Cách tiếp cận thiết kế cơ điện tử

2.2 Chức năng của các hệ cơ điện tử

Hệ cơ điện tử cho phép nâng cấp nhiều chức năng cũ và tạo ra các chức năng mới. Vấn đề này sẽ được bàn tới bằng việc xem xét một số ví dụ.

Sự phân chia chức năng giữa cơ khí và điện tử

Trong thiết kế hệ thống cơ điện tử, sự tác động qua lại của các phần cơ khí và điện tử nhằm thực hiện các chức năng là điều rất quan trọng. So với việc thực hiện các chức năng cơ khí đơn thuần, việc sử dụng các bộ khuyếch đại và cơ cấu chấp hành với dòng năng lượng điện phụ đã mang đến sự đơn giản hóa đáng kể cho các thiết bị như đồng hồ đeo tay, máy chữ và camera. Một sự đơn giản hóa đáng kể khác trong hệ thống cơ khí bắt nguồn từ việc đưa máy vi tính kết nối với các động cơ điện phân quyền, như có thể thấy từ máy chữ điện tử, máy khâu, hệ thống điều khiển đa trục và bộ số tự động.

Việc thiết kế các cấu trúc gọn nhẹ dẫn đến hệ thống đàn hồi có độ tắt dần yếu do vật liệu. Thiết bị giảm chấn điện tử nhờ các cảm biến vị trí, tốc độ, hoặc dao động và phản hồi điện tử có thể được thực hiện với lợi thế mở rộng của một thiết bị giảm chấn có khả năng điều khiển thông qua các thuật toán. Ví dụ như bộ xích truyền động đàn hồi của ô tô với các thuật toán giảm chấn trong động cơ điện tử, robot đàn hồi, hệ thống thuỷ lực, cần cẩu, và cấu trúc không gian (ví dụ với bánh đà).

Việc thêm vào điều khiển vị trí, tốc độ, hoặc lực theo vòng kín không chỉ dẫn đến sự theo dõi chính xác các biến tham chiếu mà còn dẫn đến một ứng xử xấp xỉ tuyến tính, thậm chí ngay cả khi hệ thống cơ khí có các ứng xử tác động phi tuyến. Bằng việc loại bỏ ràng buộc của sự tuyến tính hoá về mặt cơ khí, việc xây dựng và sản xuất có thể được giảm nhẹ. Ví dụ như các cơ cấu chấp hành cơ điện và khí nén cơ học đơn giản cùng các van lưu lượng với điều khiển điện tử.

Với việc tạo ra các biến tham chiếu khả trình mềm dẻo, khả năng thích nghi của hệ thống cơ khí phi tuyến có thể được cải thiện. Điều này đã được dùng cho việc điều khiển các đặc tính bàn đạp trong phần điện tử của động cơ ô tô, điều khiển từ xa của ô tô và máy bay trong việc phát triển máy xúc chấp hành thuỷ lực và việc điều khiển công suất điện.

Với sự gia tăng về số lượng của các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành, khoá chuyển mạch và các thiết bị điều khiển, các kết nối dây và điện sẽ tăng. Điều đó ảnh hưởng đến độ tin cậy, chi phí, trọng lượng và kích thước. Vì vậy, sự phát triển các hệ thống bus, hệ thống giắc cắm hợp lý, hệ thống điện tử tái cấu hình và dự phòng là những thách thức đặt ra cho các nhà thiết kế.

Cải thiện các thuộc tính hoạt động của hệ thống

Bằng việc ứng dụng điều khiển phản hồi chủ động, độ chính xác đạt được không chỉ thông qua độ chính xác cơ khí cao của một thành phần cơ khí được điều khiển cấp thẳng một cách thụ động mà còn thông qua việc so sánh một biến tham chiếu được lập trình với một biến điều khiển đo được. Vì vậy, độ chính xác cơ khí trong thiết kế và sản xuất có thể giảm một phần và người ta có thể sử dụng các kết cấu đơn giản hơn cho ổ trục hoặc khe trượt. Một khía cạnh quan trọng là việc bù ma sát biến thiên theo thời gian và ma sát lớn hơn gọi là bù ma sát thích nghi [13, 20]. Ngoài ra, một ma sát lớn hơn của khe hở có thể được chấp nhận vì thường bù ma sát dễ hơn bù khe hở.

Điều khiển dựa trên mô hình và thích nghi cho phép mở rộng phạm vi hoạt động hơn so với điều khiển cố định với những thực hiện không mong muốn (nguy hiểm do không ổn định hoặc ứng xử không nhanh nhạy). Sự kết hợp giữa điều khiển thích nghi và bền vững cho phép mở rộng phạm vi hoạt động cho điều khiển dòng, lực, tốc độ và cho các quá trình như động cơ, phương tiện, máy bay. Khả năng điều khiển tốt hơn cho phép các biến tham chiếu tiến gần hơn tới những ràng buộc (ví dụ như nhiệt độ và áp suất cao hơn để đốt cháy động cơ và tua bin, máy nén với những giới hạn dừng, áp suất và tốc độ cao hơn đối với máy sản xuất giấy và xưởng luyện thép) làm tăng hiệu suất làm việc và tăng lợi nhuận.

Bổ sung những chức năng mới

Hệ thống cơ điện tử cho phép thực hiện những chức năng mà khó có thể thực hiện được nếu không có điện tử số. Trước hết, những đại lượng không thể đo được có thể được tính trên cơ sở các tín hiệu đo được và bị chi phối bởi điều khiển cấp thẳng và điều khiển phản hồi. Chẳng hạn như các biến phụ thuộc vào thời gian như độ trượt của lốp, áp suất bên trong, nhiệt độ, góc trượt và tốc độ cho điều khiển dẫn hướng của phương tiện hoặc các thông số như hệ số tắt dần, độ cứng và lực cản. Việc phỏng theo các thông số như hệ số tắt dần và độ cứng của hệ thống dao động (dựa trên các phép đo dịch chuyển hoặc gia tốc) lại là một ví dụ khác. Việc giám sát và chẩn đoán lỗi trở nên quan trọng hơn với việc gia tăng các tính năng tự động hoá, gia tăng độ phức tạp, và nhu cầu ngày càng cao về độ ổn định và an toàn. Khi đó việc khởi động các bộ phận dự phòng, sự tái cấu hình hệ thống, bảo dưỡng theo yêu cầu và bất kỳ một loại dịch vụ từ xa nào đã làm cho hệ thống trở nên “thông minh” hơn. Bảng 2.2 tóm tắt một số đặc tính của hệ thống cơ điện tử so với hệ thống cơ điện truyền thống.