồn tồn định hình, mà đang tiếp tục định hình. Cơ điện tử
khơng chỉ là một cấu trúc thuận tiện cho nghiên cứu khảo sát của các nhà khoa
học mà còn là một phương thức hoạt động thực tiễn kỹ thuật hiện đại.
2. Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử
Lược đồ sau đây mơ tả tương đối dễ hiểu các thành phần chính của Cơ điện tử
(xem hình 1.1), năm thành phần cơ bản trong sơ đồ này là đối tượng nghiên
cứu của tất cả các giáo trình cơ điện tử, việc trình bày theo cấu trúc này làm cho


8

người đọc có tư duy thống nhất, tiện cho việc theo dõi các lĩnh vực liên quan đến
từng vấn đề.
Trong quỹ thời gian có hạn các vấn đề sẽ được trình bày với trọng số khác nhau
trên cơ sở phù hợp với nền tảng kiến thức của sinh viên ngành cơ khí.

Hình 1.1: Các thành phần chính của cơ điện tử
Có ba loại hệ cơ điện tử như sau nếu dựa trên quan điểm các lý thuyết cơ sở
được áp dụng:
- Hệ cơ điện điện tử truyền thống;
- Hệ cơ điện tử kích thước micro;
- Hệ cơ điện tử kích thước nano.

Hình 1.2: Phân loại và các lý thuyết cơ sở được áp dụng trong hệ thống CĐT
Sản phẩm cơ điện tử hiện đang được chia làm bốn lớp như sau:
- Lớp I: các sản phẩm cơ khí là chính có sự kết hợp của điện tử để nâng
cao tính năng, ví dụ các máy cơng cụ điều khiển số CNC;

9

- Lớp II: các hệ cơ khí truyền thống với sự hiện đại hóa đáng kể các thiết
bị bên trong bằng việc kết hợp với các thiết bị điện tử, giao diện người
dùng bên ngồi khơng đổi, ví dụ như máy khâu hiện đại.
- Lớp III: các hệ thống giữ lại chức năng của hệ cơ khí truyền thống
nhưng máy móc bên trong được thay thế bằng các thiết bị điện tử, vd đồng
hồ số.
- Lớp IV: các sản phẩm được thiết kế bởi các cơng nghệ cơ khí và điện tử
tích hợp hỗ trợ nhau, Ví dụ máy photocopy, nồi cơm điện.
Lịch sử phát triển của các hệ cơ học, điện và điện tử có thể khái quát trong lược
đồ sau:

Hình 1.3: Lịch sử phát triển của các hệ cơ học, điện và điện tử
Các thuộc tính cuả thiết kế truyền thống và thiết kế cơ điện tử.
Bảng 1.1 : Các thuộc tính của thiết kế truyền thống và thiết kế cơ điện tử
Thiết kế truyền thống

Thiết kế cơ điện tử


10

Các thành phần phải thêm vào

Tích hợp các thành phần (phần

1. To lớn

2. Kết cấu phức tạp
3. Vấn đề dây dẫn
4. Các thành phần kết nối

cứng)

Điều khiển đơn giản

1. Nhỏ gọn
2. Kết cấu đơn giản
3. Truyền thông không dây hoặc bus
4. Các thiết bị tự trị

Tích hợp bởi xử lý thông tin
5. Cấu trúc cứng nhắc
6. Điều khiển truyền thẳng, tuyến tính (phần mềm)
5. Cấu trúc mềm dẻo với phản hồi

7. Độ chính xác nhờ dung sai hẹp

điện tử
6. Điều khiển số phản hồi khả lập

trình (phi tuyến)
8. Các
đo năng
được hệ
thay
3. Thiết
lậpđại

mơlượng
hìnhkhơng
và chức
thống cơ điện tử
7. Độ chính xác nhờ đo lường và
tùychia
tiện chức năng giữa cơ khí và điện tử:
Sựđổi
phân
điều khiển phản hồi.
Trong
thiết
hệ cơ điện tử sự tác động qua lại của các phần cơ khí và điện
9. Theo
dõikế
đơn
Điều trọng.
khiển các
đại lượng
không
tử nhằm thực hiện các chức năng là điều rất8. quan
So với
việc thực
hiện các
giản 10.Khả
chức năng cơ khí đơn thuần sử dụng các bộ
đạiước
vàlượng
cơ cấuđược.
chấp hành với

đo khuếch
được mà
năng
cố
định
năng lượng điện phụ trợ đã mang đến sự đơn giản hóa đáng kể cho các thiết bị
9. Giám sát với chẩn đoán lỗi.
như đồng hồ đeo tay, camera. Một sự đơn giản hóa trong cơ khí bắt nguồn từ việc
Khả
mang máy tính kết nối với các thiết bị điện 10.
phân
tán.năng tự học
1.1 Các tín hiệu đầu vào của hệ cơ điện tử
1.1.1 Đầu vào bộ chuyển đổi cảm biến
Tất cả các đầu vào của hệ cơ điện tử đều bắt nguồn từ một vài dạng cảm biến
hoặc từ các hệ thống khác. Cảm biến có thể được phân loại ra thành hai nhóm,
cảm biến chủ động và cảm biến thụ động. Cảm biến chủ động phát ra tín hiệu để
ước tính thuộc tính của mơi trường và thiết bị được đo cịn cảm biến thụ động thì
khơng.
Đầu vào của bộ cảm biến thường là một tín hiệu tương tự, dạng đơn giản nhất
của tín hiệu tương tự là mức điện áp có mối liên hệ trực tiếp với điều kiện đầu
vào. Dạng thứ hai là thiết bị điều chế độ rộng xung. Dạng thứ ba là sóng điều biên
hoặc điều tần, trong một số trường hợp kết hợp cả điều biên và điều tần. Những
thay đổi này phản ánh sự biến đổi của trạng thái được theo dõi.
1.1.2 Bộ biến đổi tương tự số (A/D)
Các bộ biến đổi này có thể được phân loại theo hai thơng số, dải tín hiệu đầu
vào tương tự và dải tín hiệu đầu ra số. Chẳng hạn biến đổi mức điện áp trong
khoảng 0 – 12 V thành một byte đơn 8 bit.
Chẳng hạn các van servo nhận tín hiệu analogue từ thiết bị chỉ huy dưới dạng
dòng điện hoặc điện áp, nếu là van hiệu suất cao có sử dụng cảm biến vị trí, nó sẽ

chuyển tín hiệu về thiết bị điều khiển dưới dạng analogue. Nếu thiết bị điều khiển
kiểu vi xử lý khi tiếp nhận tín hiệu này sẽ cần chuyển đổi A/D để tiếp tục xử lý.
1.2 Các tín hiệu đầu ra của hệ cơ điện tử


11

1.2.1 Bộ biến đổi số - tương tự (D/A)
Lệnh đầu ra của bộ vi điều khiển là một giá trị nhị phân dưới dạng bit, byte 8 bit
hoặc 16 bit. Tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệu tương tự nhờ bộ chuyển đổi
D/A. Chẳng hạn biến đổi một giá trị 8 bit thành điện áp trong khoảng 0 – 12 V.
Chẳng hạn tín hiệu số từ vi xử lí cần chuyển thành tín hiệu tương tự khi
chuyển xuống điều khiển van servo. Tín hiệu thích hợp có thể tồn tại dưới dạng
dòng điện hoặc hiệu điện thế.
1.2.2 Đầu ra của cơ cấu chấp hành
Có ba cơ cấu chấp hành thường sử dụng trong các hệ cơ điện tử là chuyển
mạch, solenoit và động cơ. Chuyển mạch là thiết bị trạng thái đơn giản để điều
khiển một hoạt nào đó như bật tắt lị sưởi, các chuyển mạch bao gồm rơle, và các
thiết bị liền khối như điôt, thyristor, tranzitor lưỡng cực, tranzitor trường. chuyển
mạch có thể được kết hợp với cảm biến giúp bật tắt một phần hoặc toàn bộ các
chức năng của cảm biến.
Solenoid là thiết bị bao gồm lõi sắt chuyển động được, lõi sắt này được kích
hoạt bởi một dịng điện. Sự chuyển động của nó giúp điều khiển dịng thủy lực
hoặc khí nén, thiết bị này được ứng dụng nhiều trong các hệ thống phanh và
trong công nghiệp chất lỏng.
Cơ cấu chấp hành kiểu động cơ có ba loại chính gồm:
- Động cơ điện một chiều DC;
- Động cơ điện xoay chiều AC;
- Động cơ bước.
Trong đó động cơ điện một chiều DC có thể điều khiển bởi điện áp DC cố

định hoặc thiết bị điều chế độ rộng xung.
Nhìn chung động cơ AC rẻ hơn động cơ DC nhưng đòi hỏi điều khiển tần số
để điều khiển tốc độ quay, trong khi động cơ bước sẽ quay đi một góc ứng với
mỗi xung đầu vào.
1.3 Xử lý tín hiệu
Xử lý tín hiệu là việc thay đổi một tín hiệu để nó có ích hơn đối với một hệ
thống. Hai dạng xử lý tín hiệu quan trọng là chuyển đổi giữa tín hiệu D/A và
A/D. Ngoài ra lọc cũng là một dạng xử lý tín hiệu quan trọng.
Lọc là làm suy giảm bớt tần số nào đó của tín hiệu, q trình này có thể loại
bỏ nhiễu khỏi tín hiệu và giúp xử lý đường truyền để chuyển tải dữ liệu tốt hơn.
Bộ lọc có thể được chia thành bộ lọc tương tự và bộ lọc số. Trong đó bộ lọc tương
tự lại chia thành bộ lọc chủ động và lọc bị động.
Các bộ lọc cũng có thể phân biệt trên các loại tần số bị ảnh hưởng:
- Bộ lọc thông thấp cho phép các tần số thấp hơn đi qua, còn các tần số cao
sẽ bị làm suy giảm;
- Ngược lại với bộ lọc thông thấp là bộ lọc thông cao, cho phép các tần số
cao đi qua và lọc các tần số thấp.


12

4. Phác thảo hệ thống cơ điện tử
Cũng gióng như cơ điện tử, có khá nhiều khái niệm khác nhau ve hệ
thong cơ đ i ệ n t ử . Chúng ta hãy kháo sát một số quan điểm sau của
Bradley, Okyay Kaynak, Bolton, Shetty.
Sau thành công của các ngành công nghiệp trong sán xuất và bán hàng
trên thị trường thế giới phụ thuộc rất nhiều vào khả năng kết hợp cúa Điện –
Điện tử và công nghệ thông tin hoc vào trong các sán phẩm cơ khí và các
phương thức sản xuấtt cơ khí. Ðặc tính làm việc của nhiều sản phẩm hiện tại-xe
ô tô, máy giặt, robot, máy công cụ… cũng như việc sản xuất chúng phụ thuộc rất

nhiều khả năng cúa ngành công nghiệp về ứng dụng những ky thuật mới vào
trong việc sản xuất sản phẩm và các qui trình sản xuất. Kết quả đã tạo ra một hệ
thống rẻ hơn, đơn giản hơn, đáng tin cậy hơn và linh hoat hơn so vói các hệ
thống trưóc đây. Ranh giới giua điện và điện tử , máy tính và cơ khí đã dần dần
thay thế bởi sự kết hợp giua chúng. Sự kết hợp này đang tiến tới một hệ thống
mới đó là : Hệ thống cơ điện tử.
Trên thực tế hệ thống cơ điện tử khơng có một định nghĩa rõ ràng. Nó
được tách biệt hoàn toàn v ớ i các phần riêng biệt nhưng được kết hợp trong
quá trình thực hiện. Sự kết hợp này được trình bày ở hình sau, bao gồm các phần
riêng biệt Ðiện – điện tử, cơ khí và máy tính liên kết chúng lại trong các lĩnh
vực giáo dục và đào tạo, công việc thực tế , các ngành cơng nghiệp sản xuất thị
trường.

Cơ khí

Điện-điện tử

GD & ÐT

CV thực tế

Máy tính

CN sản xuất

Thị trường

Hình 1.5: Sự liên kết của các thành phần trong Hệ Thống Cơ Điện Tử theo
Bradley
 Quan điểm của Okyay Kaynak:

Theo quan điểm của Okyay Kaynak, giáo sư thổ nhĩ kỳ định
nghĩa về Hệ Thống Cơ Điện Tử như sau:


13

 Quan điểm của Bolton:

Theo Bolton thì cơ điện tử là một thuật ngữ của hệ thống. Một hệ thống có
thể được xem như một cái hộp đen má chúng có một đầu vào và một đầu ra. Nó là
một cái hộp đen vì chúng gồm những phần tử chứa đựng bên trong hộp, để
thực hiện chức năng liên hệ giữa đầu vào và đầu ra.
Ví dụ như: cái mơtơ điện có đầu vào là nguồn điện và đầu ra là sự quay
của một trục động cơ
Ngõ vào

Ngõ ra
Ðộng cơ
Động cơ quay

Nguồn điện

Cấu trúc Hệ Thống Cơ điện tử theo Bolton
Bài tập:
1. Cơ điện tử là gì?
2. Phân tích q trình của hệ thống cơ điện tử.
3. Phân tích các tín hiệu đầu vào của hệ cơ điện tử.
4. Phân tích các tín hiệu đầu ra của hệ cơ điện tử.
5. Nêu một số ví dụ về hệ cơ điện tử.

14

BÀI 2: KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU HÀNH
Mã bài:
Giới thiệu:
Một hệ thống cơ điện tử là quá trình thu thập dữ liệu đầu vào và xử lý tín hiệu
đầu vào để điều chỉnh và điều khiển các tín hiệu đầu ra. Vì vậy quá trình điều khiển
và điều chỉnh là phần không thể thiếu trong hệ thống cơ điện tử.


15

Mục tiêu:

- Nắm được các khái niệm về điều khiển và điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử.
- Thiết kế và phân tích một số q trình điều khiển và điều chỉnh cơ bản.
Nội dung chính:
1. Kỹ thuật điều khiển
Nhằm đơn giản hố các phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống tự động
người ta thường chuyển phương trình động học của hệ ở dạng phương trình vi phân
viết với các nguyên hàm x(t), y(t) thành phương trình viết dưới dạng các hàm số
X(s), Y(s) thông qua phép biến đổi Laplace.
Ví dụ xét hàm số x(t) – hàm số của biến số t (biến số thực, ở đây t là thời gian) ta
gọi là nguyên hàm. Ta cho phép biến đổi hàm số x(t) thơng qua tích phân:


X (s)   x(t ).e st .dt

(2.15)

0

trong đó: s = + j - biến số phức, biến đổi (2.15) hàm x(t) thành hàm biến số X(s)
được gọi là là biến Laplace, và X(s) được gọi hàm ảnh. Như vậy hàm ảnh là một
hàm biến số phức s. Phép biến đổi Laplace được ký hiệu sau:
L{x(t)}=X(s) hoặc x(t)  X(s)
Giả sử ngun hàm x(t) có các điều kiện ban đầu khơng, tức là với t=0 giá trị
của hàm x(t) và các bậc đạo hàm dix(t) / dti với i = 1, 2, 3, …, (n-1) đều bằng 0,
tính theo tính chất của phép biến đổi Laplace (định lý về ảnh đạo hàm của nguyên
hàm) chúng ta có:
 d i x(t ) 
Lai
 ai .s i . X (s)
i 
dt 

i  1, 2, 3,, n

(2.16)

Nhân hai vế của phương trình (2.6) với e-st , sau đó lấy tích phân theo t
từ 0 đến , tức là lấy biến đổi Laplace của hai vế phương trình, với giả thiết
rằng các hàm x(t), y(t) có các điều kiện ban đầu bằng 0, dựa theo tính chất
tuyến tính của phép biến đổi Laplace , phương trình (2.6) sẽ có dạng:
a0 s nY (s)  a1 s n1Y (s)    an1 sY (s)  anY (s) 
 b0 s n X (s)  b1 s m1 X (s)    bm1 X (s)  bm X (s)

(2.17)

Ở đây, Y(s), X(s) – là các biến đổi Laplace của hàm lượng ra và hàm
lượng vào của hệ.
Phương trình (2.17) được gọi là phương trình động học mô tả quan hệ
vào ra của hệ viết dưới dạng tốn tử Laplace.Đây là phương trình đại số, vói


16

n và m là các số mũ của biến số s giải phương trình (2.17) ứng với lượng ra
Y(s).
b0 s m  b1 s m1    bm1 s  bm
Y ( s) 
X ( s)
a0 s n  a1 s n1    an1 s  an

(2.18)

Chúng ta ký hiệu:
b0 s m  b1 s m1    bm1 s  bm
W ( s) 
a0 s n  a1 s n1    an1 s  an

(2.19)

và gọi biểu thức đại số này là hàm số truyền (hoặc hàm truyền đạt) của hệ
thống tự động (hay của một phần tử của nó).
Khi đó
Y(s) = W(s)X(s)
(2.20)
Hoặc

W(s) = Y(s) / X(s)
(2.21)
Vậy hàm số truyền (H S T) của hệ thống (hay của một phần tử ) tự động là tỷ
số hàm ảnh của lượng ra với hàm ảnh của lượng vào của nó (qua phép biến
đổi Laplace) với giả thiết tất cả các điều kiện đều bằng không.
Biểu thức (2.19) cho chúng ta thấy, HST là một hàm phân số hữu tỷ
của biến s, có bậc các đa thức thoả mãn m  n. Giả thiết điều kiện ban đầu
của các hàm lượng vào và lượng ra đều bằng không là phù hợp với điều kiện
thường gặp trong các hệ thống ĐKTĐ.
Phương trình (2.20) cho phép xác định hàm ảnh của lượng ra nếu biết
hàm ảnh của lượng vào và biểu thức HST của hệ. Như vậy HST hồn tồn
xác định các tính chất động học của hệ thống. Để xác định nguyên hàm của
lượng ra, tức là xác định y(t) khi biết x(t) có thể biến đổi ngược Laplace, theo
đó:
y(t )  L1 Y (s) 

1

  j

Y (s).e
2 j  

st

ds

(2.22)

j

Đó là phương pháp tốn tử để giải phương trình vi phân. Nếu Y(s) là hàm đơn
giản,chúng ta có thể sử dụng bảng biến đổi Laplace của các hàm đơn giản điển hình,
có trong phụ lục các sách nói về biến đổi Laplace, để tra cứu nguyên hàm y(t). Nếu
hàm ảnh Y(s) là hàm phức tạp, cần phân tích chúng thành tổ hợp tuyến tính các hàm
đơn giản, mà chúng ta đẵ biết nguyên hàm của nó. Ngun hàm y(t) chính là tổ hợp
tuyến tính của các nguyên hàm thành phần.


17

2. Giới thiệu mạch điều chỉnh
Trong mạch điện có các phần tử cơ bản là điện trở (R), điện cảm (L) và tụ điện
(C).
a) Điện trở R

Hình 2.5: Điện trở
Điện áp rơi tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện I chạy qua điện trở:
1. v(t )  Ri

i(t ) 

1
v(t )
R

ZR

Thơng qua phép biến đổi Laplace ta có được hàm truyền của điện trở là
2. G R 

I 1

U R

(2.23)

b) Điện cảm L

Hình 2.6 : Điện cảm L

Điện áp rơi trên điện cảm là
di(t )
1
v(t )  L
 i(t )   v(t )dt
dt
L0

(2.24)

Thông qua biến đổi Laplace ta tính được trở kháng Z và hàm truyền của điện
cảm L


18

3. Z  Ls

GL 

I
1

U L Ls

(2.25)

c) Tụ điện C

Hình 2.7 : Tụ điện C
Điện áp rơi trên điện dung là
1
dv(t )
v(t )   i(t )dt  i(t )  C
C0
dt

(2.26)

Trở kháng và hàm truyền đạt của tụ điện
Z

1
C

GC 

I
 Cs

UC

(2.27)

d) Các phần tử R, L và C mắc nối tiếp

Hình 2.8 : Sơ đồ các phần tử mạch điện RLC mắc nối tiếp
UV  Ri  L

di
 Ur
dt

dU r
d 2U r
1
di
U r   idt  i  C
 C
C0
dt
dt
dt 2

(2.28)

d 2U r
dU r
 LC
 RC

 U r  UV
2
dt
dt

Thực hiện phép biến đổi Laplace ta có
(LCs2 + RCs + 1) Ur = Uv
Rút ra được hàm truyền là:

(2.29)


19

G( s ) 

Ur

UV

1 LC
R
1
s2  s 
L
LC

(2.30)

e) Các phần tử mắc song song

I

U

V

R

L

C

Ur

Hình 2.9: Sơ đồ các phần tử mạch điện RLC mắc song song
Dòng điện của mạch điện là
I

U
Z

(2.31)

Tổng trở của mạch song song được tính là
1 1 1
1
RLCs 2  Ls  R
 



Z R Ls 1 / Cs
RLs

(2.32)

Hàm truyền của hệ thống là

G( s) 

I
1
 
U Z

s2 

1
1
s
RC
LC
1
s
C

(2.33)

Bài tập:
1. Điều khiển và điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử là như thế nào?
2. Nêu các kỹ thuật điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử.

3. Nêu các mạch hay sử dụng trong kỹ thuật điều chỉnh.
4. Thiết kế một quá trình điều khiển và điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử.
5. Phân tích quá trình điều khiển và điều chỉnh đó.


20

BÀI 3: CƠ CẤU CHẤP HÀNH
Mã bài:
Giới thiệu:
Kết quả của một hệ thống cơ điện tử là các hoạt động của cơ cấu chấp hành.
Yêu cầu công nghệ hay độ chính xác của cơ cấu chấp hành là khơng thể thiếu trong
hệ thống cơ điện tử. Phần này chúng ta sẽ nghiên cứu một số cơ cấu chấp hành được
ứng dụng rộng rãi trong hệ thống cơ điện tử
Mục tiêu:

- Nắm được nguyên lý điều khiển của một số cơ cấu chấp hành của hệ
thống cơ điện tử.
- Cân chỉnh các cơ cấu chấp hành để hệ thống hoạt động chính xác, độ tin
cậy cao.
- Bảo trì, bảo đưỡng, sửa chửa được cơ cấu chấp hành đơn giản.
Nội dung chính:
1. Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành
Các cơ cấu dẫn động (hay cơ cấu chấp hành) được bố trí giữa các thiết bị điều
chỉnh hoặc điều khiển của hệ thống và được hệ thống điều khiển. Sơ đồ nguyên lý
hoạt động của cơ cấu dẫn động trong một hệ thống cơ điện tử minh họa trên hình
3.1

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cơ cấu dẫn động
Các giao diện kết nối giữa các phần tử có nhiều kiểu khác nhau như cơ

khí, điện, thủy khí hoặc các cơ cấu dẫn động kiểu mới dự trên nguyên lý áp điện.
Việc điều khiển các cơ cấu dẫn động thường diễn ra nhờ các tín hiệu đặt được
truyền dẫn thông qua các giao diện chuẩn của một bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý này đảm
nhiệm việc biên dịch các lệnh điều chỉnh và điều khiển. Các đại lượng đầu ra của


21

cơ cấu dẫn động là năng lượng hoặc công suất, có khả năng sinh cơng cơ học cho
trục quay (năng lượng quay) hoặc cho vật trượt (năng lượng dịch chuyển tịnh
tiến). Năng lượng này được tạo ra bởi nguồn năng lượng trợ giúp trong một bộ
điều khiển năng lượng được kết nối với bộ chuyển đổi năng lượng, xem hình 3.1.
Ta có một số yêu cầu nhất định đối với năng lượng cơ học tại đầu ra. Thí
dụ năng lượng cơ học như công cơ học khi một vật dịch chuyển được tính bằng
lực tác dụng nhân với quãng đường dịch chuyển. Các trường hợp như lực tác
dụng lớn trong một quãng dịch chuyển ngắn (khâu đặt lực) hoặc lực tác dụng
nhỏ trong một quãng dịch chuyển dài (khâu đặt quãng đường) là những trường
hợp tới hạn. Điều này yêu cầu các bộ chuyển đổi cơ học trung gian như hộp số, các
trục quay.
Bảng 3.1: Các dạng công suất và các đại lượng dịng,đại lượng thế suy
rộng có liên quan.
Đại lượng thế
Đại lượng dịng suy Cơng suất
Dạng cơng suất
suy rộng p
rộng f
P = p.f
Tịnh tiến cơ học

Vận tốc dài v

Lực F

Quay cơ học

Vận tốc góc 

Momen M

F.v Prot =

Điện

Điện áp U

Dòng điện I

P.M= U.I

Dòng chất lỏng

Áp suất p

Lưu lượng V’

Chênh lệch nhiệt

Lượng truyền nhiệt

Nhiệt

độ t

kA

Ptrans =

Pfl = p.V’
Pth = t
.kA

Bảng 3.2: các dạng cơ cấu chấp hành và đặc tính của chúng
Cơ cấu chấp hành điện
Điôt,
thyristo, tranzitor
lưỡng cực, triac, điac Mosfes
cơng suất, rowle
bán dẫn

Đặc tính
Dạng điện tử, đáp ứng tần số rất cao Tiêu
thụ năng lượng thấp

Cơ cấu chấp hành điện cơ
Động cơ một chiều, kích từ
độc lập
Động cơ một chiều mạch
mắc rẽ nhánh
Động cơ một chiều mạch tổ
hợp

Động cơ một chiều nam
châm vĩnh cửu kiểu truyền
thống

Đặc tính
Tốc độ có thể điều khiển bằng điện áp chạy trong
cuộn dây phần ứng hoặc thay đổi dịng điện trường
Ứng dụng khơng đổi
Mơ men khởi động cao, mô men gia tốc cao, tốc
độ cao với tải nhẹ, không ổn định khi tải nặng.
Hiệu suất cao, công suất cao, đáp ứng nhanh


22

Động cơ một chiều nam Hiệu suất cao hơn, độ cảm thấp hơn động cơ một
châm vĩnh cửu cuộn dây chiều truyền thống.
chuyển động
Động cơ một chiều nam
châm vĩnh cửu kiểu động
cơ mô men
Động cơ một chiều truyền
thông điện tử (không chổi
quét)
Động cơ cảm ứng xoay
chiều
Động cơ đồng bộ xoay
chiều
Động cơ bước lai ghép
Động cơ bước từ trở biến

thiên
Cơ cấu chấp hành điện từ
Thiết bị dạng solenoid
Nam châm điện từ, rơ le
Cơ cấu cháp hành thủy
khí
Xy lanh
Động cơ thủy lực nói
chung
Các loại van thủy khí
Cơ cấu chấp hành vật liệu
thơng minh
Áp điện và điện giảo

Từ giảo
Hợp kim nhớ hình thù
Dịng lưu biến điện

Cơ cấu chấp hành micro
và nano
Động cơ micro

Có thể chạy trong thời gian dài trong điều kiện chết
máy hoặc vòng quay thấp.
Đáp ứng nhanh, hiệu suất cao > 75%, tuổi thọ dài, độ
tin cậy cao, không cần bảo dưỡng, sinh nhiễu tần số
sóng thấp.
Là động cơ được dùng nhiều nhất trong công
nghiệp, đơn giản, rẻ và khỏe.
Rotor quay với tốc độ đồng bộ, hiệu suất rất cao trên

dải vận tốc và tải rộng, cần trợ giúp để khởi
động, thọ ngắn.
Thay đổi xung điện trong chuyển động cơ học đưa ra vị
trí chính xác, khơng cần phản hồi.
Bảo dưỡng ít
Đặc tính
Lực lớn, tác động nhanh
Điều khiển đóng, mở.
Đặc tính
Thích hợp với chuyển động thẳng
Dải tốc độ rộng, khoảng tải rộng, tin cậy cao,
khơng có rủi ro sốc điện
Ít phải bảo dưỡng
Đặc tính
Tần số cao với chuyển động nhỏ
Điện áp thấp với kích thích dịng điện thấp
Độ phân giải cao
Tần số cao với chuyển động nhỏ
Điện áp thấp với kích từ dịng điện cao
Điện áp thấp với kích từ dịng điện cao
Tần số thấp với chuyển động lớn
Kích từ điện áp rất cao
Chịu đựng tốt với sốc và dao động cơ học Tần
số thấp với lực lớn
Đặc tính
Thích hợp với các hệ micro


23

Co thể dùng cơng nghệ xử lý silic sẵn có, tính chất như
động cơ tĩnh điện
Bơm micro
Có thể dùng bất cứ vật liệu thông minh nào
Tiếp theo, ta sẽ đề cập tới các thành phần chính của bộ chuyển đổi năng lượng
trong thực tế.
2. Cơ cấu chấp hành điện từ
Van micro

Các loại cơ cấu dẫn động kiểu mới được trình bầy trong phần này không tuân
theo những nguyên tắc vật lý đã được đề cập tới trước đây. Chúng được phát
triển trong nhiều năm, tập trung cho các thiết bị có cơng suất nhỏ và chỉ tạo các
chuyển động tịnh tiến. Công việc nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn đang được
tiếp tục. Những bước phát triển theo được mong đợi trên hai lĩnh vực: Thứ
nhất là những hiểu biết mới trong nghiên cứu vật liệu sẽ mở ra những giải
pháp ưu việt hơn về nguyên lý hoạt động của cơ cấu dẫn động. Thứ hai là tiếp
tục xu hướng thu nhỏ hóa các cơ cấu dẫn động để phù hợp với vi cảm biến và vi
máy tính, và để tiếp tục phát triển lĩnh vực kỹ thuật vi hệ và vi cơ điện tử. Tổng
quan về những loại cơ cấu dẫn động mới sẽ được trình bày dưới đây, tiếp theo
đó là các kết quả nghiên cứu về cơ cấu dẫn động áp điện được nêu ra như một thí
dụ ứng dụng.
Cơ sở lý thuyết của bộ chuyển đổi áp điện
Trước hết, ta đề cập tới các quan hệ về vật liệu để mô tả hiệu ứng áp điện. Các
quan hệ này kết nối biến dạng trượt S và mật độ dịch chuyển điện D với ứng suất
cơ học T và cường độ điện trường E,
S = sET + dE

(3.14)

D = dTT + TE

(3.15)
Trong quan hệ dưới dạng tenxơ tổng quát nêu trên, đại lượng T là hằng số
điện môi tại T = const, sE chứa các hằng số đàn hồi tại E = const và d gồm các
hằng số điện áp. Các ký hiệu trong phương trình (3.14) và (3.15) phù hợp với
những quy ước trong vật lý chất rắn cũng như mạng tinh thể ,chúng trái với thuật
ngữ trong cơ học kỹ thuật, trong đó tenxow biến dạng trượt được ký hiệu bằng D
và tenxơ ứng suất được ký hiệu là S. Để làm rõ những quan hệ này, ta đơn giản
hóa chúng nhờ các đại lượng vô hướng
S = sET + dE

(3.16)

D = dT + TE

(3.17)

Trong trường hợp đặc biệt d = 0 sẽ không tồn tại quan hệ áp điện. Khi đó hai
phương trình trên hồn tồn độc lập và mơ tả riêng rẽ ứng xử của vật liệu về điện
và về cơ học. Phương trình (3.16) dẫn tới ứng xử của vật liệu về cơ học. Phương
trình (3.16) dẫn tới ứng xử của vật liệu vè cơ học với s  sE
S = sT

(3.18)


24

hoặc theo cách biểu diễn của cơ học kỹ thuật:
1
  

tương
E như 

1
tự   ,
G

(3.19)


25

Bảng 3.3: Tổng quan về các loại cơ cấu dẫn động kiểu mới
Hiệu ứng vật lý

Thông số kỹ thuật (giá
trị tham khảo)

Các ứng dụng

Cơ cấu dẫn động áp điện
Khi đặt điện áp vào một tấm Điện áp định mức 800vật liệu áp điện sẽ làm xuất
1500 V
hiện sự thay đổi độ dày của
Dịch chuyển định mức
tấm do hiệu ứng áp điện
70 – 200 m

Các bộ chuyển đổi,
phần tử cảm biến

chịu uốn, Động cơ
Inch - worm, Động
cơ siêu âm

Độ cứng tới
2000 N/ m
Tần số riêng
2 – 50 kHz
Cơ cấu dẫn động từ giảo
Khi đặt vật liệu sắt từ trong Cường độ dịng điện 2A
một từ trường sẽ làm xuất
Kích động 50 kA /m Dịch
hiện sự thay đổi chiều dài của
chuyển định mức 50 m
vật liệu do hiệu ứng từ giảo
Tải 500 N

Các bộ chuyển đổi,
Động cơ Inch worm, Bộ van vòi
phun
nhiên liệu
diesel, Bộ giảm chấn
chủ động

Tần số riếng > 1 kHz

Cơ cấu dẫn động lưu biến điện
Khi được đặt trong một điện ứng suất tiếp trên cường
trường, độ nhớt của một số độ điện trường
loại chất lỏng đặc biệt sẽ tăng

600 – 800 Pa/ (kV/mm)
lên.

Các

Van, ổ trục động
cơ, Bộ phận giảm
xóc

Cơ cấu dẫn động lưu biến từ

ly hợp có
điều khiển,