TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

Bài giảng: CƠ ĐIỆN TỬ

Số tín chỉ: 3

1
 Tài liệu tham khảo
1. Sabri Cetinkunt, 2. Godfrey C.Onwubolu,
Mechatronics, John Mechatronics: Principles
Wiley & Sons, 2007 and
Applications, Butterworth-
Heinemann – July 8, 2005

2
 Tài liệu tham khảo
3. Devdas Shetty & Richard
A. Kolk, Mechatronics
System Design, Cengage
Learning, USA, 2011

4. Robert H. Bishop. The

Mechatronics Handbook.

5. Nitaigour Premchand
Mahalik. MECHATRONICS-
principles, Concepts and
3
Applications.
 Tài liệu tham khảo
6. Cơ điện tử. GS. TSKH B.
Heimann, GS. TSKH W. Gerth,
GS. TSKH K. Popp. NXB KH & KT.

7. CƠ ĐIỆN TỬ- Hệ thống trong chế tạo

máy. TS. Trương Hữu Chí, TS. Võ Thị Ry.
NXB KH & KT.
8. CƠ ĐIỆN TỬ- Các thành
phần cơ bản. TS. Trương Hữu
Chí, TS. Võ Thị Ry. NXB KH & KT.
9. Mechatronics on Internet… 4
 What is Mechatronics?

Mechatronics is the integration of

mechanical, electrical, and computer
technologies into the design of
complex products

5
Các ứng dụng của Cơ điện tử

6
 Một vài ví dụ về hệ thống Cơ điện tử
Thiết bị gia đình, văn phòng:

7
Trong công nghiệp, sinh hoạt:

8
9
10
Phần I: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ

Phần II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CÁC HỆ

VẬT LÝ

Phần III: CƠ CẤU CHẤP HÀNH

Phần IV: CẢM BIẾN VÀ ĐO LƯỜNG

Phần V: CÁC PHẦN TỬ XỬ LÍ DỮ LIỆU TRONG HỆ

THỐNG

Phần VI: ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG

11
 Phần I: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ

I.1 CƠ ĐIỆN TỬ LÀ GÌ
I.2 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA CƠ ĐIỆN TỬ
I.3 PHÂN LOẠI
I.4 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Đ/N HT CĐT

I.5 CHỨC NĂNG CỦA CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ

I.6 CÁC TÍN HIỆU ĐẦU VÀO CỦA HỆ CƠ ĐIỆN TỬ

I.7 CÁC TÍN HIỆU ĐẦU RA CỦA HỆ CƠ ĐIỆN TỬ

I.8 XỬ LÝ TÍN HIỆU

12
 Phần I: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ

I.1 CƠ ĐIỆN TỬ LÀ GÌ
“Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của cơ khí
với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong
thiết kế chế tạo các sản phẩm và quy trình công
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”
13
 “Một hệ Cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp các hệ
cơ khí, điện và nó cũng không chỉ đơn thuần là một
hệ điều khiển, nó là sự tích hợp đầy đủ của tất cả
các hệ trên”.

Đây là một lĩnh vực bản thân nó chưa hoàn

toàn định hình, mà đang tiếp tục định hình.
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.
14
I.2 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA CƠ ĐIỆN TỬ
Các thành phần chính của một hệ thống CĐT gồm:
- Mô hình hóa hệ vật lý;
- Cảm biến và cơ cấu chấp hành;
- Tín hiệu và hệ thống;
- Máy tính và hệ thống logic;
- Phần mềm và thu thập dữ liệu.

15
16
I.3 PHÂN LOẠI
*) Nếu dựa trên quan điểm các lý thuyết cơ sở
được áp dụng thì có 3 loại hệ CĐT:
- Hệ cơ điện điện tử truyền thống;
- Hệ cơ điện tử kích thước micro;
- Hệ cơ điện tử kích thước nano.

17
 *)Sản phẩm CDT hiện được chia làm 4 lớp :
-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 công cụ điều khiển số CNC;

18
 - 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 ngoài không đổi, ví dụ như máy khâu hiện đại.

19
 - 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.

20
 - Lớp IV: các sản phẩm được thiết kế bởi các
công nghệ cơ khí và điện tử tích hợp hỗ trợ nhau, Ví
dụ máy photocopy, nồi cơm điện.

21
 I.4 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ Đ/N HT CĐT
-Mechatronics = Mechanics + Electronics
-Cơ điện tử(CĐT) = Kt cơ khí + Kt điện + Kt máy tính +
Kt điều khiển
-1969, Nhật: Bổ sung các yếu tố điện tử vào các thành
phần cơ khí trong máy chính xác.
-Những sản phẩm đầu tiên:Cửa mở tự động,máy bán
hàng tự động,…...
-Thập kỉ 80, áp dụng các bộ VXL vào hệ thống cơ khí.
-Thập kỉ 90, xuất hiện công nghệ truyền thông  các
sản phẩm có thể nối mạng  mạng vận hành từ xa
cánh tay máy,điều khiển hệ thống sản xuất qua mạng..
-Xuất hiện CĐT siêu nhỏ: micromechatronics và
nanomechatronics 22
23
24
I.5 CHỨC NĂNG CỦA CÁC HỆ CƠ ĐIỆN TỬ

- Sự phân chia chức năng giữa cơ khí và điện tử

- Cải thiện các đặc tính hoạt động

- Bổ sung các chức năng mới

25
 * CÁC THUỘC TÍNH CỦA THIẾT KẾ TRUYỀN THỐNG VÀ
THIẾT KẾ CDT
Thiết kế truyền thống Thiết kế cơ điện tử
Các thành phần phải thêm vào Tích hợp các tp (phần cứng)
1. To lớn 1. Nhỏ gọn
2. Kết cấu phức tạp 2. Kết cấu đơn giản
3. Vấn đề dây dẫn 3. Truyền thông ko dây hoặc bus
4. Các thành phần kết nối 4. Các thiết bị tự trị
Điều khiển đơn giản Tích hợp bởi xử lý thông tin
(phần mềm)
5. Cấu trúc cứng nhắc 5. Cấu trúc mềm dẻo với phản hồi
điện tử
6. Điều khiển truyền thẳng, tuyến 6. Điều khiển số phản hồi khả lập
tính trình (phi tuyến)
7. Độ chính xác nhờ dung sai hẹp 7. Độ chính xác nhờ đo lường và
điều khiển phản hồi.
8. Các đại lượng không đo được 8. Điều khiển các đại lượng không
thay đổi tùy tiện đo được mà ước lượng được.
9. Theo dõi đơn giản 9. Giám sát với chẩn đoán lỗi. 26
10. Khả năng cố định 10. Khả năng tự học
I.6 CÁC TÍN HIỆU ĐẦU VÀO CỦA HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
*) Đầu vào bộ chuyển đổi cảm biến

Tất cả các đầu vào của hệ CDT 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 môi trường và thiết bị được đo còn
cảm biến thụ động thì không.
27
 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.
28
 *) Bộ biến đổi tƣơng tự-số (A/D)
Các bộ biến đổi này có thể được phân loại theo
hai thông 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.

29
I.7 CÁC TÍN HIỆU ĐẦU RA CỦA HỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Bộ biến đổi số - tƣơng 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.
30
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 động nào đó như bật tắt lò
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.
31
 Solenoid là thiết bị bao gồm lõi sắt chuyển
động được, lõi sắt này được kích hoạt bởi một dòng
điện.
Sự chuyển động của nó giúp điều khiển dòng
thủy lực hoặc khí nén, thiết bị này được ứng dụng
nhiều trong các hệ thống phanh và trong công
nghiệp chất lỏng.

32
 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.
33
I.8 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, quá 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. 34
 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.
Bộ lọc thông dải cho phép một dải tần số nhất
định đi qua, còn tất cả các dải khác sẽ bị làm suy
giảm.
Bộ lọc ngăn dải chỉ lọc một dải tần số nhất định trong
khi vẫn cho phép tất cả các dải tần số khác đi qua.
35