BÁO CÁO MÔN HỌC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH MODELING OF ACTUATORS, SENSOR AND ELECTRONIC CIRCUITS

BÁO CÁO MÔN HỌC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH MODELING OF ACTUATORS, SENSOR AND ELECTRONIC CIRCUITS Tóm tắt đề tài Hệ thống tác động là một phần tử của hệ thống điều khiển chịu trách nhiệm chuyển đổi đầu ra của bộ vi xử lý thành hành động điều khiển trên máy hoặc thiết bị. Các loại hệ thống truyền động khác nhau là: • Hệ thống truyền động cơ khí • Hệ thống truyền động điện • Hệ thống truyền động thủy lực • Hệ thống truyền động khí nén Hệ thống truyền động cơ khí có thể bao gồm các liên kết, bánh răng, cam, xích hoặc dây đai. Công suất đầu vào được cung cấp tại một phần tử của hệ thống này và công suất đầu ra được nhận ở phần tử khác của hệ thống. Về cơ bản đây là những yếu tố chuyển đổi chuyển động từ dạng này sang dạng khác. Hệ thống kích hoạt điện bao gồm các thiết bị như: động cơ DC, động cơ AC, động cơ DC không chổi than, động cơ bước. Đầu vào của các thiết bị này là năng lượng điện và đầu ra là năng lượng cơ học. Hệ thống truyền động thủy lực và khí nén sử dụng năng lượng chất lỏng để dẫn động các thiết bị truyền động quay hoặc thẳng. Trong cách thứ nhất, chất lỏng làm việc thường là dầu (đôi khi là nước nhũ tương dầu), và ở dạng thứ hai, nó là khí nén. Hệ thống thủy lực được ưu tiên khi yêu cầu công suất cao nhưng rò rỉ chất lỏng thường là một vấn đề với các hệ thống này. Mặt khác, vấn đề rò rỉ không phải ở đó với hệ thống khí nén nhưng khả năng nén của không khí ảnh hưởng đến hoạt động điều khiển.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO MÔN HỌC

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH

MODELING OF ACTUATORS, SENSOR AND

Tóm tắt đề tài

Hệ thống tác động là một phần tử của hệ thống điều khiển chịu trách nhiệmchuyển đổi đầu ra của bộ vi xử lý thành hành động điều khiển trên máyhoặc thiết bị Các loại hệ thống truyền động khác nhau là:

cơ bản đây là những yếu tố chuyển đổi chuyển động từ dạng này sang dạngkhác Hệ thống kích hoạt điện bao gồm các thiết bị như: động cơ DC, động

cơ AC, động cơ DC không chổi than, động cơ bước Đầu vào của các thiết

bị này là năng lượng điện và đầu ra là năng lượng cơ học Hệ thống truyềnđộng thủy lực và khí nén sử dụng năng lượng chất lỏng để dẫn động cácthiết bị truyền động quay hoặc thẳng Trong cách thứ nhất, chất lỏng làmviệc thường là dầu (đôi khi là nước - nhũ tương dầu), và ở dạng thứ hai, nó

là khí nén Hệ thống thủy lực được ưu tiên khi yêu cầu công suất cao nhưng

rò rỉ chất lỏng thường là một vấn đề với các hệ thống này Mặt khác, vấn đề

rò rỉ không phải ở đó với hệ thống khí nén nhưng khả năng nén của khôngkhí ảnh hưởng đến hoạt động điều khiển

MỤC LỤC

1.1 Mô hình động cơ

1.1.1 Mô hình truyền động cơ khí

1.1.1.1 Cơ chế và mối liên hệ

1.1.1.2 Bánh răng

1.1.1.3 Lực ma sát

1.1.2 Mô hình động cơ truyền động điện

1.1.2.1 Động cơ DC

1.1.2.2 Động cơ nam châm vĩnh cửu

1.1.2.3 Động cơ DC với cuộn dây

1.1.2.4 Động cơ AC

1.1.2.5 Động cơ Step

1.1.3 Mô hình servo thủy lực

1.2 Mô hình hóa cảm biến

1.2.1 Thuật ngữ hiệu suất

1.2.2 Đặc tính tĩnh và động

1.2.3 Phân loại các cảm biến

1.2.4 Tiêu chí lựa chọn

1.2.5 Mô hình Bond Graph

1.2.6 Mô hình hóa hệ thống cơ điện tử với Bond

1.2.7 Cảm biến vị trí

1.2.7.1 Chiết áp

1.2.7.2 Bộ mã hóa

1.2.7.3 Công tắc cơ học

1.2.7.4 Cảm biến tiệm cận

1.2.8 Cảm biến vận tốc

1.2.8.1 Bộ mã hóa tăng dần

1.2.8.2 Máy phát điện nhanh

1.2.9 Cảm biến gia tốc

1.2.9.1 Gia tốc kế địa chấn

1.2.10 Cảm biến lực và áp suất

1.2.10.1 Máy đo độ căng

1.3 Các mẫu linh kiện mạch điện tử

1.3.1 Điều hòa tín hiệu

1.3.2 Bộ khuếch đại hoạt động

1.3.2.1 Cấu hình đảo ngược

1.3.2.2 Cấu hình không đảo ngược

1.3.3 Mạch Op-Amp

1.3.3.1 Mạch khuếch đại

1.3.3.2 Mạch trừ

1.3.3.3 Mạch tích hợp

1.3.3.4 Mạch phân biệt

1.3.3.5 Thiết bị lấy mẫu và giữ

1.3.3.6 Bộ so sánh

1.3.4 Diode bán dẫn

1.3.5 Transistor

1.3.5.1 Transistor như một bộ khuếch đại

1.3.5.2 Transistor như một công tắc

1.3.5.3 Mô hình bóng bán dẫn tín hiệu nhỏ và tuyến tính hóa

1.3.5.4 Mô hình tín hiệu lớn

1.3.5.5 Mô hình phi tuyến chi tiết

1.4 Kết luận

1.1 Mô hình động cơ

Mô hình hóa động cơ truyền động là hữu ích trong việc biết hành vi củacác động cơ truyền động. Với trợ giúp mô hình kích hoạt trong hệ thốngmechatronic integrated chúng ta có thể xác định các thông số khác nhau nhưmômen xoắn hoặc điện áp và yêu cầu hiện tại. Trước hết chúng ta sẽ lấy máybơm cơ khí và chúng ta sẽ cố gắng hiểu làm thế nào chúng ta có thể vẽ các môhình biểu đồ liên kết về cơ khí bộ truyền động. Trong chương này, chúng ta sẽphát triển mô hình động cơ truyền động đơn giản. 

1.1.1 Mô hình truyền động cơ khí

Động cơ cơ học bao gồm các cơ chế. Các cơ chế là thiết bị chuyển đổi mộtdạng chuyển động khác. Họ dùng các mối liên kết: bánh răng, dây xích và ổcứng. Camera và các mối liên kết được sử dụng để có một cái cụ thể hình thứcchuyển động. Động cơ dùng trong hệ thống mechatronic có tốc độ rất cao vàmômen xoắn thấp, trong khi yêu cầu thường lệ của chúng ta là tốc độ thấp vàmômen xoắn cao. Cái này yêu cầu đạt được bằng cách sử dụng bánh răng. Bánhrăng song song được dùng để giảm tốc độ trục. Bánh răng côn được dùng đểtruyền chuyển động quay qua 90◦. Sự sắp xếp bánh răng được dùng để chuyểnđộng quay sang chuyển động tuyến tính. Có răng dây đai và xiềng xích đượcdùng để truyền chuyển động quay dương. 

Nhiều công việc trước đây do các cơ chế đã được thay thế bởi các bộ vi xử

lý Tuy nhiên, chúng ta cần thiết bị truyền động cơ học cho các nhiệm vụ, chẳnghạn như khuếch đại lực/mômen xoắn thay đổi tốc độ bằng bánh răng, chuyểnđộng từ trục này sang trục khác theo thời gian. Chúng ta cũng có thể yêu cầu mộtloại chuyển động cụ thể như chuyển động nhanh chóng chúng ta có thể yêu cầuđiều động cơ khí. 

1.1.1.1 Cơ chế và mối liên hệ

Thiết kế nhiều cơ chế được dựa trên hai dạng dây chuyền động học cơ bản

(1) Cơ cấu quay thanh trượt (2) 4 cơ chế thanh. Hãy bắt đầu nghiên cứu với thanh

trượt cơ cấu quay. 

Cơ Cấu Quay Trượt   

Biểu đồ Bond Graph của hệ thống được trình bày trong hình. 1.1.Tay quayđầu vào một nguồn lực τ .Thanh trượt đang di chuyển chống lại một lò xocứng K và ma sát giảm chấn Rs Chuyển động góc của tay quay được biểu diễnbằng θ˙. 

Hình 1.1 Giản đồ sơ đồ cơ chế quay trượt

Hình 1 2 Mô hình biểu đồ Bond Graph cơ chế quay trượt

Máy biến áp quay vòng quay. Modull của transformers có thể từ phân tích động học về cơ chế như sau:  

Để độ dài của tay quay L1 và của thanh kết nối (Thanh 2 giữa 

Nếu s˙ là tốc độ x của thanh trượt sau đó x – thành phần của vận tốc điểm b trên liên kết 1 và liên kết 2 có thể được đồng bộ như sau:  

có lợi thế mà tương tác của răng là từ từ kết quả là dẫn động và kéo dài tuổi thọ. 

Hình 1.4 Giản đồ sơ đồ truyền động cơ điện trở tải trong

Hình 1.5 Mô hình biểu đồ Bond Graph 

ổ bánh răng

Hình 1.6 Mô hình biểu đồ Bond Graph đơn giản của ổ bánh rang

Bằng cách sử dụng răng xoắn kép. Một hình thức truyền động khác được

sử dụng trong mechatronic hệ thống là rack và bánh răng. Sự sắp xếp này về cơbản là hai bánh răng vòng tròn có bán kính vô hạn. Loại bánh răng này đượcdùng để biến đổi hoặc chuyển động tuyến tính chuyển động quay hoặc chuyểnđộng quay sang chuyển động tuyến tính. Khi hai bánh răng nằm trong mắtlưới. Một chuyển động chỉ có thể bao gồm bất kỳ hoặc tất cả các loại bánh răng,như côn, xoắn ốc, xoắn ốc, v v để chúng ta xem xét ổ bánh răng lái một tải điệntrở như được trình bày trong hình 1.4.  

Hình 1.5 cho thấy biểu đồ Bond Graph của hệ thống nơi Ip, Ig, và RL đại diệncho quán tính quay vòng bánh răng, và điện trở tải Lưu ý rằng đây là sự phảnứng dữ dội và tính linh hoạt của răng đã được mô hình hóa Cf và Rf phần tử. Nếu

độ cứng, ma sát lại bị bỏ qua thì biểu đồ Bond Graph có thể được trình bày tronghình 1.6 Trong hình 1.6 chúng ta quan sát phần tử tương ứng với bánh răng làdifferentially causalled, cho thấy sự phụ thuộc tốc độ của nó với tốc độ bánhrăng. Hệ quả vi phân này có thể tránh được bằng cách tính quán tính bánhrăng. Để làm điều này để chúng ta làm một số thao tác toán học đơn giản. TừBond Graph đồ thị của hình 1.6 chúng ta thấy điều đó

Hình 1.7 Biểu đồ Bond Graph tối giản ổ bánh răng 

Do đó, bạn có thể hiển thị biểu đồ Bond Graph 1.7 Bánh răng kết hợp

và quán tính bánh răng được biểu diễn bằng (Ig + Tp R 2 /r 2 Từ Hình 1.5 chúng ta

có thể tìm ra biểu thức gia tốc của quán tính kết hợp như:

Nếu chúng ta xem xét rằng trục chuyển động linh hoạt, thì biểu đồ liên kếtđược hiển thị trong hình 1.5 có thể được sửa đổi để kết hợp cùng với trục linhhoạt. Biểu đồ Bond Graph đã sửa đổi được trình bày trong hình 1.6 Ở đây, J làkhoảnh khắc cực kỳ quán tính của trục và R s là sự giảm chấn hiện tại. Tính linhhoạt được biểu diễn bằng C-1-R phần tử cứng của trục Kθ = GJ/L , ở đây G làmôđun cứng của trục và L là chiều dài trục Lưu ý rằng một nửa trục quán tínhquay trục ρ J /2) đã bị gộp lại ở đây tại hai đầu của trục linh hoạt.   

1.1.1.3 Lực ma sát

Ma sát hầu như luôn xuất hiện trong các động cơ truyền động và các cơ chế được

sử dụng trong mechatronic hệ thống. Nó thường chịu trách nhiệm cho hiệu suấtcủa các thành phần mechatronic. Nói chung, thuật ngữ ma sát là một lực cản trởxuất hiện khi chuyển động tương đối tồn tại giữa hai vật chất trong hoạtđộng. Thuật ngữ ma sát có nghĩa là ma sát giữa sự tiếp xúc rắn.  

thường thành phần của lực tác dụng và hệ số ma sát. Hệ số ma sát phụ thuộc vàovật liệu. Mô hình ma sát có thể được chia thành các mô hình tĩnh và động. Môhình tĩnh giả định mối quan hệ tĩnh giữa lực ma sát và tương đối vận tốc trong

khi mô hình động sẽ chăm sóc nhiều hiện tượng khác nhau, chẳng hạn như dịchchuyển presliding, độ trễ ma sát, và chuyển động trượt. 

quan hệ tuyến tính với vận tốc. Tuy nhiên, đây không phải là sự biểu diễn chínhxác của ma sát cơ khí. Hình 1.8 cho thấy các định luật lực ma sát cơ khí khác

nhau.  Ở đây (i) Định luật tuyến tính, (ii) định luật ma sát thực, và (iii) Định luật

chung:

(i) luật tuyến tính: luật này được sử dụng để nghiên cứu các hệ thống đơn giản

như giảm chấn, nơi lực ma sát được cung cấp: 

Ff= cV

Ở đây V là vận tốc tương đối giữa bề mặt tiếp xúc và c là hệ số ma sát.   

(ii) Định luật ma sát thực: luật này được sử dụng để nghiên cứu các hệ thống

đơn giản như giảm chấn lực ma sát được cung cấp bởi hình 1.8

(iii) Định luật chung: luật chung thực tế hơn theo nghĩa là nó mô hình 

hành vi hệ thống nếu một khối được đặt trên một bảng thì thường đòi hỏi nhiềuhơn

Hình 3 22 Một vài định luật ma sát

Hình 3 23 Định luật ma sát trượt 

1.1.2 Mô hình động cơ truyền động điện

Trong các hệ thống điện mechatronic, các động cơ điện thường được dùnglàm động cơ truyền động. Chủ yếu là họ sử dụng vào vị trí/hoặc hệ thống điềukhiển tốc độ. Động cơ điện là hai loại: 

• Động cơ DC (chủ yếu dùng trong hệ thống kiểm soát hiện đại) 

1 Lực được tạo ra trên một dây dẫn hiện hành được đặt trong trường từ

trường (luật của lorentz). Lực tác dụng này, được gọi là lực lượng lorentz

F = BIL

Ở đây B là sức mạnh từ trường, B là từ thông qua dây dẫn, và L là độ dàicủa dây dẫn. 

2 Khi dòng điện chuyển đến từ trường sau đó một lực điện động

(e.m.f.) đã được tạo ra

e=−d∅ dt (định luật faraday)   

đổi sản xuất nó. Các thiết lập hiện tại có xu hướng vô hiệu hóa sự thay đổi trong

từ thông được liên kết bởi cuộn dây. Hình 1.12 cho thấy sơ đồ sự sắp xếp namchâm thường xuyên và một vòng xoắn rôto. Ở đây để quay tiếp tục, khi cuộn dâyqua vị trí dọc, hướng hiện tại thông qua cuộn dây phải được đảo ngược. Nếuhướng hiện tại không đảo ngược thì khoảnh khắc được tạo bởi lực lượng lorentzsau khi chuyển vị trí dọc.

Hình 1.12 Động cơ DC cơ bản

Hình 1.13 Bộ nam châm động cơ

Để thay đổi hướng hiện tại, kết thúc của mỗi cuộn ứng dụng được kết nốivới các phân đoạn liền kề của vòng tròn gọi là vành đai có liên hệ điện tử đượctạo thành các phân đoạn thông qua carbon liên lạc. Hướng quay có thể đảo ngượcbằng cách đảo ngược ứng dụng hoặc hiện tại trường (trường hợp nam châm,hình1.13).  

1.1.2.2  Động cơ nam châm vĩnh cửu

qua hình1.12 Lực tác dụng ở góc phải của dây dẫn F = B, với F = N .Bởi vì cácthanh được sắp xếp theo cách như vậy dòng điện phản chiếu ở phía đối diện,những lực này dẫn đến một mô men xoắn T về trục cuộn dây T = Fb, ở đây b làđường kính cuộn dây. Mô - men xoắn có thể được viết như   

T = N BI Lb

Hình 1.12 Động cơ DC cơ bản

Hình 1.13 Bộ nam châm động cơ

Nếu chúng ta lấy Kt = NBlb, Vậy thì   

T = KtI

Ở đây Kt là biến đổi xoắn. Từ khi ứng dụng quay trong trường từ, cảm ứngđiện từ xảy ra và hồi sinh emf. Sau lưng emf V b là tỷ lệ trực tiếp với tốc độ từthông liên kết bởi các thay đổi cuộn dây. 

Hình 1.14 Mạch tương đương động cơ DC

Hình 1.15 Mô hình Bond Graph động cơ DC

Hình 1.16 Đặc trưng mô men xoắn động cơ DC

Vb = Kvω

điện trở R  và L trong chuỗi. Chuyển đổi K t  =  K v  thỏa mãn Tω  =  V b I Do đó,chúng ta có thể vẽ mô hình biểu đồ Bond Graph của động cơ DC như trong hình1.15 ở đây I r và R b  Tương ứng là mômen quán tính rôto của giảm chấn. Nếu thaotác trạng thái ổn định được coi là

động cơ DC như trong hình 1.16.  

1.1.2.3 Động cơ DC với cuộn dây

Hình 1.17 Bộ ngắt nối tiếp động cơ 

Hình 1.18 Mô hình biểu đồ Bond Graph động cơ DC 

Nối tiếp

Hình 1.17 thể hiện động cơ DC. Sau đây là các đặc tính của động cơ ngắtmạch. 

1 Cơ giới có mô men khởi động cao hơn và tốc độ tải cao hơn. 

2 Đảo chiều cực của cung không có tác dụng theo hướng quay động cơ. Nó

sẽ xoay theo cùng một hướng kể từ các dòng điện và dòng điện đảongược Hình 1.18 cho thấy mô hình biểu đồ Bond graph có động cơ

DC. Điện cảm ứng dụng là LA và trường điện cảm hiệu quả

là LF = Lm+ Ls  Ở đây Lm và Ls là inductances mutual lẫn stato. Sự biếnđổi cơ điện được mô hình hóa như một gyrator (mgy) với môđun của nóđược định nghĩa

K t (i F ) = L m i F N A /N S

Ở đây IF = IA , và NA và NS là số lượng phần ứng và phần stato. Nếu từtrường là không đổi (như trong động cơ nam châm vĩnh cửu) Kt trở thànhmột hằng số. 

Song song   

Hình 1.19 Đường dẫn điện song song động cơ

Hình 1.20 Mô hình biểu đồ Bond Graph có động cơ

Hình 1.19 biểu diễn sơ đồ động cơ điện tử. Theo sau là các đặc tính củađộng cơ. 

định tốc độ tốt. 

2 Điều chỉnh tốc độ liên tục của tải trọng là gần với tốc độ tải. 

3 Đảo ngược luân phiên hoặc cung ứng mặt bằng đảo ngược. 

cơ điện được mô hình hóa như một gyrator (mgy) của nó với môđun của nó làmột hàm của dòng hiện tại.   

Phức Hợp   

Hình 3 39 Sơ đồ phức hợp động cơ DC

Phức hợp là sự kết hợp của nối tiếp và song song. Sơ đồ đại diện cho động

cơ DC được trình bày trong hình. 1.21.  

Một động cơ DC đơn giản sử dụng một hoán đổi để thay đổi hướng điqua phần ứng Động cơ cần bảo trì thường xuyên trong đó bàn chải phải thay đổi định kỳ. Thiết kế động cơ DC loại bỏ vấn đề này. Chúng ta 

đã biết rằng một người dẫn đường hiện tại trong một trải nghiệm từ trường lực lượng. Sau đó, theo luật của newton, nam châm cũng sẽ trải nghiệm bằngnhau và ngược lại. Do đó, chúng ta có thể đặt các dây dẫn hiện thời (cuộn) 

bộ phận stato và nam châm vĩnh cửu trong rotor. Nam châm vĩnh cửu Động cơ DC hoạt động theo nguyên tắc đơn giản này. 

Như rôto nam châm vĩnh viễn quay, các cảm biến thường được dùng để cảmnhận vị trí của rotor và tùy thuộc vào vị trí rotor, hiện tại cuộn dây stato đượcchuyển đổi bởi các transistor. 

1.1.2.4 Động cơ AC

cơ nhiều pha. Động cơ một pha được dùng cho các ứng dụng điện thấp trongkhi các động cơ nhiều pha được dùng cho các ứng dụng điện cao. Mỗi động cơnày có thể đi sâu hơn vào động cơ quy nạp và động cơ đồng bộ. Động cơ AC rẻhơn so với các động cơ DC, nhưng khó kiểm soát tốc độ của họ. Tốc độ điềukhiển động cơ AC dựa trên việc cung cấp tần số biến đổi, vì tốc độ vận độngđược xác định bằng tần số điện áp cung. 

1.1.2.5 Động cơ Step

châm vĩnh cửu động cơ stepper, các cột rôto là nam châm vĩnh cửu. Khi chúng takích thích các liên kết dây quấn khác nhau, rotor di chuyển và giữ những vị tríkhác nhau. Động cơ tự do biến đổi có từ sắt rotor thay vì rôto nam châm vĩnhcửu. Chuyển động và giữ sự hấp dẫn của stato và rôto rotor để vị trí với sự miễncưỡng tối thiểu cho phép từ thông cực đại. 

Các terminologies sau đây được liên kết với động cơ stepper: 

• Phase—it được định nghĩa là số windings độc lập trong stato. 

• Bước angle—it được định nghĩa là quay rôto cho một chuyển mạch cho cáccuộn stato. 

• Holding được định nghĩa là mômen xoắn tối đa có thể áp dụng cho một thiết bịchạy động cơ không di chuyển từ vị trí còn lại của nó và quay vòng.   

Hình 1.23 Biểu diễn sơ đồ của động cơ step

1.23 có hai cái stators. Mỗi bộ stato có một cực bắc và cực nam, với một cuộn

dây đính kèm giữa laminations. Có một chiếc quạt nam châm vĩnh cửu p cực dọc theo ngoại vi. Mỗi lamination đều có p/2 răng khi lắp ráp, mắt lưới với nhau như

trong hình. 1.23. Tất cả răng trên sẽ trở thành cực bắc trong khi tất cả răng củađáy (nam) sẽ trở thành cực nam. Vì thế, trong tình trạng này, một mô men xoắn

sẽ được sử dụng trên rôto nam châm vĩnh cửu để gióng thẳng cực bắc với răngcủa nam lamination và cực nam với răng của bắc lamination. Bây giờ đảo chiều

hướng của các cuộn dây stato đảo ngược tính phân cực của răng stato và lực xoắntổng hợp sẽ di chuyển rotor một bước. Tuy nhiên chỉ có một bộ phận stato, rotor

có khả năng chuyển sang trước hoặc lùi hướng. Để tránh điều này ta xoay rotortheo hướng xác định, bộ stato thứ hai đó là di chuyển về mặt thể chất bởi 90 bằngđiện (một phần tư của đỉnh cực) được giới thiệu. Số răng trên rotor và stato xácđịnh góc bước sẽ xảy ra mỗi khi xung bước được áp dụng và phân cực của cuộn đảo ngược. 

dùng như sau:

T(θ) = I s1 N1 p2 φ1 sin(pθ) + Is2 N2 p2 φ2 cos(pθ)

Ở đây Is 1 và Is 2 là các dòng điện trong bộ stato 1 và 2; N 1  và N 2

là số lượt quay cuộn 1 và 2 của stato; p  là số lượng

Hình 1.24 Nguyên tắc làm việc động cơ stepper nam châm thường

Hình 3 63 Mô hình biểu đồ Bond Graph của động cơ có nam châm vĩnh cửu

cặp cực; φ 1 và φ 2 là giá trị tối đa của từ thông trong; và θ là vị trí rotor. Đây làgóc giữa hai stato là 90◦ Hai cực, p = 2 nói chung N1 = N2 và φ 1 = φ 2.Hình 1.25 cho thấy mô hình biểu đồ Bond Graph stepper. Trong hình này,transformer moduli α1 và α2 mô hình chuyển mạch có thể được thực hiện hoặc tắt

ở khoảng thời gian cố định để mô phỏng xung energization. Nếu động cơ phảiđược kiểm soát, vận tốc rồi máy biến áp α1 và α2 được chuyển đổi đến vị trí góchoặc phản hồi vận tốc lấy từ rotor.   

1.1.3 Mô hình servo thủy lực

Hình 1.26 biểu diễn biểu đồ biểu diễn thủy lực. Trong hình này, máy bơmdịch chuyển tích cực được điều khiển bởi tốc độ điều khiển. Một khớp nối kết nốiđộng cơ với trục bơm. Máy bơm chuyển dịch tích cực cần chất lỏng từ hốc vàcung cấp cho một bộ ắc quy. Nguồn cung cấp dùng cho van trợ động từ nơi nó điđến xi lanh

Hình 1.26 Giản đồ sơ đồ thủy lực

Piston trong xi lanh nhận được lệnh tham chiếu và nâng một tải. 

Hình 1.27 cho thấy mô hình biểu đồ Bond Graph. Mô hình biểu đồ, sf: ωP  làtốc độ của ống bơm, TF với môđun μ p liên quan đến tốc độ chuyển động lýtưởng, R:Rs2 đại diện cho sự rò rỉ máy bơm, C:K a đại diện cho sự tuân thủ của bộ

ắc quy (nghĩa là không khí bị mắc kẹt R:Rb đại diện cho điện trở của van, vàR: Ro  đại diện cho bernoulli điện trở của cổng nạp vào van cuộn. 

Sự tuân thủ hàng loạt của dịch trong phòng 1 và 2 được mô hình hóa bởiC: K c1và C: K c2 tương ứng. Áp suất 0Pc1 và 0Pc2 khi nhân với pittông khu vực (khuvực) A  Thông qua hai phần tử TF cho lực ứng dụng trên các cạnh tươngứng pittông. Lưu ý rằng áp suất trong phòng 1 sản sinh ra lực và do đó môđun TFtương ứng âm. Những chiếc máy biến áp đó cũng mô hình hóa khối lượng tốc độdòng cho vận tốc pittông. Trong mô hình, I: m p  đại diện cho khối lượngpiston, ImL  đại diện cho tính quán tính của tải trọng, C:K   và R:b  đại diện sự tuân

thủ và giảm nhẹ giữa tải trọng và pittông tương ứng, và R:R f  đại diện cho ma sátnhớt trong vòng piston. 

Hình 1.27  Mô hình biểu đồ Bond Graph của một máy thủy lực

Vị trí điểm c cần phải điều chỉnh cảng resistances. Chú ý rằng chất lỏng nàycũng nên được điều biến. Tuy nhiên, những chiếc inertias này không đáng kể và

có thể được loại bỏ khỏi mô hình. Do đó, chỉ có thủy lực và compliances rất quantrọng. Vị trí điểm c thu được từ vị trí điểm b (vị trí pittông, y B  =  y p  ) Và vị trí của

actuating end y c  =  y A  + ( y B  –  y B  ) a  /( a  +  b  ).Nó được mô hình hóa theo biểu đồkhối hàm Φ L trong hình. 1.27

1.2 Mô hình hóa các cảm biến

Cảm biến là yếu tố quan trọng của bất kỳ hệ thống cơ điện tử nào vì chúngxác định trạng thái hiện tại hoặc đầu ra của hệ thống Bộ cảm biến và bộ khuếchđại được thiết kế để hoạt động với hiệu suất công suất thấp Một cảm biến lýtưởng trích xuất thông tin từ một hệ thống mà không hấp thụ bất kỳ nguồn điệnnào và nó cung cấp thông tin cho hệ thống khác với công suất hữu hạn Nếuchúng ta nói về bộ khuếch đại như một phần tử điều hòa tín hiệu trong hệ thống

cơ điện tử, nó nhận tín hiệu đầu vào ở mức công suất gần như bằng không và ảnhhưởng đến hệ thống khác ở mức công suất cao hơn nhiều Sự khác biệt giữa cảmbiến và đầu dò thường gây nhầm lẫn Bộ chuyển đổi được định nghĩa là phần tử

mà khi chịu một số thay đổi vật lý ảnh hưởng đến một thay đổi khác có liên quanđến sự thay đổi vật lý Chúng tôi sử dụng thuật ngữ cảm biến cho một phần tử tạo

ra tín hiệu liên quan đến đại lượng mà chúng tôi định đo Ví dụ, đại lượng được

đo trong nhiệt kế điện trở là nhiệt độ và cảm biến biến nó thành sự thay đổi củađiện trở Do đó chúng ta có thể kết luận rằng cảm biến là bộ chuyển đổi

Các đầu dò có thể hoạt động hoặc thụ động Các bộ chuyển đổi hiệu suấtcao thường thụ động vì chúng không sử dụng nguồn điện Các đầu dò hoạt độngcần có nguồn điện Bộ chuyển đổi thụ động có thể được phân loại thành bộchuyển đổi điện năng và bộ chuyển đổi tích trữ năng lượng Các bộ chuyển đổiđiện năng thường truyền ít điện năng hơn chúng nhận được trong khi các bộchuyển đổi tích trữ năng lượng có khả năng lưu trữ năng lượng nhờ đó chúng cóthể tạm thời cung cấp năng lượng dư thừa Trước khi đi sâu hơn về cảm biến,chúng ta hãy xem một số thuật ngữ cơ bản liên quan đến hiệu suất của cảm biến

1.2.1 Thuật ngữ hiệu suất

Các thuật ngữ sau đây được sử dụng để xác định hiệu suất của đầu dò

 • Độ chính xác: Là mức độ mà giá trị được chỉ ra bởi cảm biến có thể bịsai Đối với thiết bị đo nhiệt độ, độ chính xác ± 1o C có nghĩa là số đọccủa cảm biến có thể nằm + hoặc −1o C của giá trị thực Nó cũng đượcbiểu thị bằng phần trăm đầu ra toàn dải Do đó, đối với thiết bị nhiệt điệntrở (RTD) có dải 0–300◦ C, độ chính xác ± 5%, có nghĩa là kết quả dựkiến sẽ nằm trong phạm vi + hoặc -15o C của số đọc cảm biến

 Độ chính xác: Nó có khả năng tái tạo nhiều lần với độ chính xác nhất định

 Độ nhạy: Là mối quan hệ cho biết người ta nhận được bao nhiêu đầu racho mỗi đơn vị đầu vào Nhiệt kế điện trở có thể có độ nhạy 0,5Ω /o C.Nhiều khi độ nhạy được biểu thị cho đầu vào không được đo

 Độ phân giải: Nó được định nghĩa là sự thay đổi nhỏ nhất trong giá trị đầuvào sẽ tạo ra sự thay đổi có thể quan sát được trong giá trị đầu ra

 Phạm vi: Là giới hạn mà đầu vào có thể khác nhau Ví dụ, một RTD cóthể có phạm vi từ −200 đến 500o C

 Span: Là sự khác biệt giữa giá trị tối đa và tối thiểu cho phép của đầu vào

Ví dụ, một RTD có dải từ −200 đến 500o C có khoảng 700o C

 Sai số: Là sự khác biệt giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượngđược đo Ví dụ, một cảm biến có thể cung cấp sự thay đổi điện trở là5,5Ω khi thay đổi thực sự là 5,8 Ω Do đó, lỗi là (5,8 −5,5Ω) Tức là 0,3Ω

 Lỗi độ trễ: Nó được định nghĩa là đầu ra khác nhau cho cùng một giá trịcủa đầu vào, tùy thuộc vào việc nó được lấy cho giá trị tăng hay cho giá trịgiảm của đầu vào

 Độ tuyến tính: Là phần trăm độ lệch so với đường chuẩn tuyến tính phùhợp nhất

 Lỗi phi tuyến tính: Giả định phổ biến trong cảm biến là hành vi tuyến tínhcủa nó trong phạm vi làm việc Tuy nhiên, mối quan hệ này hiếm khi tồntại Sai số phi tuyến tính được định nghĩa là chênh lệch lớn nhất từ đườngthẳng mô tả hành vi tuyến tính với đường cong đầu vào - đầu ra thực tế

 Khả năng lặp lại: Đó là khả năng đưa ra cùng một đầu ra để áp dụng lặplại cùng một đầu vào

 Tính ổn định: Nó được định nghĩa là khả năng của đầu dò cho cùng mộtđầu ra khi được sử dụng để đo đầu vào không đổi trong một khoảng thờigian

 Drift: Nó được sử dụng để xác định sự thay đổi của sản lượng theo thờigian Độ trôi không được sử dụng cho những thay đổi xảy ra ở đầu ra khikhông có đầu vào

 Dải chết: Nó được định nghĩa là dải giá trị đầu vào mà không có đầu ranào được tạo ra

 Thời gian chết: Nó được định nghĩa là khoảng thời gian từ khi áp dụngđầu vào cho đến khi đầu ra bắt đầu phản hồi với sự thay đổi

 Băng thông: Nó được định nghĩa là tần số tại đó cường độ đầu ra giảm 3dB

 Cộng hưởng: Nó được định nghĩa là tần số xuất hiện đỉnh cường độ đầu

ra

 Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR): Nó được định nghĩa là tỷ số giữa độ lớncủa tín hiệu và nhiễu ở đầu ra

1.2.2 Đặc tính tĩnh và động

 Đặc tính tĩnh: Là giá trị được đưa ra khi điều kiện trạng thái ổn định xảy

ra, tức là phản hồi của cảm biến (giá trị) lắng xuống sau khi nhận đượcđầu vào

 Đặc tính động: Nó đề cập đến các đặc tính của phản ứng nhất thời của đầu

dò Các thuật ngữ sau được liên kết với đặc tính động của cảm biến

1 Thời gian đáp ứng: Là thời gian trôi qua sau khi áp dụng đầu vào(bước) không đổi, cho đến thời điểm mà đầu dò đưa ra giá trị tươngứng với một số phần trăm cụ thể của giá trị đầu ra

2 Hằng số thời gian: Nó được định nghĩa là thời gian trôi qua mà sau

đó đạt được 63,2% giá trị đầu ra cuối cùng Nó đo lường quán tínhcủa cảm biến và cho biết nó phản ứng nhanh như thế nào với nhữngthay đổi trong đầu vào

3 Thời gian tăng: Nó được định nghĩa là thời gian cần thiết để đầu ratăng lên một số phần trăm cụ thể của đầu ra ở trạng thái ổn định(giả sử 10–90% giá trị ở trạng thái ổn định)

4 Thời gian lắng: Nó được định nghĩa là thời gian cần thiết để đầu ralắng trong một số phần trăm (ví dụ 4% của giá trị trạng thái ổnđịnh)

Hình 3.82 cho thấy phản ứng sơ đồ phóng đại của một đầu dò đối với đầu vào

Hình 2.1 Đáp ứng của đầu dò đối với đầu vào bước

1.2.3 Phân loại các cảm biến

 Cảm biến nhị phân hoặc kỹ thuật số: Những cảm biến này tạo ra tín hiệu bật-tắt Ví dụ, một tiếp điểm của công tắc hành trình có thể đóng bất cứ khi nào công tắc được kích hoạt cơ học Ở đây tiếp điểm mở hoặc đóng, không có vị trí trung gian.

 Cảm biến tương tự: Các cảm biến này tạo ra tín hiệu tỷ lệ hoặc tín hiệu tương tự Ví dụ, một chiết áp tuyến tính có thể được sử dụng để chỉ ra vị trí, với điện áp được đo tại dây trượt của chiết áp tỷ lệ với vị trí.

1.2.5 Mô hình Bond Graph

Trong một hệ thống cơ điện tử, chúng ta thường yêu cầu thông tin từ các cảmbiến khác nhau Những thông tin này được sử dụng trong luật điều khiển cho cơcấu chấp hành Nhưng chúng ta biết rằng Bond Graph chỉ mang thông tin ở mứcnăng lượng bằng không Sự trao đổi thông tin thuần túy này được thể hiện bằngviệc kích hoạt một liên kết Một Bond Graph có thể được kích hoạt dòng chảyhoặc kích hoạt nỗ lực Một liên kết được kích hoạt dòng chảy chỉ truyền thông tin

về dòng chảy đến hệ thống tại cổng được kết nối với dòng chảy, tức là kết thúc

mà không có hành trình nhân quả Nỗ lực trong liên kết kích hoạt dòng chảybằng không Tương tự, một liên kết được kích hoạt nỗ lực chỉ truyền thông tin nỗlực đến hệ thống tại cảng mà nỗ lực được gọi là kết quả Một Bond Graph đượckích hoạt bằng nỗ lực không mang thông tin về dòng chảy

Để kích hoạt, một mũi tên đầy đủ được thêm vào bên trong trái phiếu biểu thịrằng trái phiếu là một trái phiếu thông tin và một chữ e hoặc f được viết gần mũitên đầy đủ để cho biết rằng nó mang thông tin nỗ lực hoặc dòng chảy tương ứng.Các liên kết được kích hoạt này có thể được sử dụng với các phần tử hai cổng đểchỉ ra sự biến đổi của mô đun của hai phần tử cổng

Hình 2.2 a Mô tả về liên kết được kích hoạt bằng nỗ lực, tương đương b của liên kết được kích

hoạt bằng nỗ lực và mô tả c về liên kết được kích hoạt theo dòng

Các liên kết được kích hoạt còn được gọi là liên kết tín hiệu và chúng có thểđược biểu diễn ở các dạng khác nhau.

1.2.6 Mô hình hóa Hệ thống Cơ điện tử với Bond

Hình 2.3 mô tả một hệ thống giảm chấn khối lượng lò xo Khối có khối lượng

M, lò xo có độ cứng K, van điều tiết có hệ số tắt dần R Một vật thu vận tốc cảmnhận vận tốc của khối Vận tốc này được khuếch đại bởi một bộ khuếch đại côngsuất có độ lợi μ và nó điều khiển một cơ cấu truyền động tuyến tính tác dụng mộtlực tỷ lệ với vận tốc của khối Chúng ta hãy vẽ mô hình đồ thị liên kết của hệ cơđiện tử và suy ra phương trình hệ của nó

Hệ thống giảm chấn khối lượng lò xo có thể được mô hình hóa bằng cách sửdụng các phần tử C, I và R được gắn vào một mối nối 1 như thể hiện trong Hình2.4

Hình 2.3 Hệ thống giảm chấn khối lượng lò xo với vận tốc thu và kích hoạt

Hình 2.4 Mô hình đồ thị liên kết của hệ thống giảm chấn khối lượng lò xo với vận tốc nhận và

Các biến trạng thái ở đây là động lượng (P) của khối lượng và độ dịch chuyển(Q) của lò xo Bây giờ hệ phương trình có thể được suy ra bằng cách sử dụnglogic sau

1 Các quan hệ cấu thành yếu tố:

f1=P1

M ;e2=K Q2;e3=R f3;e5=μf4Lưu ý rằng chúng tôi chỉ viết một quan

hệ cấu thành cho phần tử GY vì các kích hoạt có nghĩa là e4 = μf5 = 0 là

Hình 2.5 Sơ đồ của chiết áp

3 Các phương trình trạng thái cho P˙ 1 = e1 và Q˙ 2 = f2:

Cảm biến vị trí có thể có ba loại Đây là các cảm biến dịch chuyển, vị trí

và khoảng cách Cảm biến độ dịch chuyển đo lượng vật thể đã di chuyển.Cảm biến vị trí đo vị trí của một đối tượng đối với một số vị trí tham chiếu.Cảm biến khoảng cách cho biết liệu đối tượng có di chuyển trong một khoảngcách cụ thể nào đó so với cảm biến hay không Cảm biến vị trí có thể có cácloại sau: (i) loại chiết áp, (ii) phần tử đo biến dạng, (iii) phần tử điện dung,(iv) biến áp vi sai, (v) cảm biến tiệm cận dòng điện xoáy, (vi) công tắc tiệmcận cảm ứng, (vii ) bộ mã hóa quang học, (viii) cảm biến khí nén, (ix) côngtắc tiệm cận, và (x) cảm biến hiệu ứng Hall Hãy để chúng tôi thảo luận vềmột vài trong số các cảm biến nêu trên

1.2.7.1 Chiết áp

Chiết áp là một thiết bị đo độ dịch chuyển Nó là một thiết bị có điện trở thayđổi có điện trở đầu ra thay đổi khi cần gạt nước được kết nối với một vậtchuyển động di chuyển trên bề mặt điện trở Hình 2.5 cho thấy sơ đồ của mộtchiết áp Trong hình 2.5, Vi là điện áp đầu vào, Vo là điện áp đầu ra, R1 và R2

là điện trở thay đổi được và RL là điện trở trong của vôn kế Chiết áp có thểđược hiệu chỉnh như sau: khi x = 0, R1 = Rmax; R2 = 0 và khi x = xmax, R2 =

Rmax, R1 = 0 Do đó, biểu thức của R1 và R2 có thể được viết dưới dạng

Hình 3.87 Mô hình đồ thị liên kết của chiết áp

R1=(1− x x

max)R max R2= x

x max R max

Đồ thị liên kết cho chiết áp có thể được vẽ như trong Hình 2.6 Từ mô hình

đồ thị Bond, chúng ta có thể thấy rằng Vi – Vo = i R1 hoặc i = (Vi – Vo) / R1

Ta cũng thấy rằng nếu RL rất lớn thì Vo = i R2 hay V o=(V i −V o

Hình 2.7 Sơ đồ của bộ mã hóa gia tăng

Mã hóa gia tăng

Hình 2.7a cho thấy giản đồ của một bộ mã hóa gia tăng Một chùm ánh sáng(từ đèn LED) đi qua các khe trong đĩa Chùm ánh sáng này được phát hiện

bởi một cảm biến ánh sáng (điện trở quang) đặt ở mặt bên kia của đĩa Khi đĩaquay, một đầu ra xung được tạo ra bởi điện trở quang Số lượng xung mà điệntrở quang nhận được tỷ lệ với góc mà đĩa đã quay.

Trên thực tế, ba rãnh đồng tâm với ba cảm biến được sử dụng trong các bộ

mã hóa tăng dần như trong Hình 2.7b trong đó δ là góc phụ thuộc vào mỗi lỗ.Bản nhạc bên trong có một lỗ và nó định vị vị trí chính của đĩa Rãnh giữa vàrãnh ngoài có các lỗ cách đều nhau xung quanh ngoại vi của đĩa Các lỗ ởrãnh giữa có độ lệch bằng một nửa chiều rộng của lỗ so với các lỗ ở rãnhngoài Nếu trục quay theo chiều kim đồng hồ thì các xung ở rãnh ngoài dẫnnhững xung ở rãnh giữa, ngược lại nếu trục quay theo hướng ngược chiềukim đồng hồ thì các xung ở rãnh ngoài sẽ trễ hơn xung ở rãnh giữa Điều nàycho phép xác định hướng quay

Hình 2.8 cho thấy mô hình đồ thị liên kết của bộ mã hóa gia tăng Ở đây, môhình đã được hiển thị cho hai bài hát Vị trí của các lỗ giữa hai rãnh khácnhau bởi góc φ Iout hiện tại cho thấy sự hiện diện hoặc không có xung Tínhiệu hiện tại (số xung) và bản ghi thời gian sau đó được xử lý trong bộ vi xử

lý hoặc máy tính để xác định vị trí góc và vận tốc góc trung bình

điện trở thuyết và công suất bị mất bởi điện trở (đôi khi nhân với một số yếu

tố như hiệu suất chuyển đổi nhiệt thành ánh sáng nhìn thấy hoặc hồng ngoại)

là một đầu ra tín hiệu Tín hiệu cường độ ánh sáng Q đi qua một công tắcđược điều chỉnh theo vị trí góc của đĩa (θ hoặc θ + φ, tùy thuộc vào bảnnhạc) Cường độ đầu ra từ công tắc điều chỉnh phần tử MR mô hình điện trởquang Điện trở của quang trở thay đổi khi ánh sáng chiếu vào nó Dòng điện

đi qua điện trở quang tạo ra xung được đưa đến thiết bị xử lý sau như bộ vi xử

lý Điện áp cung cấp cho cả hai đèn LED và quang trở là V, quán tính quay vàmomen quay tác dụng lên hệ quay cơ học lần lượt là Jd và τ

Hình 2.8 Mô hình đồ thị liên kết của bộ mã hóa gia tăng

Bộ mã hóa tuyệt đối

Hình 2.9 cho thấy sơ đồ của bộ mã hóa tuyệt đối để đo dịch chuyển góc Ởđây chúng tôi nhận được đầu ra dưới dạng một số nhị phân gồm một số chữ

số Ở đây mỗi số đại diện cho một vị trí góc cụ thể Hình 2.9 cho thấy một bộ

mã hóa tuyệt đối bốn bit trong đó đĩa quay có bốn rãnh đồng tâm Có bốn điốtphát quang (LED) để phát ra ánh sáng và bốn quang trở để phát hiện ánhsáng Các khe này được sắp xếp theo cách (như trong Hình 2.9) sao cho đầu

ra tuần tự từ các cảm biến là một số trong mã nhị phân Số lượng rãnh quyếtđịnh số bit trong số nhị phân Đối với bốn bản nhạc, sẽ có bốn bit và số vị trí

có thể được phát hiện sẽ là 24 Do đó, độ phân giải của bộ mã hóa sẽ là 360/24tức là 22,5◦ Nhiều vòng tròn hơn sẽ cải thiện độ phân giải

Các loại mã hóa số phổ biến nhất được sử dụng trong bộ mã hóa tuyệt đối là

mã màu xám Mã màu xám được thiết kế để chỉ có một rãnh (một bit) sẽ thayđổi trạng thái cho mỗi lần chuyển đổi số đếm, không giống như mã nhị phântrong đó nhiều bản nhạc (bit) thay đổi tại một số chuyển đổi số lượng nhấtđịnh Đối với mã màu xám, độ không đảm bảo trong quá trình chuyển đổi chỉ

là một số đếm, không giống như mã nhị phân, trong đó độ không đảm bảo cóthể là nhiều số đếm Bảng 3.1 cho thấy mã thập phân, phạm vi xoay theo độ,

mã nhị phân bình thường và mã màu xám cho bộ mã hóa tuyệt đối bốn bit Mặc dù mã màu xám cung cấp dữ liệu với độ không chắc chắn ít nhất,nhưng mã nhị phân tự nhiên là lựa chọn ưu tiên cho giao diện trực tiếp vớimáy tính và các thiết bị kỹ thuật số khác Vì vậy, một mạch để chuyển đổi từ

mã màu xám sang mã nhị phân là mong muốn Mạch này có thể sử dụngcổng OR độc quyền (XOR) để thực hiện chức năng này Đối với việc chuyểnđổi mã xám sang mã nhị phân của bất kỳ số lượng bit N nào, các bit quantrọng nhất (MSB) của mã nhị phân và mã xám luôn giống hệt nhau và đối vớicác bit khác, bit nhị phân là tổ hợp OR (XOR) độc quyền của các bit mã màuxám liền kề

Hình 2.9 Sơ đồ của bộ mã hóa tuyệt đối

Bảng 3.1 Mã nhị phân và mã màu xám cho bộ mã hóa tuyệt đối bốn bit

Hình 2.10 cho thấy mô hình đồ thị Bond của bộ mã hóa tuyệt đối Ở đây phần

tử RS mô hình hóa đèn LED và phần tử MR mô hình điện trở quang

Mối quan hệ cấu thành cho phần tử RS có thể được đưa ra như

i= V R , Q=ηi2R (3.96)

Hình 2.10 Mô hình đồ thị liên kết cho một đèn LED, một rãnh và một cảm biến ánh sáng

(điện trở quang) của bộ mã hóa tuyệt đối

trong đó η là hệ số hiệu quả Quan hệ cấu thành cho phần tử MR có thể đượcđưa ra (giả sử Q <0 không phải là một khả năng) như

tắc có thể được sử dụng Cực là một phần tử chuyển động trong công tắc tạohoặc ngắt kết nối Thông qua là một điểm tiếp xúc với cực Hình 2.12 chothấy đồ thị Bond cho công tắc SPST Ở đây phần tử Df là bộ phát hiện dòngđiện phát hiện dòng điện sau khi đóng mạch Mối quan hệ cấu thành củaphần tử R trong đồ thị liên kết được cho là

R=¿

trong đó Rhigh đại diện cho lực cản của khe hở không khí

Hình 2.11 Biểu diễn sơ đồ của công tắc SPST

Hình 2.12 Mô hình đồ thị Bond của công tắc SPST

1.2.7.4 Cảm biến tiệm cận

Cảm biến độ gần bao gồm một phần tử thay đổi trạng thái của chính nó hoặccủa tín hiệu tương tự khi nó ở gần một đối tượng Một cặp bộ phát ảnh(LED), bộ dò ảnh (điện trở quang) có thể được sử dụng làm cảm biến tiệmcận Ở đây, sự gián đoạn hoặc phản xạ của chùm ánh sáng từ đèn LED được

sử dụng để phát hiện sự hiện diện của một vật thể mà không cần chạm vào vậtthể đó

Các công tắc giới hạn đã thảo luận trong phần trước cũng có thể được sửdụng làm cảm biến tiệm cận Nếu có thể cung cấp phần mở rộng trong thanhthì khi một vật đến gần và chạm vào đầu của thanh, mạch điện hoàn thành vàthu được dòng điện Loại cảm biến này được sử dụng như cảm biến cản trongrobot đi bộ để phát hiện sự hiện diện của chướng ngại vật, để robot có thểthay đổi đường đi của nó

1.2.8 Cảm biến vận tốc

1.2.8.1 Bộ mã hóa tăng dần

Bộ mã hóa tăng dần có thể được sử dụng để đo vận tốc góc của trục Ở đâychúng ta phải tìm số xung được tạo ra trong một giây để xác định vận tốc góccủa trục

Hình 2.13 Sơ đồ sử dụng máy phát tốc độ

Hình 2.14 Mô hình đồ thị liên kết của máy phát điện tốc độ

1.2.8.2 Máy phát điện nhanh

Tachogenerator là một cảm biến để đo vận tốc góc hoặc vận tốc tuyến tính(thông qua một bánh răng) Về nguyên tắc nó tương tự như máy phát điệnxoay chiều Nó bao gồm một rôto được gắn trên một trục quay như tronghình 3.94 Rôto quay trong từ trường tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu hoặcnam châm điện Khi rôto quay trong từ trường một emf xoay chiều sinh ratrong rôto Biên độ hoặc tần số của emf xoay chiều được tạo ra có thể là số

đo vận tốc góc của trục Emf xoay chiều có thể được chỉnh lưu để tạo ra điện

áp đầu ra DC

Hình 2.14 mô tả mô hình đồ thị liên kết của máy phát tốc trong đó phần tử Rgiữa hai máy biến áp mô hình hóa ma sát giữa hai bánh xe Máy phát điện tốcđược mô hình hóa ở đây như một máy phát điện một chiều vớiμ là mô đuncon quay hồi chuyển

1.2.9 Cảm biến gia tốc

1.2.9.1 Gia tốc kế địa chấn

Gia tốc kế là một cảm biến để đo gia tốc của một vật thể Nó được gắn hoặcliên kết cơ học với vật thể có gia tốc được đo Gia tốc kế đo gia tốc dọc theomột trục và không nhạy cảm với chuyển động theo các hướng trực giao khác.Đồng hồ đo lực căng hoặc phần tử áp điện tạo thành phần tử cảm biến của giatốc kế Chúng chuyển đổi tín hiệu rung thành tín hiệu điện áp Thiết kế củamột gia tốc kế dựa trên hiệu ứng quán tính liên quan đến một khối lượngđược kết nối với vật thể chuyển động / cấu trúc / phần tử máy thông qua lò

xo, van điều tiết và cảm biến dịch chuyển Hình 2.15 cho thấy sơ đồ của máy

đo gia tốc địa chấn

Trong gia tốc kế địa chấn, một lõi nam châm vĩnh cửu di chuyển bên trongcác cuộn dây điện từ để phản ứng với kích thích cơ bản Tốc độ thay đổi của

từ thông gây ra emf trong điện từ được đo Nếu mạch từ được lý tưởng hóa

và bỏ qua tổn hao thì emf cảm ứng có liên quan trực tiếp đến vận tốc của namchâm vĩnh cửu Hình 2.16 cho thấy mô hình đồ thị liên kết của gia tốc kế địa

chấn trong đó phần tử con quay hồi chuyển mô hình trực tiếp sự biến đổimiền cơ sang miền điện lý tưởng giống như mô hình động cơ một chiều namchâm vĩnh cửu.

Hình 2.15 Biểu diễn giản đồ của máy đo gia tốc địa chấn

Hình 2.16 Mô hình đồ thị liên kết của máy đo gia tốc địa chấn

Hình 2.17 Biểu diễn giản đồ của máy đo gia tốc địa chấn kiểu piezo

Hình 2.17 mô tả sơ đồ của máy đo gia tốc địa chấn kiểu piezo Trong gia tốc

kế này, phần tử áp điện là phần tử cảm nhận Vật liệu áp điện là các tinh thểion Khi các vật liệu này chịu lực căng hoặc nén, sự phân bố điện tích diễn ratrong tinh thể với một mặt của vật liệu trở nên tích điện dương và mặt đốidiện trở nên tích điện âm Các mô hình đồ thị liên kết của một lớp áp điệnphân cực theo một trục duy nhất trong điều kiện đẳng nhiệt được phát triểntrong [24] Trong cấu hình mạch hở, điện tích thuần (Q) trên một bề mặt tỷ lệvới lượng (x) mà các điện tích đó dịch chuyển Sự dịch chuyển của các điệntích tỷ lệ với lực (F), tức là

Q=K x=sF (3.98)trong đó K là hằng số và s cũng là hằng số được gọi là độ nhạy điện tích Đâyđược gọi là hiệu ứng áp điện trực tiếp

Hình 2.18 Mô hình đồ thị liên kết của máy đo gia tốc địa chấn kiểu piezo

Đối với cấu hình mạch kín, có tính đến hiệu ứng áp điện trực tiếp và ngượcchiều, các quan hệ cấu thành có thể được viết dưới dạng

T = cD S-hD (3.99)E= -hS +β SD (3.100)trong đó D, T, E, và S lần lượt là độ dịch chuyển điện, ứng suất, điện trường

và biến dạng, cD là độ cứng khi dịch chuyển điện không đổi, h là hằng số ápđiện và βS là độ không thấm khi biến dạng không đổi Bây giờ người ta có thểgiả định rằng điện trường cảm ứng hoàn toàn vuông góc tại bề mặt của lớptheo hướng phân cực và vật liệu là đẳng hướng Theo các giả thiết này, E ≈

V / l và Q ≈D A trong đó V là điện thế cảm ứng (ở chế độ cảm biến), Q làđiện tích, l là độ dày lớp và A là diện tích thiết bị truyền động Nếu x là độdịch chuyển của cơ cấu chấp hành và F là lực của cơ cấu chấp hành thì S = x /

l và F = T A Bây giờ các phương trình 3.99 và 3.100 có thể được viết dướidạng

1.2.10 Cảm biến lực và áp suất

Các lực thường được đo bằng độ dịch chuyển Một ví dụ tuyệt vời về điềunày là cân bằng lò xo, nơi chúng ta đo trọng lượng bằng cách sử dụng độ dịchchuyển của lò xo

1.2.10.1 Máy đo độ căng

Máy đo biến dạng hoạt động dựa trên nguyên tắc khi một lực tác dụng lênmột phần tử thì nó sẽ gây ra biến dạng trong phần tử đó và điện trở của phần

tử đó thay đổi do sự biến dạng này Sự thay đổi điện trở này có thể được hiệuchỉnh theo các lực tác dụng Máy đo biến dạng có thể được đặt theo nhữngcách mà chúng có thể cảm nhận được biến dạng do uốn, nén hoặc kéo căng.Việc bố trí các đồng hồ đo biến dạng để đo lực được gọi là cảm biến lực Việc

đo trạng thái ứng suất ba trục đòi hỏi sự kết hợp phức tạp của các đồng hồ đobiến dạng Đối với điều kiện biến dạng đồng bằng (hai biến dạng tuyến tính

trực giao và một biến dạng góc), người ta có thể sử dụng các phép đo từ bađồng hồ đo biến dạng được sắp xếp theo các cấu hình cụ thể được gọi là hoathị biến dạng.

Hình 2.19 Biểu diễn sơ đồ việc sử dụng máy đo biến dạng trong dầm công xôn không có lực

ở cuối

Hình 2.20 Biểu diễn sơ đồ sử dụng máy đo biến dạng trong dầm công xôn chịu lực ở cuối

Chúng ta sẽ lấy một ví dụ về phép đo biến dạng đơn trục Hình 2.19a chothấy một ví dụ trong đó máy đo biến dạng được đặt ở phần trên và phần dướicủa dầm công xôn Ở vị trí chùm tia không bị lệch hướng, các đồng hồ đobiến dạng này khi được kết nối như các nhánh của mạch cầu Wheatstone làmcho cầu được cân bằng và không có số đọc trong ampe kế hoặc Điện kế (Gtrong Hình 2.19b)

Hình 2.20a cho thấy trường hợp khi một tải trọng cuối (mômen thuần hoặctải trọng uốn thuần túy) tác dụng lên công xôn gây ra sự uốn cong của côngxôn với thiết bị đo biến dạng 1 chịu kéo căng trong khi thiết bị đo biến dạng 2chịu nén Trong trường hợp này, chùm tia uốn cong với độ cong không đổidọc theo chiều dài của nó và kết quả là các điện trở R1 và R2 trong mạch cầutrong hình 2.20b thay đổi Sau đó, giá trị đọc của Điện kế trở thành khác 0 vàcầu có thể được cân bằng bằng cách thay đổi điện trở R3 và R4 để Điện kếcho số đọc bằng không Việc cân bằng này có thể được tự động hóa bằngcách sử dụng các bóng bán dẫn hiệu ứng trường tiếp giáp (JFET) Đối vớimạch cân bằng, chúng ta có thể chứng minh rằng

Hình 2.21 Mô hình đồ thị liên kết của việc bố trí máy đo biến dạng trong một dầm công xôn

Hình 2.22 Mô hình đồ thị liên kết giảm của việc bố trí máy đo biến dạng trong dầm công

R1

R2= R+∆ R R−∆ R

⇒ ε=± ∆ R R =± R R1+R2

1+R2 (3.103)Lưu ý rằng ở phần trên, chúng ta đã giả định rằng biến dạng tỷ lệ thuận với sựthay đổi điện trở và bỏ qua sự biến đổi diện tích mặt cắt ngang của phần tử đobiến dạng Nếu không, chúng ta có thể định dạng lại mối quan hệ biến dạng bằngcách tính tỷ lệ Poisson của vật liệu đo biến dạng

Hình 2.11 mô tả mô hình đồ thị liên kết của sự sắp xếp mạch cầu Ở đây mô hình

đã được phát triển bằng cách sử dụng phương pháp thế điểm [19] Trong mô hìnhnày, I: Lg mô hình hóa độ tự cảm bên trong của Điện kế và bộ dò dòng đo dòngđiện qua nó

Hình 2.12 cho thấy mô hình đồ thị liên kết rút gọn thu được từ Hình 2.11 bằngcách loại bỏ tất cả các liên kết với nỗ lực bằng không (các đầu nối nối đất) vàđơn giản hóa cấu trúc điểm nối đồ thị liên kết

1.3 Các mẫu linh kiện mạch điện tử

Các cảm biến được thảo luận trong phần trước có thể cho đầu ra quá nhỏ, có thểyêu cầu khuếch đại Hơn nữa, nhiễu tín hiệu cũng phải được loại bỏ Tín hiệu cóthể là phi tuyến yêu cầu tuyến tính hóa Nó có thể là một tương tự để được tạo ra

kỹ thuật số hoặc có thể là một kỹ thuật số được làm tương tự Cũng có thể bộchuyển đổi hoạt động trên nguyên tắc thay đổi điện trở và sự thay đổi này đượcchuyển thành sự thay đổi dòng điện Một tình huống khác có thể là một bộchuyển đổi tạo ra sự thay đổi điện áp được chuyển thành sự thay đổi dòng điện.Tất cả những thay đổi được trích dẫn ở trên trong tín hiệu hiện tại có thể được gọi

là điều hòa tín hiệu

1.3.1 Điều hòa tín hiệu

Nói chung, điều hòa tín hiệu được thực hiện trong một đơn vị được gọi là giaodiện Giao diện bảo vệ bộ vi xử lý chống lại điện áp quá cao hoặc tín hiệu saiphân cực Bộ vi xử lý yêu cầu đầu vào là kỹ thuật số Do đó, nếu đầu ra của cảmbiến là tương tự thì người ta yêu cầu chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số(chuyển đổi A / D) trước khi cấp tín hiệu cho bộ vi xử lý Chúng tôi cũng có thểyêu cầu tín hiệu tương tự được khuếch đại trước khi chuyển đổi sang tín hiệu kỹthuật số Bộ truyền động yêu cầu tín hiệu tương tự và do đó, đầu ra kỹ thuật số

từ bộ vi xử lý cần được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự (chuyển đổi D / A) vàđược khuếch đại qua bộ khuếch đại công suất trước khi được đưa vào bộ truyềnđộng

Vì vậy, nói chung, chúng ta có thể nói rằng các quá trình sau đây liên quan đếnđiều hòa tín hiệu:

1 Bảo vệ để tránh làm hỏng bộ vi xử lý, do điện áp và dòng điện cao, và phân cực sai

2 Chuyển đổi tín hiệu thành đúng loại, ví dụ: chuyển đổi sang điện áp hoặc dòng điện một chiều và chuyển đổi A / D hoặc D / A tùy từng trường hợp

3 Nhận được mức tín hiệu phù hợp, ví dụ: tín hiệu của cặp nhiệt điện tính bằng milivôn cần được khuếch đại (có thể sử dụng bộ khuếch đại hoạt động)

4 Loại bỏ hoặc giảm nhiễu, ví dụ: sử dụng bộ lọc

5 Thao tác tín hiệu để biến nó thành một hàm tuyến tính của một số biến,

ví dụ, tín hiệu lưu lượng kế là phi tuyến tính và do đó bộ điều hòa tín hiệuđược sử dụng để tuyến tính hóa đầu ra

Trong phần này, chúng ta sẽ thảo luận về một số thiết bị điện tử được sử dụngtrong quá trình điều hòa tín hiệu Trong các thiết bị điều hòa tín hiệu, nguồn điệnnằm trong nền để thiết bị có thể truyền tín hiệu đến phần còn lại của mạch Do

đó, trái phiếu được kích hoạt được sử dụng trong các mô hình đồ thị trái phiếucủa các hệ thống như vậy Để nghiên cứu động lực học của một hệ thống điện tử,cách tiếp cận hộp đen hóa ra rất tiện dụng và thiết thực Một thiết bị điện tử phức

tạp không được phân tích chi tiết Chúng tôi sẽ làm theo một cách tiếp cận trong

đó thiết bị điện tử sẽ được xác định bởi một phần tử đồ thị liên kết phù hợp dựatrên các đặc điểm của nó

Hình 3.1 Bao bì và số pin của 741 op-amp và mô tả chân

1.3.2 Bộ khuếch đại hoạt động

Bộ khuếch đại hoạt động thường được gọi là op-amp, là bộ khuếch đại điện ápmột chiều có độ lợi cao với đầu vào vi sai và thường là đầu ra kết thúc duy nhất.Mức tăng là từ 100.000 trở lên Lý tưởng nhất là nó làm tăng biên độ của tín hiệu

mà không ảnh hưởng đến mối quan hệ pha của các thành phần khác nhau của tínhiệu Nó được cung cấp dưới dạng mạch tích hợp (IC) trên chip silicon Nó đượcđóng gói trong chip mạch tích hợp dòng kép tám chân

Hình 3.1 cho thấy bao bì có sẵn với kết nối chân của một trong các bộ khuếch đạihoạt động 741 được sử dụng rộng rãi Hình 3.2 minh họa thiết kế bên trong củamột vi mạch 741 bán sẵn trên thị trường Mạch này bao gồm bóng bán dẫn, điệntrở và tụ điện

Op-amp có thể kết hợp với các linh kiện rời bên ngoài để tạo ra nhiều loại mạch

xử lý tín hiệu Nó là khối xây dựng cho các mạch điện tử phức tạp hơn như bộkhuếch đại đảo, bộ khuếch đại không đảo, bộ khuếch đại tổng, bộ khuếch đại tíchhợp, bộ khuếch đại vi sai, bộ khuếch đại logarit, bộ so sánh, bộ chuyển đổi tương

tự sang kỹ thuật số (A / D) và kỹ thuật số sang tương tự (D / A), bộ lọc đanghoạt động và thiết bị lấy mẫu và giữ

Mô hình lý tưởng cho bộ khuếch đại hoạt động

Hình 3.3 cho thấy biểu diễn ký hiệu và danh pháp đầu cuối cho một op-amp lýtưởng Nó là một đầu vào vi sai, bộ khuếch đại đầu ra đơn giả định có độ lợi vôhạn Điện áp được tham chiếu đến mặt bằng chung Vì nó là một thiết bị đanghoạt động, nó yêu cầu kết nối với nguồn điện bên ngoài (thường là +15 và −15V) Vì op-amp là một thiết bị hoạt động, điện áp đầu ra và dòng điện có thể lớnhơn giá trị áp dụng cho các đầu nối đảo và không đảo Một mạch op-amp thường

có phản hồi từ đầu ra đến đầu vào đảo ngược như trong Hình 3.4 Phản hồi nàydẫn đến sự ổn định của bộ khuếch đại và giúp kiểm soát độ lợi

Hình 3.2 Thiết kế bên trong của 741 op-amp

Hình 3.3 Ký hiệu của Op-amp

Hình 3.5 Mạch tương đương Op-amp

Hình 3.6 Mô hình đồ thị liên kết của op-amp với các liên kết tín hiệu

Hình 3.7 Mô hình đồ thị liên kết của op-amp với các liên kết được kích hoạt

Điều quan trọng cần lưu ý là liên kết 5 là không có điện vì quyền lực trong liênkết 6 phụ thuộc vào công suất được tải bởi tải Phương trình sau đây có thể đượcviết từ mô hình đồ thị trái phiếu

đồ thị liên kết Mô hình đồ thị Bond giảm sau đó được hiển thị trong Hình 3.8

Hình 3.8 Mô hình đồ thị Bond giảm của op-amp sử dụng liên kết tín hiệu và b liên kết kích hoạt

Hình 3.9 Bộ khuếch đại đảo

Hình 3.10 Mô hình đồ thị liên kết của bộ khuếch đại đảo

1.3.2.1 Cấu hình đảo ngược

Như tên của nó, một bộ khuếch đại nghịch đảo đảo ngược và khuếch đại điện ápđầu vào Để đạt được điều này, hai điện trở bên ngoài được kết nối với op-ampnhư trong Hình 3.9 Hình 3.10 cho thấy mô hình đồ thị liên kết của bộ khuếchđại đảo

Từ mô hình đồ thị liên kết, chúng ta có thể phân tích độ lợi của bộ khuếch đạinhư sau:

e6=μ e5=−μe4=−μe9=μ(e¿¿7−e8)=−μ(e6−R F f8 )(3.106) ¿

R1(1+μ)(V1−e9) (3.109)