Bài giảng Hệ thống cơ điện tử

Microsoft PowerPoint Bài gi�ng H� th�ng Cơ đi�n t� g�i TV TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Hà Nội 2021 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mech[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA CƠ KHÍ

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Bộ môn: Kỹ thuật Cơ điện tử

Hà Nội - 2021

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương 1: Tổng quan về Hệ thống Cơ điện tử

Chương 2: Mô hình hóa hệ cơ điện tử

Chương 3: Thiết kế hệ thống dẫn động

Chương 4: Xây dựng mô hình động lực học

Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 6: Điều khiển các hệ cơ điện tử

NỘI DUNG CHƯƠNG I

1 Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử

1.1 Khái niệm về Hệ thống Cơ điện tử

Khái niệm:

Cơ điện tử là sự tích hợp của Cơ khí, điện tử và hệ thống điềukhiển thông minh trong thiết kế và sản xuất thông qua máy tính

Hệ thống Cơ điện tử là môn khoa học liên ngành bao gồm:

+ Thiết kế, chế tạo cơ khí

+ Thiết kế hệ thống điện, điều khiển

+ Thiết kế công nghệ điều khiển, cảm biến và các thuật toán điềukhiển

+ Ứng dụng kỹ thuật máy tính trong điều khiển và giám sát hệthống

1 Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử

1.2 Đặc điểm và cấu trúc hệ thống cơ điện tử

Cấu trúc của hệ thống Cơ điện tử gồm:

+ Thiết kế, chế tạo cơ khí

+ Thiết kế hệ thống điện, điều khiển

+ Thiết kế công nghệ điều khiển, cảm biến và các thuật toán điềukhiển

+ Ứng dụng kỹ thuật máy tính trong điều khiển và giám sát hệthống

1 Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử

Hệ thống Cơ điện là môn khoa

1 Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử

Đặc điểm về phương pháp thiết kế hệ thống Cơ điện tử:

• Phương pháp thiết kế truyền thống

Yêu cầu Thiết kế cơ khí điện – điện tử Thiết kế

Phương pháp Điều khiển

Thi công phần cứng

Xây dựng phần mềm

Kiểm tra hoàn thiện Sản xuất

1 Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử

Đặc điểm về phương pháp thiết kế hệ thống Cơ điện tử:

• Phương pháp thiết kế hệ thống Cơ điện tử

Sản phẩm mẫu

1 Tổng quan về hệ thống Cơ điện tử

Trong công nghiệp chuyên dụng: hệ thống cơ điện tử trong ô tô,

hệ thống an toàn trong xe nâng…

NỘI DUNG CHƯƠNG II

Chương 2

Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử

2.1 Phương pháp mô hình hóa hệ Cơ điện tử

2.2 Mô hình hóa một số hệ Cơ điện tử đặc trưng

2.3 Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

2 Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử

2.1 Phương pháp mô hình hóa hệ Cơ điện tử

Khái niệm:

+ Mô hình: là sơ đồ phản ánh đối tượng được lập ra để nghiêncứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng Nóicách khác mô hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiêncứu về đối tượng gốc

+ Mô hình hóa là việc thay thế đối tượng gốc bằng một mô hìnhnhằm thu nhận các thông tin quan trọng về đối tượng gốc bằng cáchtiến hành thực nghiệm trên mô hình

+ Mô hình hóa là cơ sở cho bài toán mô phỏng đối tượng gốc giúpđánh giá các tác động và loại bỏ các yếu tố bất lợi với mô hình gốc

Các bước mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử

Hệ thực

Mô hình vật lý

Mô hình toán

Mô hình mô phỏng

Mô tả các phần tử cốt lõi, đơn giản hóa để được mô hình vật lý tối thiểu

Mô tả các phần tử mô hình vật lý trong các quan hệ toán học

Mô phỏng mô hình vật lý và toán

2 Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử

2 Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử

Phương pháp mô hình hóa hệ Cơ điện tử

Mô hình hóa trong trường hợp tổng quát được thực hiện với mục đích

mô thay thế đối tượng gốc; do đó phương pháp mô hình hóa được sửdụng phổ biến là phương pháp mô hình lý thuyết và thực nghiệm

Trong quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử, việc nghiên cứu đượcthực hiện trên nhiều mức trong những lĩnh vực vật lý khác nhau Cáckết quả nhận được ở mức cao hơn là những đầu ra của việc nghiêncứu ở các mức thấp hơn dẫn tới sự khẳng định những kết quả mục tiêu

ở mức cao hơn

2 Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử

Hệ thực Đối tượng cần khảo sát

Mô hình toán học, các

phương trình mô tả

Tính trên mô hình toán

Kết quả tính toán

Đo đạc trên đối tượng

Đo đạc trên đối tượng

So sánh

Sử dụng mô hình

Rà soát các bước: -Mô hình cơ, mô hình toán, tính toán

- Đo đạc, xử lý số liệu

Mô hình hóa Robot di động

2 Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử 2.2 Một số hệ cơ điện tử được mô hình hóa

Mô hình hệ giảm xóc bánh ô tô

2 Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử

Mô hình hệ giảm xóc bánh ô tô

2 Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử

2 Mô hình hóa hệ thống Cơ điện tử

2.3 Thiết kế kết cấu hệ thống Cơ điện tử

Dựa trên kết quả tính toán động học sau khi mô hình hóa => Sơ bộ cóđược kết cấu kích thước các cơ cấu thành phần của hệ thống Đó là cơ

sở đầu vào của bài toán thiết kế hệ thống Cơ điện tử

Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế Hệ thống cơ điện tử:

+ Các không gian thiết kế trên Solidworks

+ Thiết kế khung hệ thống cơ điện tử với chức năng Weldments

+ Thiết kế các bề mặt làm việc phức tạp với các lệnh Wrap, Loft,

Draft

+ Trình bày Hệ thống cơ điện tử trong Solidworks Drawing

+ Mô phỏng chuyển động hệ cơ điện tử

NỘI DUNG CHƯƠNG III

Chương 3

THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG

3.1 Khái niệm và phân loại

3.2 Cơ cấu dẫn động điện từ

3.3 Cơ cấu dẫn động thủy lực, khí nén

3.4 Tính chọn cơ cấu dẫn động cho hệ Cơ điện tử

3.1 Khái niệm và phân loại

1 Khái niệm:

Cơ cấu dẫn động là những thành phần quan trọng trong điềukhiển hệ thống cơ điện tử, cơ cấu dẫn động đảm nhiệm việc thựchiện chuyển động hoặc tạo ra lực tác động đến các cơ cấu khác

và được ví như phần cơ bắp của hệ thống Cơ điện tử

Cơ cấu dẫn động là khởi nguồn của các hoạt động hoặc các tácđộng của hệ cơ điện tử với thế giới quan trong vùng không gianhoạt động, việc điều khiển các cơ cấu dẫn động được thực hiệnthông qua các bộ xử lý (bộ não) giúp hệ thống có thể hoạt độngtheo mong muốn

3.1 Khái niệm và phân loại

Hệ thống cơ điện tử được điều khiển theo sơ đồ sau:

Các dạng công suất trên hệ thống Cơ điện tử được biến đổi qua lại lẫnnhau trong bộ chuyển đổi, trong điều khiển các dạng công suất trên đềuđược sử dụng trong cơ cấu dẫn động và thông qua bộ xử lý trung tâm đểđiều khiển cơ hệ Có các dạng công suất sau:

+ Công suất cơ

+ Công suất điện

+ Công suất nhiệt

+ Công suất chất lỏng (áp suất)

3.1 Khái niệm và phân loại

3.2 Cơ cấu dẫn động điện từ

1 Khái niệm

Hệ thống dẫn động điện từ là tập hợp các thiết bị điện, điện cơ, điện từ

và điều khiển điện tử để phục vụ quá trình biến đổi điện năng thành nănglượng cơ học và điều khiển cơ năng theo yêu cầu công nghệ

3.2 Cơ cấu dẫn động điện từ

2 Phân loại

Hệ thống truyền động điện có các loại chính sau:

- Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu

- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

- Động cơ một chiều không chổi than

- Động cơ bước

3.2 Cơ cấu dẫn động điện từ

3 Ưu điểm của cơ cấu dẫn động điện từ

Ngày nay hệ thống điện từ được sử dụng phổ biến đặc biệt trong các hệthống cơ điện tử, cơ cấu dẫn động điện từ có các ưu điểm sau:

+ Do có khả năng điều khiển đa cấp tốc độ

+ Hệ thống đơn giản, nhỏ gọn

+ Có khả năng điều khiển chính xác vị trí, dễ dàng tích hợp các thiết bị phản hồi giám sát vị trí điều khiển

+ Khả năng đáp ứng nhanh

+ Dễ dàng tích hợp với các thiết bị bảo vệ an toàn điện

+ Có khả năng hoạt động với cơ chế hãm giúp động cơ có thể tăng tốc và giảm tốc nhanh và chính xác

3.2 Cơ cấu dẫn động điện từ

4 Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu

- Theo thực tế, động cơ nam châm vĩnh cửu gồm có 2 loại:

3.2 Cơ cấu dẫn động điện từ

5 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Trong động cơ đồng bộ nam châm

vĩnh cửu thường có kèm theo các

cảm biến vị trí và cảm biến tốc độ

được sử dụng cho hệ thống truyền

động servo Động cơ xoay chiều

không chổi than thường được điều

khiển bởi một biến tần nguồn áp

hoặc nguồn dòng với điều khiển

điện áp và tần số theo quy luật yêu

cầu và thường sử dụng kết hợp với

biến tần

3.2 Cơ cấu dẫn động điện từ

6 Động cơ một chiều không chổi than

Động cơ một chiều không chổi

than có cấu tạo tương tự như động

cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu,

rôto động cơ là nam châm vĩnh

cửu Dây quấn stato gồm 3 dây

quấn tương tự như dây quấn động

cơ không đồng bộ và động cơ đồng

bộ nam châm vĩnh cửu, chỉ khác

dây quấn mỗi pha bố trí tập trung

trên bề mặt stato với độ rộng

2x60o Dây quấn stato có thể được

nối theo hình sao hoặc tam giác

3.2 Cơ cấu dẫn động điện từ

7 Động cơ bước

Động cơ bước hoạt động

trên nguyên tắc: khi có một

xung cấp cho cuộn dây

stato, rôto sẽ quay một

bước, độ lớn của góc trên

một bước phụ thuộc vào số

nam châm ở rôto Các động

cơ bước được chế tạo với số

bước tương ứng với một

vòng quay là 12, 24, 72,

144, 180, 200; tương ứng

với góc quay một bước là

30o; 15o; 5o; 2,5o; 2o; 1.8o

3.3 Cơ cấu dẫn động thủy lực khí nén

1 Cơ cấu dẫn động thủy lực

Ưu điểm:

+ Kích thước và trọng lượng trên một đơn vị công suất nhỏ

+ Hiệu suất lớn

+ Độ tin cậy cao

+ Điều khiển đơn giản

+ Công suất lớn

+ Điều khiển vô cấp tốc độ trong dải rộng, tỷ số truyền của truyền động thủy lực là tỷ số giữa số vòng quay lớn nhất và số vòng quay nhỏ nhất trên trục động cơ

+ Thời gian tác động của hệ thống thủy lực rất nhanh có thể đạt lưu

lượng từ 0 đến cực đại trong0,04s, thời gian đạt 0,02s

3.3 Cơ cấu dẫn động thủy lực khí nén

1 Cơ cấu dẫn động thủy lực

+ Hiệu suất của truyền động thủy lực bị giảm đi theo thời gian sử dụng

do gia tăng các khe hở làm tăng rò rỉ chất lỏng

3.3 Cơ cấu dẫn động thủy lực khí nén

1 Cơ cấu dẫn động thủy lực

Các bộ phận chính:

3.3 Cơ cấu dẫn động thủy lực khí nén

Các bộ phận chính:

Hệ thống cơ cấu chấp hành thủy lực gồm các bộ phận chính sau:

+ Xylanh thủy lực dịch chuyển tịnh tiến hoặc quay: tác động trực tiếpvào các cơ hệ của robotics để truyền công suất và sinh công có ích

+ Bơm thủy lực: Cung cấp chất lỏng áp lực cao cho hệ thống

+ Động cơ dẫn động bơm thủy lực

3.3 Cơ cấu dẫn động thủy lực khí nén

+ Không cần hệ thống được hổi, đường thải của khí

+ Tốc độ pittong làm việc lớn nên khả năng đáp ứng nhanh có thể tới

3m/s

+ Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn được đảm bảo

3.3 Cơ cấu dẫn động thủy lực khí nén

Nhược điểm:

+ Lực, mômen truyền tải thấp

+ Vận tốc thay đổi khi tải trọng trong hệ thống thay đổi do khả năng đàn hồi của khí nén lớn nên không thể thực hiện được những chuyển động thẳng hoặc quay đều

+ Dòng khí nén thoát ra môi trường gây tiếng ồn

+ Hiệu suất truyền động thấp hơn so với hệ thống thủy lực

Các bộ chuyển đổi khí nén tịnh tiến khó có thể điều khiển vị trí với độ chính xác cao do tính nén được cao của không khí, do đó hệ thống khí nén ít được sử dụng trong các hệ dẫn động – định vị mà thường được sử dụng trong các bộ điều khiển 2 vị trí

3.3 Cơ cấu dẫn động thủy lực khí nén

3.4 Tính chọn cơ cấu dẫn động cho hệ Cơ điện tử

Việc tính chọn cơ cấu dẫn động cho hệ Cơ điện tử được thực hiện dựa trên các thông số tính toán động học và động lưc học hệ cơ cấu đảm bảo các tiêu chí:

+ Đảm bảo công suất dẫn động có tính cả các hệ số vượt tải

+ Đảm bảo chi phí tối ưu cho hệ thống

+ Phù hợp với phương pháp điều khiển của hệ thống điều khiển

+ Đối với các cơ cấu dẫn động thủy lực khí nén cần xem xét các yếu tố ảnh hưởng khác ngoài các thông số của nhà cung cấp như thời gian, điều kiện làm việc…

NỘI DUNG CHƯƠNG IV

Chương 4

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC

4.1 Bài toán động học

4.2 Bài toán động lực học hệ thống Cơ điện tử

4.3 Mô hình động lực học của một số mô hình hệ

thống Cơ điện tử đặc trưng

4.1 Bài toán động học

Phương pháp ma trận Craig:

• Hệ tọa độ khớp Ri-1 được chuyển sang hệ tọa độ khớp Ri bằng bốn

phép biến đổi cơ bản sau:

- Quay quyanh trục xi-1 một góc αi-1

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi-1 một đoạn ai-1

- Quay quanh trục zi một góc θi

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi một đoạn di

Ma trận của phép biến đổi là tích của bốn ma trận biến đổi cơ bản sau:

Ma trận Ki là ma trận Craig địa phương của khâu i cho biết vị trí của khâu i của robot so với khâu thứ i-1

Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi đối với robot n khâu ta có:

4.2 Bài toán động lực học hệ thống Cơ điện tử

a) Động năng của robot

Biểu thức động năng của vật rắn được xác định như sau:

Ii là ma trận tenxơ quán tính khối của vật rắn đối với hệ quy chiếu

Phương trình Lagrange loại 2

Phương trình Lagrange loại 2 dạng ma trận như sau:

Thay phương trình động năng và thế năng của robot vào phươngtrình Lagrange 2 ta nhận được phương trình vi phân chuyển độngcủa robot:

0 0 ( )

Giải phương trình trên ta được:

NỘI DUNG CHƯƠNG V

Chương 5

THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

5.1 Cảm biến trong hệ thống Cơ điện tử

5.2 Hệ thống vi điều khiển trong Cơ điện tử

5.3 Hệ thống điều khiển logic

5.1 Cảm biến trong hệ thống Cơ điện tử

Cảm biến sử dụng trong hệ thống Cơ điện tử rất đa dạng bao gồm cáccảm biến chuyên dụng và các cảm biến phản hồi trung gian Về khảnăng ứng dụng các cảm biến phản hồi trung gian được ưu tiên sử dụng

do khả năng đáp ứng linh hoạt theo các bài toán khác nhau Các cảmbiến phản hồi trung gian thường sử dụng gồm:

+ Cảm biến đo vị trí

+ Cảm biến đo vận tốc, gia tốc

+ Cảm biến đo lực

5.1.1 Cảm biến đo vị trí trong hệ thống Cơ điện tử

Cảm biến vị trí được phân thành các dạng như sau:

• Cảm biến vị trí tiếp xúc (Đơn giản, giá rẻ)

Công tắc hành trình (Limit Switch)Điện thế kế điện trở (Potentiometers)

Cảm biến đo vị trí là cảm biến được sử dụng trong thiết bị nhằm đokhoảng cách di chuyển của vật thể tới vị trí tham chiếu

Cảm biến xác định vị trí bằng cách đo vị trí tuyến tính hoặc góc trongtham chiếu đến một điểm cố định

• Cảm biến vị trí không tiếp xúc (Chịu môi trường khắc nghiệt, bền, giá cao)

Cảm biến từ (Magnetic sensors)Cảm biến siêu âm (Ultrasonic sensors)Cảm biến tiệm cận (Promixity sensors)Cảm biến quang điện (Photoelectronic sensors)

5.1 Cảm biến trong hệ thống Cơ điện tử

1 Cảm biến đo vận tốc

Vận tốc dài (tuyến tính)

- Thể hiện mức độ thay đổi vị trí của đối tượng

- Là đại lượng véc tơ: có hướng và độ lớn

- Đơn vị đo: km/h

Vận tốc góc:

- Thể hiện mức độ thay đổi vị trí góc quay

- Là đại lượng véc tơ

- Đơn vị đo: góc quay/ thời gian (vòng/phút)

5.1.2 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc

A Đo vận tốc dài

5.1.2 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc

B Đo vận tốc góc

Máy phát tốc – Tachogenerator: tạo ra điện áp tỉ lệ với vận tốc góc

của trục quay ngõ vào, khi động cơ quay sẽ tạo ra một mức điện áp tỉ lệ với tốc độ quay

5.1.2 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc

II Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo: Cảm biến có dạng tấm mỏng chế tạo từ vật liệu áp điện (thạch anh, gốm …) hai mặt có phũ lớp kim loại => Tương tự như một tụ điện

5.1.3 Cảm biến đo lực, biến dạng

Nguyên lý hoạt động: Dựa trên hiệu ứng áp điện, dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng => Xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu => Điện áp giữa 2 bản cực (V) tỉ lệ với lực tác dụng (F)

5.1.3 Cảm biến đo lực, biến dạng

5.2 Vi điều khiển trong hệ thống Cơ điện tử

1 Vi xử lý

o Vi xử lý (micro – processor / / ), đôi khi

còn được gọi là bộ vi xử lý, là một linh kiện

điện tử được chế tạo từ các transistor thu nhỏ

tích hợp lên trên một vi mạch tích hợp. Bộ vi xử lý Intel

80486DX2

Intel 4004, vi xử lý 4 bit thương

Intel Core i9 – 11900K 16M Cache, 3.50 GHz up to 5.30 GHz, 8C16T, Socket

1200, Cores 8 Threads 16

o Vi xử lý xuất hiện ở trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các phần cứng máy tính:

CPU (Central Processing Unit) của bo mạch máy tính, điện thoại

thông minh.

Card đồ họa GPU (Graphics Processing Unit), ….

o Vi xử lý kết hợp với các thiết bị khác được sử trong các hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý một lượng lớn các phép tính phức tạp, có tốc độ nhanh: các hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp, các tổng đài điện thoại, hoặc ở các robot có khả năng hoạt động phức tạp v.v

5.2 Vi điều khiển trong hệ thống Cơ điện tử

Các thông số kỹ thuật:

o 8 bit ALU, 8 bit thanh ghi.

o 8 bit dữ liệu bus 16 bit địa chỉ bus

o Không gian bộ nhớ tối đa cho ROM và RAM lên tới 64 kb

o Bộ nhớ dữ liệu SRAM 128 bytes

o Bộ nhớ chương trình ROM 4 kb.

o 32 chân vào/ra đa hướng.

o Giao tiếp nối tiếp UART

o Hai bộ timer/counter 16 bit Hai ngắt ngoài