Chương 2. Cách tiếp cận thiết kế cơ điện tử

Chương 1. Cơ điện tử là gì ?

Mục lục:

2.1 Lịch sử phát triển và định nghĩa hệ cơ điện tử
2.2 Chức năng của các hệ cơ điện tử
2.3 Các phương pháp tích hợp
2.4 Các hệ thống xử lý thông tin (Kiến trúc cơ bản và các thỏa hiệp phần cứng/phần mềm)
2.5 Quy trình thiết kế đồng thời cho các hệ cơ điện tử

2.1        Lịch sử phát triển và định nghĩa hệ cơ điện tử

Trong một số lĩnh vực kỹ thuật, người ta đã thực hiện việc kết hợp các sản phẩm hoặc các quy trình sản xuất với điện tử. Đặc biệt với các hệ cơ khí được phát triển từ năm 1980. Những hệ thống này đã chuyển từ hệ cơ-điện với các phần điện và cơ khí riêng rẽ sang hệ cơ-điện tích hợp với các bộ cảm biến, các cơ cấu chấp hành, các mạch vi điện tử số. Những hệ thống tích hợp này, như thấy trên bảng 2.1, được gọi là các hệ cơ điện tử (mechatronics systems), với sự kết hợp giữa từ CƠ (MECHAnics) và từ ĐIỆN TỬ (elecTRONICS).

Thuật ngữ “cơ điện tử” lần đầu tiên được đưa ra bởi một kỹ sư người Nhật vào năm 1969 [1], với những định nghĩa ban đầu do [2] và [3] đưa ra. Trong [4], người ta đã đưa ra một định nghĩa tổng quát như sau: “Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển thông minh bằng máy tính trong thiết kế và chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp”[5].

Tất cả những định nghĩa này đều có điểm chung là coi cơ điện tử như một lĩnh vực liên ngành trong đó những ngành dưới đây đóng vai trò như nhau (xem hình 2.1):

• Cơ khí (các thành phần cơ khí, máy móc, cơ khí chính xác);
• Điện tử (vi điện tử, điện tử công suất, công nghệ cảm biến và cơ cấu chấp hành);
• Công nghệ thông tin (lý thuyết hệ thống, tự động hóa, công nghệ phần mềm, trí tuệ nhân tạo).

Một số bài báo đã mô tả sự phát triển của cơ điện tử; xem [5-8]. Nội dung chi tiết về những vấn đề chung nhất được đưa ra trong các tạp chí [4,9,10]; các tuyển tập của hội thảo đầu tiên [11-15] và các ấn phẩm [16-19].

Hình 2.2 biểu thị sơ đồ tổng quát về một quá trình cơ khí hiện đại giống như máy phát năng lượng. Dòng năng lượng sơ cấp đi vào trong máy, sau đó hoặc được dùng trực tiếp cho bộ phận tiêu thụ năng lượng như trường hợp của bộ biến đổi năng lượng hoặc được chuyển thành dạng năng lượng khác như trường hợp của máy chuyển đổi năng lượng. Dạng năng lượng có thể là điện năng, cơ năng (thế năng hoặc động năng, thuỷ lực, khí nén), hóa năng hay nhiệt năng. Các máy

BẢNG 2.1 Lịch sử phát triển của các hệ thống cơ học, điện và điện tử

hầu hết được đặc trưng bởi dòng năng lượng liên tục hoặc tuần hoàn (lặp lại). Đối với các quá trình cơ khí khác, như các thành phần cơ khí hoặc các thiết bị cơ khí chính xác, dòng năng lượng không liên tục là điển hình.

Nhìn chung dòng năng lượng là sản phẩm của dòng suy rộng và thế (khả năng). Thông tin về trạng thái của quá trình cơ khí có thể nhận được bằng các dòng suy rộng đo được (dòng tốc độ, khối lượng, thể tích) hoặc dòng điện hay thế (lực, áp suất, nhiệt độ, điện áp). Cùng với những biến tham chiếu, các biến đo là các đầu vào của dòng thông tin thông qua các điện tử số tạo ra các biến điều khiển cho cơ cấu chấp hành hoặc các biến giám sát trên màn hình.

HÌNH 2.1 Cơ điện tử: sự tích hợp của nhiều chuyên ngành khác nhau

Hình 2.2 Quá trình cơ khí và việc xử lý thông tin phát triển hướng tới các hệ Cơ điện tử

Việc thêm và tích hợp dòng thông tin phản hồi với dòng năng lượng cấp thẳng trong hệ cơ khí ban đầu là một đặc trưng của nhiều hệ cơ điện tử. Sự phát triển này đã tác động ngay đến quá trình thiết kế các hệ cơ khí. Các hệ cơ điện tử có thể được chia nhỏ thành:

• Các hệ cơ điện tử
• Các thiết bị cơ điện tử
• Các phương tiện cơ điện tử
• Cơ điện tử chính xác
• Vi cơ điện tử

Điều này cho thấy sự tích hợp với điện tử diễn ra trong nhiều dạng hệ kỹ thuật. Trong một vài trường hợp, thành phần cơ khí của quá trình được ghép đôi với một phần điện, nhiệt, nhiệt động, hoá hay xử lý thông tin. Điều này đặc biệt đúng với các bộ biến đổi năng lượng mà ở đó, ngoài dạng năng lượng cơ khí, còn có các dạng năng lượng khác. Như vậy, các hệ cơ điện tử theo nghĩa rộng bao gồm cả quá trình cơ khí và phi cơ khí. Tuy nhiên, các thành phần cơ khí thông thường nắm vai trò chủ đạo trong hệ thống.

Do một dòng năng lượng phụ được dùng để thay đổi các đặc tính cố định của các hệ thống cơ khí thụ động trước kia thông qua điều khiển phản hồi và điều khiển cấp thẳng, nên những hệ thống này đôi khi còn được gọi là hệ thống cơ khí chủ động.