CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ pdf

• Các thiết bị ngoại vi bộ cảm biến, bảng điều khiển thường không được nối trực tiếp với hệ thống vi xử lý do thiếu tương thích về mức và dạng tín hiệu Thiết bị ngoại vi Mạch giao diện

2.1.1 Môđun môi trường

2.1.8 Môđun giao diện

2.1 Các môđun của hệ thống cơ điện tử

•Liên quan đến các thông số bên ngoài

•Vừa đóng vai trò đầu vào, đầu ra.

•Không hiện diện trong sản phẩm cơ điện tử.

08/12/24 4

“tia chíp”

• Đặc biệt đối với các hệ thống điều khiển trong

công nghiệp chú ý môi trường điện từ trường và nhiễu tín hiệu do đột biến áp khi kích hoạt động

cơ ba pha nối tam giác.

HT Cơ khí ( Quá trình )

Bộ khuyêch đại Bộ ĐC HT đo ( Sensor)

( Vi XL )

Tín hiệu đầu Ra

Tín hiệu đầu vào

NHIỄU

CẤU TRÚC HT CƠ ĐIỆN TỬ

Kích Truyền Động

Qúa Trình

Cơ Sensor

H.2 Tích hợp không gian HT-CĐT

Vị trí khả năng tích hợp

• Tích hợp Chức năng : Tích hợp qua xử lý thông tin Dự trên đại lượng

đo được xử lý, lưu chuyển thực hiện dưới dạng : Điều chỉnh – Giám sát , tối ưu …

TÍCH HỢP CÁC THÀNH PHẦN Giám sát TT trực tuyến

Micro computer Kích truyền Quá Trình Sensor

Điều khiển Giám sát Thích nghi - Tối ưu

H.2 Phân loại cơ cấu điều khiển theo vị trí PP dò dữ liêu

H.2 Cấu trúc Máy Điều khiên số (CNC )

H.2 Tích hợp chức năng máy CNC điều khiên số

2.1.2 MÔĐUN TẬP HỢP

• Là tồn bộ hệ thống cơ khí, thể hiện hình dáng cơ sở của các sản phẩm.

• Bao gồm: chi tiết, cụm cơ khí, khung bộ lắp ráp cho các mơđun, các chi tiết sử dụng làm vật liên kết, vật trung gian ghép nối…

• Thể hiện tính thẩm mỹ của sản phẩm.

2.1.3 MÔĐUN ĐO LƯỜNG

2.1.5 MOÂÑUN TRUYEÀN THOÂNG

• Điều khiển trung tâm (đầu những năm 70)

• Điều khiển phân cấp.

• Hệ điều khiển phân quyền.

2.1.6 MÔĐUN XỬ LÝ

• Mơđun xử lý, xử lý thơng tin do mơđun giao diện và mơđun

đo lường cung cấp

• Bộ vi xử lý được chia thành 3 vùng:

• Bộ xử lý trung tâm (CPU) nhận biết và thực hiện các lệnh của chương trình.

• Giao diện nhập-xuất để quản lý và truyền thơng giữa bộ

xử lý và thế giới bên ngồi.

• Bộ nhớ để lưu giữ chương trình và dữ liệu.

• Đường truyền bus: Data bus, address bus, control bus.

Sự tương tác của môđun xử lý với các môđun khác.

2.1.6 MÔĐUN XỬ LÝ

2.6.1 Đường truyền bus: Data bus, address bus, control bus.

2.6.2 Bộ xử lý trung tâm CPU.

CPU quản lý tất cả các hoạt động và thực hiện tất cả các thao tác trên dữ liệu

2.6.3 Bộ nhớ:

Bộ nhớ ROM (Read Only Memory)

Bộ nhớ EPROM (Erasable and Programable)

Bộ nhớ RAM (Random Access Memory)

2.1.7 MOÂÑUN PHAÀN MEÀM

2.1.8 MOÂÑUN GIAO DIEÄN

• Là một phần quan trọng trong hệ thống Cơ điện tử.

• Các thiết bị ngoại vi (bộ cảm biến, bảng điều khiển) thường không được nối trực tiếp với hệ thống vi xử lý

do thiếu tương thích về mức và dạng tín hiệu

Thiết bị ngoại vi Mạch giao diện Bộ vi xử lý Thiết bị ngoại vi Mạch giao diện

Thiết bị ngoại vi Mạch giao diện

Thiết bị ngoại vi Mạch giao diện Bộ vi xử lý Thiết bị ngoại vi Mạch giao diện Bộ vi xử lý Thiết bị ngoại vi Mạch giao diện

2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

2.2.1 Hệ Thống Thông Tin

Hệ thống thông tin bao gồm tất cả các khía cạnh về truyền thông tin, từ quá trình xử lý tín hiệu cho hệ thống điều khiển đến các kỹ thuâït phân tích.

Một hệ thống thông tin là một bộ kết hợp từ 4 lĩnh vực:

1 các hệ thống giao tiếp, 2.xử lý tín hiệu,

3.hệ thống điều khiển 4.các phương pháp số học

Trong các tiếp cận cơ điện tử chúng ta liên hệ phần lớn về mô hình hóa, mô phỏng, điều khiển tự động và các phương pháp số học cho công việc tối ưu hóa.

2.2.1.1 Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng

Mô hình hóa là quá trình mô tả hoạt động chấp hành của một hệ thống thực b ng một tập hợp các phương trình toán học và các ằng một tập hợp các phương trình toán học và các biểu thức logic Thuật ngữ hệ thống thực ý nói là các hệ thống

vật lý, là hệ thống mà tất cả các hoạt động đáp ứng của nó đều dựa trên cơ cấu vật lý và năng lượng Các mô hình có thể được phân loại thành hai loại: mô hình t nh và mô hình động Mô hình ĩnh và mô hình động Mô hình

t nh là mô hình mô tả hệ thống mà không có sự truyền năng ĩnh và mô hình động Mô hình

lượng, hay hình thức chuyển đổi năng lượng nào trong nó Trái với mô hình t nh là mô hình động ĩnh và mô hình động Mô hình

Các mô hình là một cấu trúc nhân-quả Chúng tiếp nhận thông tin bên ngoài vào và xử lý chúng theo các phương trình toán và biểu thức logic trong chúng để cho ra một hay nhiều đầu ra

Thông tin đưa vào mô hình có thể có giá tr cố đ nh ho c thay đổi ị cố định hoặc thay đổi ị cố định hoặc thay đổi ặc thay đổi theo thời gian

2.2.1.1 Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng (tt)

2.2.1.1 Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng (tt)

2.2.1.1 Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng (tt)

2.2.1.1 Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng (tt)

2.2.1.1 Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng

2.2.1.1 Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng(tt)

Vì các mô hình là tập hợp từ các biểu thức logic và toán học nên chúng có thể được xây dựng trên các ngôn ngữ lập trình cấp cao như C, BASIC, FORTRAN Tuy nhiên, theo phần lớn các kỹ sư thì các môi trường giao tiếp theo các chương trình như trên là không thuận tiện và thiếu trực giác Họ muốn có môi trường giao tiếp dựa trên hình ảnh ,hay còn gọi là visual, thay thế cho các môi trường giao tiếp dựa trên ký tự Tuy nhiên môi trường visual cũng không phải là không có vấn đề Một trong các vấn đề đáng ngại nhất chính là sự tối nghĩa của nó Tuy vậy, sự tối nghĩa này ngày càng được kh c phục bởi các môi trường giao ắc phục bởi các môi trường giao tiếp visual ngày càng được hoàn thiện.

Vào khoảng đầu năm 1978, những ngôn ngữ lập trình visual đầu tiên thích hợp cho nhu cầu mô hình hoá hệ thống vật lý đã b t đầu xuất hiện Các ngôn ngữ ắc phục bởi các môi trường giao như K3LA, Digicon, Easy5, Protoblock là những ngôn ngữ được phát triển đầu tiên và được dùng trong cơng nghiệp hàng không, vào lúc đó chúng chưa được sử dụng phổ biến trong các nghành công nghiệp khác cũng như trong học tập Ngày nay thì đã có rất nhiều các phần mềm mô hình hoá dựa trên sơ đồ khối dùng trên máy tính PC như Matrixx, Easy5, Simulink, VisSim và Labview.

2.2.1.1 Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng (tt)

Mô phỏng là quá trình sử lý mô hình và chúng được thực thi trên máy vi tính Mô phỏng có thể được thực hiện trên máy tính tương tự và trên máy tính số Thông thường thì người ta thực hiện trên máy tính số Trên các phần mềm thì dữ liệu mô phỏng có thể được truy xuất thành file, điều này cho phép người thiết kế ghi nhớ và truy cập nhanh kết quả đã mô phỏng mà không phải “chạy lại

quá trình mô phỏng Trừ một vài phần mềm như : Visio, Rflow,

ABC Flowcharter thì hầu như tất cả các phần mềm được sử dụng phổ biến như : Matrixx/System Build (hãng Integrated Systems), Easy5 (hãng Boeing), Mathlab/Simulink (Mathworks), VisSim

(Visual Solution) và Labview (National Instruments) đều có chức năng mô phỏng theo cùng.

2.2.1.2 Automatic Controls

Ky õthuật hệ thống điều khiển là lĩnh vực đã được giới thiệu vào những năm cuối của thế kỷ 19 sau phát minh của Maxwell về độ ổn đ nh của hệ ị cố định hoặc thay đổi thống Phát minh của ông cho biết mức ổn đ nh của các hệ thống bậc thấp ị cố định hoặc thay đổi (từ 3 trở xuống) thì phụ thuộc vào nghiệm số phương trình đ c tính Sau đó, ặc thay đổi lý thuyết này được Routh phát triển thêm và xây dựng nên phương pháp Array Phương pháp này cung cấp cho người kỹ sư một “công cụ phân tích hiệu quả, nó cho phép người kỹ sư xác đ nh mức độ ổn đ nh của hệ thống có ị cố định hoặc thay đổi ị cố định hoặc thay đổi phương trình đ c tính cao hơn Vào giữa thế kỹ 19 thì phần lớn các hệ thống ặc thay đổi điều khiển hầu như chỉ giới hạn trong hệ thống cơ khí, cơ – thuỷ lực, cơ – nhiệt Đến năm 1927, H S Black ở Bell Labs phát minh ra bộ khuyếch đại hồi tiếp điện tử thì một chương mới trong lĩnh vực điều khiển đã được mở ra Một hệ thống điều khiển mới với nhiều ưu điểm nổi bật đã ra đời, hệ thống điện – cơ

Vào những năm giữa 1927-1975, điện tử đã được sử dụng vô cùng mạnh mẽ trong các hệ thống điều khiển, đ c biệt là từ sau phát minh ra ặc thay đổi Transistor và vi xử lý Vào lúc đó thì vẫn chưa có một lý thuyết thiết kế chính thức cho các hệ thống điện cơ, mà người ta chỉ dựa trên kinh nghiệm

2.2.1.2 Automatic Controls

Năm 1681 Denis Papin đã phát minh ra

van an toàn dùng để điều khiển áp suất hơi

nước

Điều khiển tốc độ: Con quay của James

Watt

Vào những năm giữa 1927-1975, điện tử đã được sử dụng vô cùng mạnh mẽ trong các hệ thống điều khiển, đ c biệt là từ sau phát minh ra Transistor và vi ặc thay đổi xử lý Vào lúc đó thì vẫn chưa có một lý thuyết thiết kế chính thức cho các hệ thống điện cơ, mà người ta chỉ dựa trên kinh nghiệm

Một trong những nhân tố quyết đ nh của hệ thống điều khiển chính là ị cố định hoặc thay đổi

Feedback Hình dưới đây trình bày một hệ thống phản hồi cơ sở (BFS : Basic

Feedback System).

G(D) H(D)

Y E

-Forward Loop

Forward Loop

Hình 2 4 Basic Feedback System (BFS)

Để hiểu rõ, và phân tích được các mạch điều khiển bạn cần phải có những hiểu biết cơ bản về các sơ đồ khối Trong sơ đồ khối thì mổi đối tượng hay một nhóm các đối tượng được đ c trưng b ng một khối Hoạt động của mổi ăc trưng bằng một khối Hoạt động của mổi ằng một tập hợp các phương trình toán học và các khối được mô tả b ng phương trình truyền đạt ằng một tập hợp các phương trình toán học và các

2.2.1.3 Tối u Hoá Ưu Hoá

Tối ưu hoá được dùng để giải quyết các bài toán về sử dụng tài nguyên, chi phí, và các mục đích khác trong những ràng buộc nhất đ nh Trong lĩnh vực cơ điện tử, tối ưu hoá được dùng trước ị cố định hoặc thay đổi tiên là để thiết lập một cấu trúc hệ thống tối ưu Tuy nhiên nó còn được áp dụng nhiều trong các vấn đề khác như :

 Nhận dạng các quỷ đạo tối ưu.

 Thiết kế hệ thống điều khiển.

 Nhận dạng các thông số mô hình.

Trong cơ điện tử thì các yếu tố thuộc về tài nguyên được xem là các biến thiết kế, các yếu tố thuộc về nguyên lý vận hành của hệ thống được xem là các hàm mục tiêu, và các quan hệ của môi trường đến hệ thống được xem là các quan hệ ràng buộc (phương trình ràng buộc)

Những bài toán tối ưu hoá trong thực tế phần lớn là đa phương

không tuyến tính, không có một phương pháp tốt nhất đơn lẻ cho việc tối thiểu hoá hàm mục tiêu M c dù tất cả các bài toán tối ưu đều ặc thay đổi

tương tự nhau về phương trình :

P k+1 = P k + t.S k , nhưng có nhiều phương pháp khác nhau trong tính toán

stepwise (bước phân đoạn) t, xác đ nh chiều, Sị cố định hoặc thay đổi k Nếu thông tin cơ sở

không cho trước để xác đ nh chiều, khi đó ta sẽ dùng phương pháp ị cố định hoặc thay đổi

Simplex ho c Powell’s ặc Powell’s Nếu thông tin cơ sở đã cho trước thì ta có thểõ

dùng các phương pháp Variable Metric (phương pháp ma trận biến số)

như : Davidon-Fletcher-Powell (DFP) hay Shanno (BFGS), ho c các phương pháp Conjugate Gradient như : ặc thay đổi

Broyden-Fletcher-Goldfarb-Fletcher-Reeves Algorithm ho c Polak-Ribiere Algorithm ặc thay đổi

2.2.2 Hệ Thống Cơ

Hệ thống cơ gồm tất cả các thành phần mà hoạt động chấp hành của chúng ch u sự tác động của lực ị cố định hoặc thay đổi

Người ta phân loại hệ thống cơ thành ba dạng đ c trưng ặc thay đổi

riêng theo bản chất : hệ thống cứng, hệ thống có biến

dạng, và hệ thống thuỷ lực (cũng như khí nén)

Trong thực tế không có hệ thống cơ cứng hoàn toàn, tuy nhiên khi sự biến dạng của chúng là nhỏ và không ảnh

hưởng đến chức năng hoạt động đang xét thì người ta xét chúng thuộc hệ thống cứng Khi cần xét đến các ảnh hưởng của biến dạng, sức bền của vật liệu thì người ta sẽ nghiên cứu sâu trong lĩng vực hệ thống có biến dạng Trong hệ

thống về cơ thuỷ lực thì chúng liên hệ về áp suất, lực, và năng lượng của dòng chảy trong quá trình truyền năng

lượng.

2.2.3 Hệ Thống Điện

Hệ thống điện gồm các phần tử mà có liên quan đến ba đại lượng cơ bản đó là : điện tích, dòng điện và điện thế Khi có một dòng điện tồn tại thì năng lượng điện sẽ được truyền từ v trí này đến v trí khác ị cố định hoặc thay đổi ị cố định hoặc thay đổi

Hệ thống điện được phân làm hai loại : hệ thống điện công suất và hệ thống điện giao tiếp

Hệ thống điện giao tiếp được thiết kế để truyền thông tin dưới dạng tín hiệu điện (năng lượng mức thấp) giữa các v trí trong hệ thống ị cố định hoặc thay đổi

Người ta đ t riêng lĩnh vực này là lĩnh vực điện tử ặc thay đổi

Ngược lại với hệ thống điện tử là là hệ thống điện công suất Hệ thống điện công suất truyền công suất điện (dòng điện năng lượng lớn) từ v ị cố định hoặc thay đổi trí này đến v trí khác Ch ng hạn như máy phát điện chuyển năng ị cố định hoặc thay đổi ẳng hạn như máy phát điện chuyển năng lượng năng lượng cơ thành năng lượng điện và các môtơ thì ngược lại, chúng chuyển năng lượng điện thành năng lượng cơ.

2.2.3 Hệ Thống Điện (tt)

Hệ thống điện là tích hợp trong tiếp cận cơ điện tử Các thành phần điện thường được sử dụng phổ biến trong cơ điện tử là các thành phần sau:

 Động cơ điện và máy phát điện.

 Cảm biến và cơ cấu tác động.

 Các thiết b giám sát tình trạng, gồm cả các máy tính ị cố định hoặc thay đổi

 Các mạch điện (các mạch chuyển đổi tín hiệu, các mạch khuyếch đại).

 Các thiết b đóng ng t (rơle, thiết b ng t mạch, công t c, ị cố định hoặc thay đổi ắc phục bởi các môi trường giao ị cố định hoặc thay đổi ắc phục bởi các môi trường giao ắc phục bởi các môi trường giao cầu chì)

Để có thể thiết kế và ứng dụng tốt các hệ thống điện trong lĩnh vực

cơ điện tử bạn cần phải có những kiến thức cơ bản về phân tích mạch

AC, DC cũng như các nguyên lý làm việc của các thiết b bán dẫn ị cố định hoặc thay đổi

ch ng hạn như Diode, Transistor ẳng hạn như máy phát điện chuyển năng

2.2.4 Hệ Thống Máy Tính (tt)

Khoa học máy tính là lĩnh vực nghiên cứu về các thiết b vi điện tử, ị cố định hoặc thay đổi cách kết nối chúng để khi tích hợp chúng lại với nhau thì chúng có thể suy nghĩ, phân tích, tính toán nhanh chóng và chính xác các vấn đề mà con người đ t ra Tất nhiên chúng là do con người tạo ra Quá trình xử ặc thay đổi lý ở máy tính thì nó bao gồm cả phần cứng và phần mềm Trong tiếp cận ở lĩnh vực cơ điện tử thì phần cứng hệ thống máy tính thường chỉ giới hạn ở các thiết b và các vi mạch ị cố định hoặc thay đổi computer-specific Chúng bao

gồm các mạng logic, flipflops, counters (bộ đếm), timer (bộ đ nh thì), ị cố định hoặc thay đổi triggers, các mạch tích hợp và các bộ vi xử lý.

2.2.4 Hệ Thống Máy Tính (tt)

Trong môi trường máy tính, người ta thiết lập nhiều ngôn ngữ giao tiếp khác nhau Các ngôn ngữ này có thể là rất gần g i với lối giao tiếp giữa ũi với lối giao tiếp giữa người với người hay tối nghĩa hơn tuỳ vào từng loại ngôn ngữ cụ thể

Các ngôn ngữ này sẽ được giải mã thành ngôn ngữ máy (“ngôn ngữ 0 và 1) Ngôn ngữ Assembly là ngôn ngữ cơ sở đầu tiên trong “thế giới ngôn ngữ cấp cao Chúng thường dùng ba ký tự để mô tả lệnh Về

phương diện giao tiếp thì ngôn ngữ Assembly tương đối tối nghĩa so với các ngôn ngữ cấp cao hơn như Pascal, C, Basic, Fortran Tuy nhiên về tốc độ xử lý thông tin thì Assembly luôn nhanh hơn các ngôn ngữ cấp cao hơn bởi thủ tục chuyển đổi thành ngôn ngữ máy của chúng đơn giản và nhanh chóng hơn rất nhiều Như đã giới thiệu ở phần trước, trong tiếp cận ở lĩnh vực cơ điện tử thì các ngôn ngữ giao tiếp theo ký tự như các ngôn ngữ trên là không thích hợp với các kỹ sư kỹ thuật Ngôn ngữ được ưa chuộng và sử dụng rộng rải trong cơ điện tử chính là ngôn ngữ Visual, phổ biến nhất là ngôn ngữ mô tả theo sơ đồ khối Ngày nay

người ta đang tiếp cận đến một loại hình ngôn ngữ giao tiếp mới đó

chính là Bond graph