Định nghĩa hệ thống cơ điện tử: - Cơ điện tử là sự tích hợp của cơ khí, điện tử và điều khiển thông minh bằng máy tính trong thiết kế và chế tạo các sản phẩm của quá trình công nghiệp.
Trang 1ĐỀ CƯƠNG MÔN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TRONG GIAO THÔNG VÀ CÔNG
NGHIỆP, GIẢI ĐỀ 3 VÀ 4, ĐH GTVT
Câu 1: Định nghĩa hệ thống cơ điện tử? Trình bày các thành phần cơ bản của hệ thống cơ
điện tử? 2
Câu 2: Lịch sử phát triển của hệ thống cơ điện tử? Hướng phát triển trong tương lai? 2
Câu 3: Các phương pháp tích hợp của hệ thống cơ điện tử? 3
Câu 4: Thế nào là một cảm biến? Các loại cảm biến thường dùng? Cho ví dụ về hoạt động của 1 loại cảm biến? 4
Câu 5: Thế nào là 1 cơ cấu chấp hành? Các loại cơ cấu chấp hành thường gặp? Cho ví dụ về nguyên lý hoạt động của 1 loại cơ cấu chấp hành? 4
Câu 6: Các đặc trưng cơ bản của cảm biến và cơ cấu chấp hành 5
Câu 7: Nguyên lý làm việc của các loại cảm biến đo lực? 6
Câu 8: Nguyên lý làm việc của các loại cảm biến đo nhiệt độ? 7
Câu 9: Nguyên lý làm việc của các loại cảm biến đo gia tốc? 9
Câu 10: Các loại động cơ điện 1 chiều? 10
Câu 11: Các loại động cơ điện xoay chiều? 12
Câu 12: Ưu khuyết điểm và phạm vi sử dụng của động cơ bước? 13
Câu 13: Các phần tử cơ bản của hệ thống chấp hành thủy lực? 14
Câu 14: Các phần tử cơ bản của hệ thống chấp hành khí nén? 15
Câu 15: Hệ thống phun nhiên liệu điện tử là gì? Ưu khuyết điểm của hệ thống so với bộ chế hòa khí? Tai sao hệ thống này ngày cang được ứng dụng rộng rãi? 17
Câu 16: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống phun nhiên liệu điện tử? 18
Câu 17: Các yếu tố tác động đến thời điểm phun, lưu lương phun, áp suất phun của hệ thống phun nhiên liệu điện tử? 19
Câu 18: Công dụng, nguyên lý làm việc của hệ thống chóng bó cứng phanh (ABS) trên xe oto? 19
Câu 19: Công dụng, nguyên lý làm việc của hệ thống túi khí an toàn trên xe ô tô? 21
Câu 20: Công dụng, nguyên lý làm việc của hệ thống điều chỉnh khoảng cách giữa các xe ô tô? 21
Trang 2I TRẢ LỜI CÂU HỎI
Câu 1: Định nghĩa hệ thống cơ điện tử? Trình bày các thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện tử?
Định nghĩa hệ thống cơ điện tử:
- Cơ điện tử là sự tích hợp của cơ khí, điện tử và điều khiển thông minh bằng máy tính
trong thiết kế và chế tạo các sản phẩm của quá trình công nghiệp
- Hệ thống cơ điện tử là 1 hệ thống bao gồm các thành phần cơ khí, cơ điện hoặc thủykhí, trong đó có sự chuyển hóa năng lượng từ 1 dạng năng lượng khác sang cơ năng hoặcngược lại và các thành phần điện, điện tử trong mạch phần cứng, được điều khiển hoạtđộng dưới 1 giải thuật điều khiển nhằm đạt được đáp ứng như mong muốn ở đầu ra của
hệ thống
Thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện tử:
+ Hệ phát động và dẫn động: Bộ chuyển hóa năng lượng chuyển đổi năng lượng từ 1dạng khác (ví dụ: điện năng, cơ năng) Thông thường là các động cơ (điện từ, thủykhí, nhiệt) đóng vai trò là cơ cấu phát động Bộ phận dẫn động (truyền động) có vaitrò truyền cơ năng từ bộ phận phát động đến cơ cấu chấp hành
+ Cơ cấu chấp hành: Trong hệ thống cơ điện tử, cơ cấu chấp hành là một thiết bị haydụng cụ mà hệ thống đó dùng để tương tác với môi trường Ví dụ như tay kẹp robot,trống quay trong máy giặt, bàn chứa phôi và dao trong máy phay CNC
+ Hệ thống cảm biến đo lường (có thể có hoặc không): các cảm biến đo và thu thập
dữ liệu nhằm phản hồi vào hệ thống điều khiển qua đó các dữ liệu đo được xử lý và
bộ điều khiển đưa ra tác động lên quá trình động học, động lực học của hệ thống đểthu được đáp ứng như mong muốn ở đầu ra
+ Hệ thống điều khiển- bao gồm cả phần cứng (mạch điện, điện từ) và phần mềmchứa giải thuật điều khiển của hệ thống
Câu 2: Lịch sử phát triển của hệ thống cơ điện tử? Hướng phát triển trong tương lai?
Lịch sử phát triển:
- Trước năm 1990: hệ cơ khí thuần túy
+ Máy hơi nước_động cơ đốt ngoài (1780)
Trang 3+ Các máy khuếch đại thủy lực và khí nén.
+ Các bộ điều khiển, bộ khuếch đại
- Giai đoạn 1920-1935: cơ khí và điều khiển tự động
+ Máy tính số, thang máy, tuốc bin hơi nước
- Giai đoạn 1955- 1975: Giai đoạn này hệ thống cơ điện tử tích hợp giữa máy tính,điều khiển và hệ thống cơ khí
+ Máy tính xử lý (CPU) (1959)
+ Tự động hóa dựa trên số hóa (1975)
+ Robot công nghiệp
Hướng phát triển trong tương lai:
- Xu thế phát triển của cơ điện trên thế giới là tích hợp ngày càng nhiều công nghệ, sảnphẩm ngày càng “thông minh” hơn và kích thước ngày càng nhỏ hơn
- Công nghệ micro,nano thu nhỏ các thiết bị máy móc xuống kích thước của phân tử cácsản phẩm công nghệ trong tương lai
- Nâng cao trí thông minh cho các sản phẩm cơ điện tử
Câu 3: Các phương pháp tích hợp của hệ thống cơ điện tử?
- Tích hợp giữa các phần cứng: các phần cứng được nối với nhau, bộ cảm biến được nốivới máy tính, bộ cảm biến được nối với các cơ cấu chấp hành để thực hiện các lệnh saukhi đã xử lý tín hiệu được thu thập từ bộ cảm biến
- Tích hợp xử lý thông tin: liên kết các phần mềm để xử lý thông tin trực tuyến hoặc xử
lý các thông tin chung
- Tích hợp để thực hiện các điều khiển đa cấp bao gồm các hệ thống các cấp:
+ Cấp 1: điều khiển ở cấp thấp, phản hồi ổn định và tuyến tính hóa
Trang 4+ Cấp 2: điều khiển mức cao, điều khiển chấp nhận các phản hồi.
+ Cấp 3: giám sát bao gồm cả chẩn đoán lỗi
+ Cấp 4: tối ưu hóa phối hợp các quá trình
- Các cảm biến đo nhiệt độ: Ví dụ như các loại cảm biến đo sự thay đổi của nhiệt
độ dựa vào sự thay đổi của điện trở hoặc các diot nhiệt, hồng ngoại; thể tích thay đổi khichiều dài thay đổi
- Các cảm biến lưu lượng: là các cảm biến siêu âm, lưu lượng kế, các thiết bị đodòng chảy bằng điện từ
- Các cảm biến áp suất
+ Theo đối tượng đo: độ phân giải cao, khoảng đo rộng, giải pháp tin cậy, giá thành thấp
- Ví dụ về hoạt động của 1 loại cảm biến:
* Cảm biến đo biến dạng:
- Nguyên lý hoạt động:
- Khi vật liệu chịu kéo chiều dài sẽ tăng lên, khi vật liệu chịu nén chiều dài sẽ giảmxuống
- Đối với dầm chịu uốn, 1 thớ của dầm sẽ chịu kéo, 1 thớ của dầm chịu nén
Dựa vào các đặc tính trên người ta có các nguyên lý đo lực như sau:
+ Dựa vào sự biến dạng các phần tử đàn hồi
+ Cân bằng các lực chưa biết thông qua 1 hệ cân bằng
+ Có thể đo gia tốc để xác định giá trị của lực khi đã biết khối lượng (để xác địnhcác lực va đập)
Trang 5Câu 5: Thế nào là 1 cơ cấu chấp hành? Các loại cơ cấu chấp hành thường gặp? Cho ví
dụ về nguyên lý hoạt động của 1 loại cơ cấu chấp hành?
- Cơ cấu chấp hành là 1 thiết bị thực hiện các lệnh điều khiển do bộ xử lý tác động.
- Phân loại:
1 Theo dạng năng lượng sử dụng
+ Cơ cấu chấp hành điện:Sử dụng năng lượng điện Ví dụ: động cơ điện, role điện từ.+ Cơ cấu chấp hành thủy lực:Sử dụng năng lượng của dòng dầu thủy lực Ví dụ: các xylanh thủy lực, các động cơ thủy lực, van thủy lực
+ Cơ cấu chấp hành bằng các loại vật liệu mới: các áp điện, các tinh thể
+ Cơ cấu chấp hành micro, nano: thích hợp cho các cơ hệ có kích thước nhỏ có thể sửdụng các công nghệ xử lý các vật liệu có nguồn gốc từ silic
2.Theo công dụng:
+ Cơ cấu chấp hành tạo ra chuyển động tịnh tiến
+ Cơ cấu chấp hành tạo ra chuyển động quay
+ Cơ cấu chấp hành tạo ra chuyển động đóng mở các van, role
- Đặc tính hoạt động của 1 cơ cấu chấp hành:
* Cơ cấu chấp hành điện: hầu hết dựa trên nguyên lý hoạt động kiểu đóng mở các thiết
bị chuyển mạch nhận tín hiệu ra, lệnh cấp năng lượng để tác động đóng hay mở các thiết
bị điện như động cơ van
Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp : có cuộn dây phần ứng và cuộn kích từ nối tiếpnhau
Câu 6: Các đặc trưng cơ bản của cảm biến và cơ cấu chấp hành
a Dải đo, độ nhạy và độ phân giải
- Dải đo của cảm biến là hiệu giữa đầu vào lớn nhất với đầu vào nhỏ nhất mà tương ứngvới dải giá trị đầu vào đó có giá trị đầu ra phù hợp
VD: cặp nhiệt có dải từ -50oC đến 750oC thì dải đo là 800oC
- Độ nhạy của cảm biến: là thông số biểu diễn mỗi sự thay đổi của đầu vào sẽ có sự thayđổi tương ứng của đầu ra
Trang 6- Độ phân giải: là khoảng nhỏ nhất của đầu vào mà cảm biến có thể đo được hay chính là
số đếm nhỏ nhất của cảm biến
b Sai số độ tuyến tính và độ chính xác.
- Sai số là sự sai khác giữa giá trị đo được và giá trị thực của đầu vào Có 2 loại sai số:
+ Sai số hệ thống:là sai số ở tất cả các phép đo
+ Sai số ngẫu nhiên: là sai số có ở 1 số các phép đo nào đó
- Độ tuyến tính và độ chính xác: độ chính xác của 1 cảm biến tỷ lệ nghịch với sai số, sai
Dựa vào các đặc tính trên người ta có các nguyên lý đo lực như sau:
- Dựa vào sự biến dạng của các phần tử đàn hồi
- Cân bằng các lực chưa biết thong qua 1 hệ đo
- Có thể đo gia tốc để xác định giá trị của lực khi đã biết khối lượng( để xác dịnhcác lực va đập)
A, Cảm biến đo lực
* Cảm biến tải trọng dầm
Trang 7
Dựa vào giá trị E người ta xác định được giá trị của P.
* Cảm biến đo lực kéo
Cảm biến đo lực kéo thường sử dụng đó là các điện trở thay đổi khi bị biến dạng Cácđiện trở này được gắn lên các vật chịu lực khi vật bị biến dạng, điện trở trong cảm biếnlực sẽ thay đổi tùy theo mức độ biến dạng từ đó có thể xác định được độ lớn của lực kéo
B, Đo mô men xoắn và công suất
Trang 81 Cảm biến đo tốc độ
Thiết bị dẫn động là động cơ diesel, xăng hay các nguồn động lực khác
Thiết bị bị động là nguồn tiêu thụ công suất, trong các thí nghiệm đo công suất của động
cơ, thiết bị bị động thong thường là các hộp phanh ma sát , hộp nước các cảm biế đobiến dạng thường được chế tạo bằng các sợi KL, các CB đo tốc độ thường dùng là cácEncoder hoạt động dựa trên nguyên lý biến xung
Câu 8: Nguyên lý làm việc của các loại cảm biến đo nhiệt độ?
1 Cảm biến nhiệt độ dựa vào sự giãn nở khác nhau:
1 Tương đối đơn giản, giá thành tương đối thấp
2 Độ chính xác tương đối cao, dễ bảo quản
+ Nhược điểm:
1 Dải đo bị hạn chế bởi nhiệt độ đông đặc và nhiệt độ bay hơi của chất lỏng
ví dụ: Thủy ngân nhiệt độ đo được trong khoảng -40oC đến 500oC
Trang 9
Khi nhiệt độ thay đổi 2 tấm kim loại có độ dãn nở khác nhau sẽ làm cho tấm phẳng đượcgắn chặt bởi 2 tấm kim loại sẽ bị cong với bán kính cong Bán kính cong sẽ thay đổitheo sự thay đổi của nhiệt độ Ta có:
t: tổng chiều dài của 2 tấm
αA , αB : là hệ số dãn nở theo nhiệt độ
T2 và T1: lần lượt là nhiệt độ ở thời điểm sau và nhiệt độ ở thời điểm đầu
+ Ưu điểm:
1 Có khoảng đo tương đối rộng
2 Tương đối đơn giản
3 Có thể dùng để đóng mở các công tắc dựa vào mức nhiệt độ
+ Nhược điểm: Độ chính xác bị hạn chế khi phải đo trong khoảng đo rộng
2 Cảm biến nhiệt độ dựa vào sự biến đổi pha
- Nguyên lý làm việc: Khi nhiệt độ thay đổi, chất lỏng biến đổi pha thành khí làm thayđổi thể tích Căn cứ vào mức độ thay đổi thể tích có thể xác định thay đổi về nhiệt độ.+ Ưu điểm:
1 Khoảng đo tương đối rộng;
2 Mức độ chính xác tương đối cao
Trang 10+ Nhược điểm: Cần phải tiếp xúc đối với đối tượng đo.
3 Nhiệt kế hồng ngoại:
- Nguyên lý làm việc: dựa vào tính chất là bước sóng sẽ thay đổi (màu sắc của đối tượngcần đo sẽ thay đổi theo nhiệt độ) và từ đó có thể xác định được của bề mặt phát xạ dotính chất sóng phát xạ từ bề mặt của đối tượng đo thay đổi theo nhiệt độ
Câu 9: Nguyên lý làm việc của các loại cảm biến đo gia tốc?
1 Cảm biến gia tốc quán tính (Gia tốc kế quán tính)
1.Dây dẫn 2.Bộ điều chỉnh 3.Khối lượng dao động
4 Bộ xử lý
Nguyên lý làm việc: Bộ xử lý 4
sẽ xác định được gia tốc dựa vào các giá trị f1 và f2
+ Ưu điểm: có thể xác định được các gia tốc tần số thấp năng lượng dao động nhỏ.+ Nhược điểm: Cồng kềnh
2 Cảm biến gia tốc áp điện (gia tốc kế áp điện)
Trang 11
1.Tinh thể điện áp (Lead-zirconatetitante:PZI)
2.Khối lượng dao động
q=dq.ma
dq: hệ số áp điện
- Ưu điểm:
+ Kích thước gọn nhẹ
+ Tạo được điện tích q khá lớn ngay cả khi giá trị gia tốc nhỏ
+ Không phụ thuộc vào vị trí đo
+ Tự tạo ra điện tích không cần nguồn bên ngoài
- Nhược điểm: Hạn chế khi năng lượng dao động nhỏ hay tần số dao động thấp
Ví dụ: Đo dao động của các kết cấu công trình (tòa nhà cao tầng, của cầu, … không nêndùng loại này)
3 Cảm biến gia tốc micro & nano
Đây là các cảm biến dựa vào các khối micro và nano để xác định giá trị của gia tốccho các chuyển động Việc xác định gia tốc dựa vào công nghệ này tương tự như phươngpháp cân bằng lực hay xác định gia tốc dựa vào tinh thể áp điện
- Nhược điểm
+ Giá thành cao
+ Tuổi thọ không ổn định
Câu 10: Các loại động cơ điện 1 chiều?
- Động cơ điện 1 chiều thường bao gồm 1 phần tĩnh và 1 phần quay, phần quay được gọi
là phần ứng, phần tĩnh được gọi là phần cảm (cuộn cảm) được đặt giữa (đối xứng) của 1nam châm điện
Trang 12a1 Đ/c điện 1 chiều Kích từ nối tiếp: Loại động cơ điện này có cuộn dây phần
ứng và cuộn kích từ nối nối tiếp với nhau
+ Ưu điểm:
1 Khi dòng điện phụ tải tăng sđđ cảm ứng giảm
Mặt khác do cuộn dây kích từ được nối tiếp với cuộn dây phần ứng, từ thông tỉ lệ thuậnvới dòng điện phần ứng, nê tải trọng giảm, tốc độ của động cơ lại tăng
2 Kích từ nối tiếp thích hợp với những động cơ dùng trong lĩnh vực giao thông
Ví dụ: Đầu máy, to axe tự hành, oto điện
a2 Đ/c 1 chiều kích từ song song:
- Loại này có cuộn dây kích từ song song với cuộn dây phần ứng
- Ưu điểm:
Trang 13+ Tải trọng có thể thay đổi trong dải rộng nhưng tốc độ của động cơ vẫn được duy trì ổnđịnh
+ Thích hợp với các loại máy công cụ, máy bơm hay đối với các loại máy cần sự ổn định
về tốc độ
a3 Đ/c điện 1 chiều kích từ hỗn hợp: là loại động cơ điện 1 chiều được kích từ
bằng các cuộn dây kích từ mắc nối tiếp và mắc song sogn với cuộn dây phần ứng
- Ưu điểm: Có khả năng tạo ra các đường đặc tính theo ý muốn thích hợp với các động
cơ điện đòi hỏi sự thay đổi về phụ tải trong 1 dải rộng
b.Phân loại theo phương pháp điều khiển dòng kích từ
b1 Động cơ điện 1 chiều điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.
Điều khiển điện áp phần ứng thì điện áp đ/c có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổiđiện áp phần ứng
- Ưu điểm: Phương pháp này thường được ứng dụng cho những động cơ công suất lớn
c Một số chú ý: Hiệu suất động cơ điện 1 chiều phụ thuộc
1 Tổn hao phần ứng là những tổn hao trong cuộn dây phần ứng
2 Tổn hao do từ trễ và do dòng điện phát sinh trong lõi sắt
Trang 143 Tổn hao do chuyển mạch: là các tổn hao do các điện trở tiếp xúc giữa chổi than và cácvành chuyển mạch.
4 Tổn hao do ma sát: ma sát giữa chổi than và cổ góp
5 Tổn hao do kích từ
6 Tổn hao do ma sát giữa trục và bạc trục
Câu 11: Các loại động cơ điện xoay chiều?
a Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ:
+ Ưu điểm:
1 Hiệu suất cao
2 Chi phí cho hộp điều khiển tương đối thấp
+ Nhược điểm:
1 Khoảng điều chỉnh tốc độ tương đối hẹp
+ Phương pháp điều chỉnh tốc độ bao gồm:
1 Thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho độn cơ
2 Thay đổi số cực từ của động cơ
3 Thay đổi điện trở của Rơle bằng cách dùng điện trở phụ nối tiếp với mạch Rôto(dùng với động cơ công suất nhỏ)
a Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ:
+ Ưu điểm:
1 Dễ điều khiển tốc độ quay của động cơ
+ Nhược điểm:
1 Cần có dòng 1 chiều để kích thích Rôto
b Các loại động cơ điện khác
Các loại động cơ điện khác dùng làm cơ cấu chấp hành điện bao gồm động cơ điện
1 chiều, nam châm vĩnh cửu, động cơ điện 1 chiều không chổi than, động cơ điệnkhông đồng bộ
Câu 12: Ưu khuyết điểm và phạm vi sử dụng của động cơ bước?
Trả lời
Động cơ bước là loại động cơ có số vòng quay của trục đ/c tỷ lệ với chuỗi xung điện áp 1chiều Tốc độ của động cơ có thể điều chỉnh bằng cách điều chỉnh chuỗi xung điện ápđầu vào
- Ưu điểm: do chuyển động của động cơ không liên tục nên rất thích hợp trong việc sửdụng công nghệ số ứng dụng trong các hệ vi điều khiển