Hướng thiết kế mới cho hệ thống Mini, Micro, Nano

6.1. Giới thiệu

Kỹ thuật hiện đại bao gồm nhiều lĩnh vực đa ngành khác nhau. Bởi vậy, một yêu cầu cấp thiết được đưa ra là phải xác định các hướng mới trong nghiên cứu và giáo dục kỹ thuật, theo đuổi, thực hiện các sáng kiến nghiên cứu tiên phong có ý nghĩa mới và xây dựng chương trình đào tạo cơ điện tử. Bằng việc tích hợp nhiều chuyên ngành và các công cụ khác nhau, cơ điện tử cung cấp sự định hướng đa ngành và hỗ trợ những thay đổi hiện nay trong nghiên cứu và công nghiệp.

Cần thiết phải có một nghiên cứu chuyên sâu cho cơ điện tử và một sự cải tổ chương trình học của đại học và sau đại học. Những phát triển nghiên cứu hiện nay và sự tiến bộ công nghệ mạnh mẽ trong các thiết bị chuyển động cơ điện, điện tử công suất, thiết bị bán dẫn, vi điện tử, hệ thống micro và nano cơ điện tử (MEMS, NEMS), vật liệu và đóng gói, máy tính, thông tin, tính thông minh hệ thống, vi xử lý và DSP, xử lý tín hiệu và quang học, các công cụ thiết kế có sự trợ giúp của máy tính, và các môi trường mô phỏng đã mang tới những thử thách mới cho nghiên cứu. Vì vậy, nhiều nhà khoa học quan tâm đến nghiên cứu trong lĩnh vực cơ điện tử, và các trường kỹ thuật đã thay đổi chương trình học để đưa ra những khoá học thích hợp cho cơ điện tử.

HÌNH 6.1 Phân loại và các lý thuyết cơ bản được áp dụng trong hệ thống Cơ điện tử
HÌNH 6.1 Phân loại và các lý thuyết cơ bản được áp dụng trong hệ thống Cơ điện tử

Hệ thống cơ điện tử được phân loại như sau:

1. Hệ thống cơ điện tử truyền thống

2. Hệ thống vi cơ điện tử ( MEMS )

3. Hệ thống nano cơ điện tử (NEMS).

Những nguyên tắc hoạt động và nền tảng cơ bản của hệ thống cơ điện tử truyền thống và MEMS là giống nhau, trong khi NEMS có thể được nghiên cứu bằng những khái niệm và lý thuyết khác. Trong thực tế, các nhà thiết kế áp dụng cơ học cổ điển và điện từ học để nghiên cứu hệ thống cơ điện tử truyền thống và MEMS. Lý thuyết lượng tử và nano cơ điện được áp dụng cho NEMS, xem hình 6.1.

Điểm yếu của các chương trình học kỹ thuật máy tính, điện và cơ khí là không có đủ những kiến thức cơ sở, và sự hiểu biết sâu rộng về các hệ thống cơ-điện tích hợp để giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật đa ngành phức tạp. Cơ điện tử đưa ra chủ đề, các lĩnh vực đa ngành, và các môn học (chẳng hạn kỹ thuật điện, cơ học và máy tính) từ cái nhìn tổng thể đến các cơ sở lý thuyết cơ điện (nghiên cứu) và chuỗi các khóa học cơ điện tử trong một hướng đi hoặc chương trình (chương trình học) của hệ thống cơ điện (cơ điện tử). Chuỗi khoá học này được xây dựng dựa trên các mục tiêu và cường độ của chương trình. Đối với các chương trình kỹ thuật khác (chẳng hạn điện, cơ học, máy tính, hàng không, vật liệu) thì số lượng các môn học cơ điện tử, nội dung và lượng kiến thức cũng khác nhau, do các môn học cơ điện tử bổ sung cho chương trình học cơ bản. Tuy nhiên, mục đích cuối cùng là giống nhau: giáo dục và chuẩn bị một thế hệ sinh viên và kỹ sư mới nhằm giải quyết một loạt các vấn đề kỹ thuật.

Cơ điện tử là một phần quan trọng của kỹ thuật hợp nhất hiện đại do các đặc tính tích hợp, tương tác, diễn giải, tương thích và hệ thống hoá. Các phương pháp đầy đủ và hiệu quả để đánh giá xu hướng hiện nay trong kỹ thuật hiện đại với phân tích đánh giá và dự báo đầu ra có thể được tiếp cận nhờ mô hình cơ điện tử. Các hoạt động nghiên cứu và đào tạo cơ điện tử đa ngành, kết hợp với một loạt các qui trình tiếp thu chủ động và phong cách giảng dạy tổng hợp, sẽ tạo ra ết quả giảng dạy lớn hơn so với việc cải tiến các chương trình học kỹ thuật điện, máy tính, và cơ học truyền thống. Mô hình cơ điện tử đa ngành đáp ứng những mục đích rất quan trọng do nó mang đến chiều sâu mới cho các lĩnh vực kỹ thuật, thúc đẩy cơ sở và kiến thức của sinh viên, cung cấp cho sinh viên những kỹ năng giải quyết vấn đề cơ bản cần thiết để đối phó với hệ thống cơ-điện cao cấp được điều khiển bằng bộ vi xử lý hoặc DSP, vươn tới phần cứng tiên tiến, làm nổi bật và ứng dụng các môi trường phần mềm hiện đại. Thông qua chương trình học cơ điện tử, có thể đạt được mục tiêu và đối tượng của chương trình. Sự tích hợp các môn học cơ điện tử vào chương trình giảng dạy kỹ thuật sẽ được trình bày trong chương này. Mục đích cơ bản của chúng ta là xác định vai trò, kiểm tra các môn học sẵn có, cải tiến và nâng cao chương trình giảng dạy cơ điện tử nhằm cải tiến cấu trúc và nội dung các chương trình kỹ thuật, tuyển chọn và thúc đẩy sinh viên, tăng cường hiệu quả giảng dạy và cải thiện việc phân phát tư liệu, cũng như ước lượng và đánh giá đầu ra của chương trình kỹ thuật cần đạt. Tầm quan trọng chính được đặt vào sự nâng cao và cải thiện trong kiến thức, cách học, suy nghĩ quyết định, chiều sâu, sự mở rộng của sinh viên mang lại sự diễn giải, tích hợp và ứng dụng của kiến thức, động cơ, sự tận tâm, tính sáng tạo, nhiệt tình và sự tin tưởng. Có thể đạt được điều này thông qua sự phát triển và thực thi chương trình giảng dạy cơ điện tử. Chương này trình bày sự phát triển của chương trình giảng dạy cơ điện tử. Vai trò của cơ điện tử trong kỹ thuật hiện đại sẽ được thảo luận và trình b

6.2 Hệ thống Cơ điện tử Mini, Micro và Nano và chương trình giảng dạy cơ điện tử

Hệ thống cơ điện tử thông thường, mini và micro được nghiên cứu từ một hướng thống nhất do các đặc điểm hoạt động, hiện tượng cơ bản và hiệu ứng chi phối được dựa trên điện từ học và cơ học cổ điển (cơ điện). Hệ thống cơ-điện tích hợp các hệ thống con và thành phần. Cho dù các hệ thống con hoặc các thành phần (động cơ điện, cảm biến, bộ khuyếch đại công suất hoặc DSP) hoạt động tốt, nhưng hoạt động toàn bộ có thể bị suy giảm nếu nhà thiết kế thất bại trong việc tích hợp và tối ưu hệ thống cơ-điện. Trong khi máy điện, cảm biến, điện tử công suất, bộ điều khiển micro và DSP có thể được quan tâm, phân tích, thiết kế và tối ưu thì tâm điểm chính vẫn tập trung vào các vấn đề tích hợp. Các nhà thiết kế đôi khi không nắm bắt và hiểu rõ một cách tổng thể về hệ thống, nguyên nhân là do không có đủ kinh nghiệm, kiến thức, và khả năng phân tích đánh giá chi tiết với dự báo kết quả và đánh giá hoạt động của toàn bộ hệ thống. Trong khi  hương pháp phân chia và giải quyết dựa trên các thành phần được sử dụng trong giai đoạn thiết kế ban đầu thì việc thiết kế và phân tích các hệ thống cơ-điện tích hợp được thực hiện trong bối cảnh tối ưu hoá toàn bộ hệ thống với các mục tiêu phù hợp với đặc tính kỹ thuật, yêu cầu và giới hạn đặt ra. Các công nghệ VLSI và cơ-điện mới , phần mềm thiết kế có sự trợ giúp của máy tính, các công cụ thiết kế phần cứng-phần mềm phối hợp, các môi trường phần mềm hiệu suất cao, và các giải thuật tính toán mạnh cần được áp dụng để thiết kế các hệ thống cơ-điện. Đối tượng chính của việc phát triển chương trình giảng dạy cơ điện tử là nhằm thoả mãn các yêu cầu nghiên cứu–công nghiệp–chính phủ cũng như giúp đỡ sinh viên phát triển các kỹ năng cơ bản, khả năng phân tích và thực nghiệm chuyên sâu trong phân tích, thiết kế, tối ưu, điều khiển và thực thi các hệ thống cơ-điện tích hợp tiên tiến. Không thể giới thiệu toàn bộ các vấn đề cơ điện tử bằng một khóa học đơn lẻ, do vậy, cần phải phát triển chương trình giảng dạy cơ điện tử với giả thiết rằng sinh viên đã có những kiến thức cơ bản về toán học, vật lý, mạch điện tử, thiết bị cơ-điện, cảm biến và điều khiển.

Chương trình giảng dạy kỹ thuật thường tích hợp các môn học giáo dục, khoa học, kỹ thuật đại cương. Sự hợp nhất các môn học thiết kế kỹ thuật và khoa học kỹ thuật đa ngành cho thấy sự khởi nguồn là chính từ chương trình giảng dạy truyền thống. Thông thường, thậm chí các sinh viên kỹ thuật điện cũng có hiểu biết hạn chế về điện từ cao cấp, máy điện, điện tử công suất, IC, bộ vi điều khiển và DSP do các môn học này là môn tự chọn. Các sinh viên kỹ thuật cơ khí hiểu biết hơn các sinh viện kỹ thuật điện về cơ học và nhiệt động học nhưng lại có hạn chế về điện từ, máy điện, điện tử công suất, vi điện tử và DSP. Ngoài ra, những sinh viên kỹ thuật cơ khí và điện cũng ít hiểu biết về khoa học máy tính và toán kỹ thuật do các môn học này thường chỉ bắt buộc đối với những sinh viên kỹ thuật máy tính. Sự cần thiết của toán kỹ thuật, điện từ, điện tử công suất và các thiết bị chuyển động cơ-điện (máy điện, cơ cấu chấp hành và cảm biến) không hề giảm, thậm chí còn tăng lên. Mặt khác, các phần cứng cao cấp mới đã được phát triển bằng cách dùng các công nghệ chế tạo có thể để chế tạo các cảm biến, cơ cấu chấp hành, IC và ăngten cỡ micro và nano. Vấn đề phần mềm có hiệu quả đã nổi lên. Để vượt qua khó khăn không lường trước, những khoá học Cơ điện tử bao trùm các lĩnh vực đa ngành cần được giới thiệu cho chương trình giảng dạy kỹ thuật. Cơ điện tử đã được khảo sát và hỗ trợ bởi chương trình đại học và sau đại học, các trường đại học theo định hướng nghiên cứu và đào tạo, công nghiệp công nghệ cao, phòng thí nghiệm của nhà nước. Tuy nhiên, cần phát triển chiến lược dài hạn trong nghiên cứu và đào tạo cơ điện tử, xác định vai trò cũng như thực thi, thương mại hoá và thị trường hóa các chương trình cơ-điện và cơ điện tử.

6.3 Cơ điện tử và Kỹ thuật hiện đại

Nhiều vấn đề kỹ thuật có thể được thiết lập, bắt đầu và giải quyết bằng cách dùng mô hình Cơ điện tử. Cơ điện tử giải quyết các vấn đề cơ bản và mới trong kỹ thuật máy tính-cơ-điện tích hợp, khoa học và công nghệ. Nhiều vấn đề đã không được bắt đầu và giải quyết, và đôi khi các giải pháp đã có không thể coi như một giải pháp tối ưu. Điều này phản ánh một cách rõ ràng các xu hướng trong nghiên cứu cơ bản, ứng dụng và thực nghiệm cũng như những thay đổi chương trình giảng dạy tương ứng với các vấn đề chưa được giải quyết lâu dài, các hoạt động kinh doanh kỹ thuật và công nghệ, và những yêu cầu có tính cách mạng.

Cơ điện tử là sự thiết kế tích hợp, phân tích, tối ưu hóa và tạo mẫu ảo của các hệ thống cơ-điện hiệu suất cao và thông minh, tính thông minh hệ thống, khả  năng học, sự thích ứng, ra quyết định, và điều khiển thông qua việc sử dụng phần cứng cao cấp (cơ cấu chấp hành, cảm biến, bộ vi xử lý, DSP, điện tử công suất và IC) và phần mềm tiên tiến.

Các đặc trưng đa ngành tích hợp tiếp cận với nhau một cách nhanh chóng, như thấy trên hình 6.2. Mô hình Cơ điện tử, là sự tích hợp kỹ thuật điện- cơ-máy tính, đã được xác định.

Tính phức tạp về cấu trúc của các hệ thống Cơ điện tử đã tăng lên nhiều do sự tiến bộ của phần cứng và phần mềm, cũng như các yêu cầu hoạt động có thể thực hiện nghiêm ngặt. Mô hình Cơ điện tử được đưa ra để thỏa mãn các yêu cầu về nâng cao độ phức tạp của hệ thống cơ-điện, đặc tính hoạt động và độ thông minh. Ngoài sự lựa chọn thích hợp các thành phần và hệ thống con của hệ thống cơ-điện, còn có các vấn đề khác cần được xác định theo quan điểm tiến hóa tự nhiên không đổi của lý thuyết hệ thống cơ-điện (tức là, phân tích, thiết kế, mô hình, tối ưu hoá, tính phức tạp, độ thông minh, ra quyết định, chẩn đoán, đóng gói). Các hệ thống cơ-điện hoạt động tối ưu có sức cạnh tranh cần phải được thiết kế với các khái niệm phần cứng và phần mềm cao cấp.

Cơ điện tử tích hợp kỹ thuật cơ khí, điện và máy tính
H 6.2 Cơ điện tử tích hợp kỹ thuật cơ khí, điện và máy tính

6.4 Thiết kế hệ thống cơ điện tử

Một trong những vấn đề khó khăn nhất trong thiết kế hệ thống Cơ điện tử là sự tổng hợp kiến trúc hệ thống, tích hợp hệ thống, tối ưu hóa cũng như sự lựa chọn phần cứng (cơ cấu chấp hành, cảm biến, điện tử công suất, IC, bộ vi điều khiển và DSP) và phần mềm (môi trường, công cụ, giải thuật tính toán để thực thi điều khiển, cảm biến, thực hiện, bắt chước, luồng thông tin, thu thập dữ liệu, mô phỏng, thực tại ảo, tạo mẫu ảo và đánh giá). Các nỗ lực nhằm thiết kế các hệ thống Cơ điện tử hiệu suất cao tiên tiến và nhằm đảm bảo sự thiết kế tích hợp có thể được theo đuổi thông qua việc phân tích các mẫu và mô hình phức tạp của hệ thống sinh học phát triển tiến hoá. Xu hướng hiện nay trong kỹ thuật là tập trung vào phân tích tích hợp, thiết kế và điều khiển các hệ thống cơ-điện tiên tiến. Phạm vi của hệ thống Cơ điện tử tiếp tục được mở rộng, và ngoài cơ cấu chấp hành, cảm biến, điện tử công suất, IC, ăngten, bộ vi xử lý cũng như thiết bị vào/ra, nhiều hệ thống con khác cũng cần được tích hợp. Quá trình thiết kế là sự tiến hoá tự nhiên. Nó bắt đầu với một tập các yêu cầu và đặc tính kỹ thuật cho trước. Thiết kế chức năng cấp cao được thực hiện trước nhằm tạo ra thiết kế cụ thể ở mức hệ thống con và thành phần. Bằng cách dùng các hệ thống con và thành phần cao cấp, có thể thực hiện thiết kế ban đầu, kiểm tra khả năng hoạt động của hệ thống cơ-điện vòng kín theo các yêu cầu đặt ra. Nếu các yêu cầu và đặc tính kỹ thuật không thỏa mãn, nhà thiết kế phải sửa lại hoặc cải tiến kiến trúc hệ thống và tìm ra các giải pháp khác. Ở mỗi mức phân cấp thiết kế, khả năng hoạt động của hệ thống trong miền hoạt động được dùng để đánh giá và cải tiến quá trình thiết kế và giải pháp được đưa ra. Mỗi phân cấp thiết kế tương ứng với một mức trừu tượng cụ thể và có một tập hành vi riêng và các công cụ thiết kế hỗ trợ cho việc thiết kế ở mức này. Ví dụ, người ta dùng các tiêu chuẩn khác nhau để thiết kế cơ cấu chấp hành và IC phụ thuộc vào hành vi, tính chất vật lý, nguyên lý hoạt động và tiêu chuẩn hoạt động khác nhau được áp đặt cho các thành phần này. Cần nhấn mạnh rằng phải xác định mức phân cấp, tức là, không cần nghiên cứu hành vi của hàng triệu transitor trên mỗi chip IC do các hệ thống Cơ điện tử tích hợp hàng trăm IC, và thường đánh giá hành vi cuối cùng của IC (IC được giả thiết là tối ưu, và các IC này được sử dụng như các thành phần có sẵn). Luồng thiết kế này được minh họa trên hình 6.3.

HÌNH 6.3 Dòng thiết kế trong tổng hợp hệ thống Cơ điện tử
HÌNH 6.3 Dòng thiết kế trong tổng hợp hệ thống Cơ điện tử

Tổng hợp tự động có thể được sử dụng để thực hiện luồng thiết kế này. Thiết kế hệ thống Cơ điện tử là một quá trình bắt đầu từ việc định rõ các yêu cầu và từng bước đi đến thực hiện một thiết kế và tối ưu hóa chức năng được cải tiến dần dần thông qua một loạt các bước. Các đặc tính kỹ thuật thông thường bao gồm các yêu cầu hoạt động thu được từ chức năng hệ thống, gói hoạt động, khả năng cung cấp và những yêu cầu khác. Cả hai cách tiếp cận từ trên xuống dưới (top-down)từ dưới lên trên (bottom-up) nên được phối hợp để thiết kế các hệ thống Cơ điện tử hiệu suất cao để làm tăng độ phân cấp, tích hợp, tính cân đối, tính môđun, khả năng thực hiện đúng và sự hoàn thiện trong quá trình tổng hợp. Cho dù các nền tảng cơ bản đã được phát triển, thì một số lĩnh vực cấp bách vẫn bị đánh giá thấp, ít được quan tâm và nghiên cứu. Sự tổng hợp các hệ thống Cơ điện tử như trên bảo đảm sự liên ứng thực sự giữa các miền cấu trúc và hành vi, cũng như đảm bảo các đặc tính mô tả và tích hợp trong thiết kế. Chúng đã được hoàn thành bằng cách áp dụng mô hình Cơ điện tử cho phép mở rộng và làm tăng thêm các kết quả của cơ học cổ điển, điện từ, máy điện, điện tử công suất, vi điện tử, thông tin và lý thuyết điều khiển, cũng như ứng dụng phần cứng và phần mềm tích hợp cao cấp.

Để thu được và mở rộng hạt nhân kỹ thuật, cần tăng cường các lĩnh vực đa ngành cũng như liên kết và thực hiện việc tích hợp theo xu hướng đa ngành các cơ cấu chấp hành-cảm biến-điện tử công suất-IC-DSP nhằm đạt được sự chấp hành, cảm nhận, điều khiển, ra quyết định, sự thông minh, xử lý tín hiệu và thu thập dữ liệu. Sự phát triển mới là cần thiết. Lý thuyết và thực hành kỹ thuật của các hệ thống cơ-điện hiệu suất cao có thể được xem là nền tảng thống nhất của chương trình giảng dạy kỹ thuật Cơ điện tử. Sự phân tích thống nhất của cơ cấu chấp hành và cảm biến (tức là các thiết bị chuyển động cơ-điện), điện tử công suất và IC, bộ vi xử lý và DSP, cùng phần cứng và phần mềm cao cấp, được giới thiệu một cách nghèo nàn trong chương trình giảng dạy kỹ thuật. Cơ điện tử, như một khái niệm đột phá trong thiết kế và phân tích các hệ thống cơ-điện truyền thống, mini, micro và nano, đã được giới thiệu để bắt đầu, tích hợp và giải quyết một loại các vấn đề mới phát sinh.

6.5 Thành phần hệ thống Cơ điện tử

Cơ điện tử tích hợp thiết kế, mô hình, mô phỏng, phân tích, phát triển và đồng thiết kế phần cứng-phần mềm, sự thông minh, ra quyết định, điều khiển nâng cao (bao gồm điều khiển thích nghi, bền vững và chuyển động thông minh), xử lý tín hiệu/hình ảnh, và tạo mẫu ảo của hệ thống cơ-điện. Mô hình Cơ điện tử sử dụng các cơ sở kỹ thuật điện, cơ, và máy tính với đối tượng cơ bản nhằm đảm bảo sự kết hợp hiệp trợ của kỹ thuật chính xác, điều khiển điện tử và sự thông minh trong thiết kế, phân tích và tối ưu các hệ thống cơ-điện. Các hệ thống cơ-điện (robot, truyền động điện, cơ cấu servo, hệ thống điểm, bộ lắp rắp) là những hệ thống phi tuyến mạnh và sự chấp hành, cảm nhận và điều khiển chính xác của chúng là những vấn đề rất phức tạp. Cơ cấu chấp hành và cảm biến cần được thiết kế và tích hợp với các hệ thống điện tử công suất con tương ứng. Các nguyên lý của sự phù hợp và tuân theo là các nguyên lý thiết kế chung yêu cầu các kiến trúc hệ thống cơ-điện phải được tổng hợp bằng cách tích hợp tất cả hệ thống con và các thành phần. Điều kiện phù hợp phải được xác định và đảm bảo, và phải thỏa mãn sự tuân theo của cơ cấu chấp hành-cảm biến-điện tử công suất. Cần phải điều khiển hệ thống cơ-điện, và nên thiết kế các bộ điều khiển. Cần phải thiết kế, kiểm tra, xác minh và thực thi các luật điều khiển bền vững, thích nghi và thông minh. Sự nghiên cứu điều khiển của hệ thống cơ-điện nhằm mục đích tìm các phương pháp để tạo ra bộ điều khiển chuyển động và thông minh, tổng hợp kiến trúc hệ thống, nhận các ánh xạ phản hồi và thu các hệ số khuếch đại. Để thực thi các bộ điều khiển này, cần phải dùng các vi xử lý và DSP với IC (thiết bị vào-ra, bộ biến đổi A/D và D/A, cặp quang ngẫu, bộ truyền động transistor). Những vấn đề khác là nhằm thiết kế, tối ưu và kiểm tra phần mềm phân tích, điều khiển, thực thi, mô phỏng và đánh giá.

Chúng ta đã nhấn mạnh rằng thiết kế hệ thống cơ điện tử hiệu suất cao đưa đến sự phát triển hệ thống con và các thành phần. Một trong những thành phần chính của hệ thống cơ điện tử là các máy điện được dùng như là cơ cấu chấp hành và cảm biến. Các vấn đề sau đây thường được nhấn mạnh: đặc tính của máy điện, cơ cấu chấp hành, và cảm biến tùy theo các ứng dụng của chúng và các yêu cầu của toàn bộ hệ thống bằng các phần mềm thiết kế có sự trợ giúp của máy tính; thiết kế các máy điện, cơ cấu chấp hành, và cảm biến hiệu suất cao cho các ứng dụng riêng; tích hợp động cơ điện và cơ cấu chấp hành với cảm biến, điện tử công suất và IC; điều khiển và chuẩn đoán máy điện, cơ cấu chấp hành và cảm biến bằng cách dùng các bộ vi xử lý và DSP.

6.6 Tổng hợp hệ thống, Phần mềm Cơ điện tử, và Mô phỏng

Mô hình, mô phỏng và tổng hợp là hoạt động bổ sung được thực hiện trong thiết kế hệ thống cơ điện tử. Mô phỏng bắt đầu với sự phát triển mô hình, trong khi tổng hợp bắt đầu với đặc tính kỹ thuật được gắn với hành vi và phân tích khả năng hoạt đông hệ thống thông qua phân tích sử dụng mô hình, mô phỏng và kết quả thực nghiệm. Nhà thiết kế bắt chước, nghiên cứu, phân tích và đánh giá hành vi của hệ thống cơ điện tử bằng cách dùng trạng thái, khả năng hoạt động, điều khiển, sự kiện, nhiễu và các biến khác. Quá trình tổng hợp đã được mô tả trong phần 6.4. Mô hình, mô phỏng, phân tích, tạo mẫu ảo và thực tại ảo là những khía cạnh then chốt và đặc biệt quan trọng cho việc phát triển và tạo mẫu của hệ thống cơ điện tử cao cấp. Với tư cách là một môi trường mô hình và thiết kế hiệu suất cao linh hoạt, MATLAB đã trở thành một công cụ chuẩn, hiệu quả kinh tế. Sự cạnh tranh đã thúc đẩy việc giảm giá thành và chu kỳ sản xuất. Môi trường MATLABR được sử dụng để tăng tốc độ phân tích và thiết kế với phân tích đánh giá, tạo điều kiện thuận lợi nâng cao hiệu quả và tính sáng tạo, tích hợp điều khiển và xử lý tín hiệu bằng cách dùng bộ vi xử lý và DSP, tăng các đặc trưng mẫu thử, tạo mã C thời gian thực và hình dung kết quả, thực hiện thu thập dữ liệu và phân tích tập trung dữ liệu. MATLAB cung cấp các công cụ ứng dụng sau đây: SIMULINKR, Real-Time Workshop™, Hệ thống điều khiển (Control System), Thiết kế điều khiển phi tuyến (Nonlinear Control Design), Tối ưu hoá (Optimization), Điều khiển bền vững (Robust Control), Xử lý tín hiệu (Signal Processing ), Toán học ký hiệu (Symbolic Math), Nhận dạng hệ thống (System Identification), Phương trình đạo hàm riêng (Partial Differential Equations), Mạng Nơ ron (Neural Networks), cũng như những công cụ ứng dụng riêng khác. (Xem demo MATLAB, bằng cách đánh demo trong cửa sổ lệnh). Các khả năng của MATLAB có thể được minh họa bằng cách bắt đầu từ những ví dụ thực hành quan trọng để tăng hiệu quả và sự sáng tạo của sinh viên qua cách trình bày việc sử dụng phần mềm cao cấp trong ứng dụng hệ thống cơ-điện. Môi trường MATLAB đưa ra một tập lớn các khả năng để giải quyết hiệu quả một loạt các vấn đề phân tích, mô hình, mô phỏng, điều khiển, và tối ưu phức tạp bắt gặp trong các môn học cơ điện tử của đại học và sau đại học.Có thể mô hình, mô phỏng, phân tích và tối ưu rất nhiều hệ thống cơ điện tử. Các ví dụ hệ thống cơ-điện, được tích hợp trong các môn học cơ điện tử, sẽ cung cấp cho các sinh viên khả năng thực hành và sự hiểu biết sâu rộng

6.7 Chương trình giảng dạy Cơ điện tử

Mục tiêu cơ bản của chương trình giảng dạy cơ điện tử là nhằm giáo dục thế hệ sinh viên và kỹ sư mới cũng như trợ giúp công nghiệp và chính phủ trong việc phát triển hệ thống cơ-điện hiệu suất cao bằng cách tăng chương trình giảng dạy kỹ thuật truyền thống với nòng cốt cơ điện tử mở rộng. Sự nhấn mạnh nên được tập trung vào việc thúc đẩy toàn bộ nhiệm vụ của chương trình giảng dạy kỹ thuật, bởi vì thông qua Cơ điện tử có thể xác định, cải tiến và mở rộng hơn nữa các mục tiêu vào ba lĩnh vực cơ bản: nghiên cứu, giáo dục và dịch vụ. Dùng mô hình cơ điện tử, các nhà khoa học sẽ thực hiện nghiên cứu cơ sở và ứng dụng cấp cao bằng cách: – tích hợp điện từ, cơ điện, điện tử công suất, IC và điều khiển; – đưa ra các công cụ và khả năng mô phỏng và giải tích thiết kế, phân tích và tối ưu hóa tiên tiến thông qua việc phát triển phần mềm thiết kế có sự trợ giúp của máy tính cụ thể; – phát triển phần cứng chấp hành-cảm nhận-điều khiển; – đưa ra các mô hình, khái niệm và công nghệ tiên tiến;– hỗ trợ nghiên cứu, thực tập và chương trình giáo dục hợp tác đa ngành cho đại học và sau đại học; – hỗ trợ, duy trì và trợ giúp cán bộ giảng dạy trong các lĩnh vực mới .

Thiết kế chương trình giảng dạy cơ điện tử bao gồm việc phát triển mục đích và đối tượng, chương trình học và hướng dẫn chương trình giảng dạy, các môn học, phòng thí nghiệm, giáo trình, tài liệu hướng dẫn, sách chỉ dẫn, thực nghiệm, thứ tự dạy, kỹ thuật phân phối tài liệu, cách tiếp cận hình dung và thuyết minh, và các tài liệu tham khảo khác để thực hiện một dải rộng các mục đích nghiên cứu và giáo dục. Số lượng các sinh viên có kỹ năng lập trình tốt và nền tảng lý thuyết bù đắp được những điểm yếu khác để giải những vấn đề kỹ thuật đơn giản cũng đã tăng lên. Mục tiêu cơ bản của các khoá học cơ điện tử là nhằm trình bày sự áp dụng của các kết quả lý thuyết, ứng dụng, và thực nghiệm trong phân tích, thiết kế, và phát triển các hệ thống cơ điện phức tạp (bao gồm MEMS và NEMS), bao trùm phần cứng và phần mềm nổi bật, giới thiệu và phân phối lý thuyết cơ điện khắt khe, giúp đỡ sinh viên phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề, cũng như cung cấp sự thực hành kỹ thuật cần thiết. Các khoá học cơ điện tử được đưa ra để phát triển sự hiểu biết thông suốt các hướng tích hợp trong phân tích, mô hình, mô phỏng, tối ưu hoá, thiết kế và thực thi các hệ thống cơ điện phức tạp. Bằng thực hành, các ví dụ được đưa ra, sinh viên sẽ được chuẩn bị và đào tạo để sử dụng kết quả trong thực hành, nghiên cứu và phát triển kỹ thuật. Phần cứng và phần mềm cao cấp của trọng điểm kỹ thuật (thiết bị chuyển động cơ điện, cơ cấu chấp hành, cảm biến, thiết bị bán dẫn, điện tử công suất, IC, bộ vi xử lý và DSP) cần được bao trùm hoàn toàn, cụ thể từ hướng tích hợp đa ngành.

Tại khoa kỹ thuật điện và máy tính, đại học Purdue Indianapolis các môn học đại học sau đây được yêu cầu trong chương trình học Kỹ thuật điện:Phân tích mạch tuyến tính I và II, Tín hiệu và hệ thống, Thiết bị bán dẫn, Điện trường và từ trường, Hệ thống vi xử lý và Giao diện, Phân tích và thiết kế hệ thống phản hồi. Các môn học đại học lựa chọn sau đây hỗ trợ cho lĩnh vực cơ điện tử: Thiết bị chuyền động cơ-điện, Kiến trúc máy tính, Xử lý tín hiệu số, Hệ thống đa phương tiện. Ngoài các môn học nòng cốt cho Kỹ thuật
điện và máy tính, cần thiết phải dạy các môn học về cơ điện tử.

Chương trình giảng dạy cơ điện tử nên nhấn mạnh và gia tăng các chủ đề kỹ thuật truyền thống, các công nghệ và sự phát triển khả thi mới nhất nhằm tích hợp và khuyến khích những tiến bộ mới trong phân tích và thiết kế hệ thống cơ điện tử tiên tiến. Ví dụ, các môn học sau đây nên được phát triển và đưa ra: Hệ thống cơ điện tử, Cấu trúc thông minh, Vi Cơ điện tử (Hệ thống vi cơ-điện), Nano Cơ điện tử (Hệ thống Nano cơ-điện).

Mục đích chính là nhằm đảm bảo sự hiểu sâu nền móng kỹ thuật, tích hợp kỹ thuật-khoa học-công nghệ, và phát triển bức tranh hiện đại của kỹ thuật cơ-điện bằng cách sử dụng cơ sở nền tảng của cơ điện tử. Các nhà khoa học, công nghiệp và chính phủ đã nhận ra rằng rằng lĩnh vực cấp thiết nhất của Cơ điện tử hiện đại là MEMS và NEMS. Vì vậy, sự phát triển hiện nay nên tập chung vào nghiên cứu cơ bản, ứng dụng, và thực nghiệm trong các lĩnh vực nổi bật này.

6.8 Khoá học cơ điện tử có tính chất giới thiệu

Tại đại học Purdue – Indianapolis, trong các Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính và Khoa Kỹ thuật cơ khí, người ta đã phát triển và đưa ra một khoá học Cơ điện tử cho các sinh viên đại học năm cuối và sau đại học ngành Kỹ thuật Điện/Cơ khí. Các chủ đề được cho trong bảng 6.1.

Khoá học này được phát triển nhằm làm cầu nối khoảng trống kỹ thuật-khoa học-công nghệ bằng việc liên kết những sự phát triển đa ngành mới, tập trung vào phần cứng tiên tiến, và trọng tâm là phần mềm hiệu suất cao. Khóa học đã giúp các sinh viên thiết lập các kỹ năng cơ bản cho khả năng làm việc với công nghệ cao với thời gian ngắn hơn. Mục tiêu của khoá này gồm hai phần: nhằm mang tới những phát triển gần đây của cơ-điện hiện đại và tích hợp một phương pháp giảng dạy dựa trên tương tác phòng thu. Trong thập niên gần đây, đã có sự chuyển dịch trong giáo dục kỹ thuật từ việc lấy môi trường giảng dạy của người hướng dẫn làm trọng tâm sang môi trường học tập của sinh viên là trọng tâm. Chúng ta đã phát triển một phòng thu cơ điện tử kết hợp các bài giảng, bài tập mô phỏng và thực nghiệm trong một lớp học duy nhất nhằm thực hiện các phương pháp giảng dạy và truyền đạt mới thông qua một môi trường tích cực, các chiến lược dựa trên hoạt động, đa phương tiện tương tác, học tập dựa trên máy tính mạng, phân phối đa đồng bộ các tài liệu hỗ trợ và trình bày hiệu quả. Các bài tập lớn dựa trên mô phỏng có thể được dùng để minh họa các vấn đề không thể nghiên cứu và đánh giá dễ dàng bằng các giải pháp phân tích trên giấy cổ điển. Mặc dù các bài tập lớn dựa trên mô phỏng cung cấp sự hiểu biết về các vấn đề thực hành, nhưng chúng cũng không thể thay thế được các thực nghiệm. Cơ điện tử được giới thiệu thông qua sự tổng hợp của thiết kế hệ thống toàn diện, mô hình có độ chính xác cao, mô phỏng, thể hiện phần cứng và nghiên cứu chuyên ngành.

BẢNG 6. 1 Nội dung khoá học Cơ điện tử

STT Chủ đề Lớp
1 Giới thiệu các hệ cơ-điện và cơ điện tử 1
2 Hệ thống điện từ và cơ học trong hệ cơ điện tử: Cơ học Newton, phương trình chuyển động Lagrange, và định luật Kirchhoff 2
3 Bảo toàn năng lượng và tương tự cơ-điện 2
4 Động lực học của hệ cơ điện tử 2
5 Môi trường MATLAB trong phân tích phi tuyến và mô hình hóa hệ cơ điện tử 2
6 Động cơ servo đồng bộ và động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu 4
7 Bộ chuyển đổi và cấu trúc thông minh: cơ cấu chấp hành và cảm biến 2
8 Điện tử công suất, mạch truyền động, bộ biến đổi và khuyếch đại năng lượng 4
9 Điều khiển chuyển động của hệ cơ-điện và cấu trúc thông minh 3
10 Bộ vi xử lý và DSP trong điều khiển và thu thập dữ liệu hệ cơ điện tử 2
11 Hệ thống Cơ điện tử: nghiên cứu chuyên ngành, mô hình, phân tích, điều khiển và thực nghiệm 3
12 Đề tài cấp cao 1

Các đánh giá được thực hiện chứng minh rằng khoá học này đảm bảo sự bao trùm cân bằng và toàn diện, thoả mãn các đối tượng chương trình, và hoàn thành các mục tiêu. Trong khi sinh viên chỉ biết rõ một số chủ đề kỹ thuật và khoa học cao cấp (tính toán và vật lý), rõ ràng rằng họ không có nền tảng đầy đủ về động lực học phi tuyến và điều khiển, máy điện, điện tử công suất, thiết bị bán dẫn, IC, vi xử lý và DSP. Bởi vậy, cần đưa ra tài liệu chi tiết đầy đủ và bao phủ toàn bộ lý thuyết cơ bản cần thiết để hiểu, đánh giá và áp dụng cơ điện tử một cách hoàn toàn. Trong khoá học này, người ta đưa ra và giải thích các phương pháp phân tích, mô hình, mô phỏng và tổng hợp có hiệu quả và trung thực nhất với các đối tượng cơ bản để định rõ và giải quyết các vấn đề phân tích, thiết kế, điều khiển, tối ưu và tạo mẫu ảo. Một dải rộng các ví dụ được trình bày và các minh họa định tính được nghiên cứu sâu làm cầu nối qua khoảng trống giữa các vấn đế lý thuyết, thực hành và thực tế kỹ thuật. Từng bước, khoá học Cơ điện tử sẽ hướng dẫn sinh viên từ cơ sở lý thuyết chặt chẽ tới ứng dụng cao cấp và sự thực thi đầy đủ. Ngoài việc đạt được cân bằng tốt giữa lý thuyết và ứng dụng, phần cứng và phần mềm tiên tiến được nhấn mạnh và trình bày. Trong khoá học này, các hệ thống cơ điện tử được bao phủ xuyên suốt và sinh viên có thể áp dụng dễ dàng các kết quả để bắt tay vào các vấn đề kỹ thuật thực tế

6.9 Sách về Cơ-Điện tử

Yêu cầu sách giáo dục về Cơ điện tử vượt xa những gì các nhà khoa học và công nghiêp đã lường trước đây. Những cuốn sách tốt về máy điện [1—8], điện tử công suất [9 –11], vi điện tử và IC [12] và cảm biến [13,14] đã được xuất bản. Những ví dụ giáo dục trong phân tích và thiết kế hệ thống cơ-điện tuyến tính được giới thiệu trong những cuốn sách điều khiển [15-21]. Lý thuyết hệ thống điều khiển với những ứng dụng kỹ thuật [18], được thấy trên hình 6.4, có một số lượng ví dụ minh họa về mô hình, mô phỏng, và điều khiển hệ thống cơ-điện phi tuyến phức tạp. Cụ thể, nó bao hàm hoàn toàn sự phân tích và điều khiển bộ chuyển đổi phi tuyến, động cơ đồng bộ, động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu, động cơ cảm ứng lồng sóc, cơ cấu servo và bộ biến đổi năng lượng.

Việc nghiên cứu toàn diện hệ cơ-điện phi tuyến dùng mô hình Cơ điện là rất cần thiết. Những quyển sách tốt về thiết bị chuyển động cơ-điện truyền thống [3,4,22], và giáo trình về cơ điện tử cho sinh viên chế tạo máy [23,27] đã được sử dụng tương ứng trong các lĩnh vực kỹ thuật điện và chế tạo máy. Tuy nhiên, rất cần thiết phải có các cuốn sách hiện đại về Cơ điện tử bao hàm toàn bộ các hướng cho các lĩnh vực kỹ thuật. Cuốn sách Hệ thống cơ-điện, Máy điện, và Cơ điện tử ứng dụng [28] là sự tổng hợp các ưu điểm của chương trình giảng dạy kỹ thuật hiện đại, xem hình 6.5. Cuốn sách giới thiệu một cách đầy đủ về lý thuyết cơ bản cơ-điện, các công nghệ khả thi mới, các nguyên lý kỹ thuật cơ bản, tích hợp hệ thống, mô hình, phân tích, mô phỏng, điều khiển cũng như một loạt những vấn đề kỹ thuật nổi bật. Những ai quan tâm đến NEMS và MEMS có thể tham khảo cuốn sách Hệ Vi Cơ điện tử và Nano Cơ điện tử: Cơ sở của Kỹ thuật Nano và Micro [29]. Cuốn sách này giới thiệu rất nhiều giải thích và ví dụ về các hệ cơ
điện.

6.10 Phát triển chương trình giảng dạy cơ điện tử

Chương trình giảng dạy cơ điện tử hiện nay vẫn chưa hoàn chỉnh. Các nhà khoa học có thể điều chỉnh và mở rộng chiến lược sau đây để tích hợp các khoá học cơ điện tử trong chương trình giảng dạy đại học và sau đại học: – thương mại hoá và đưa ra thị trường chương trình cơ điện tử; – mở rộng phạm vi cơ điện tử tới những hệ cơ điện tử truyền thống và mini cũng như MEMS và NEMS đang là các lĩnh vực nổi bật trong kỹ thuật;– xem xét lại chương trình giảng dạy kỹ thuật. Cụ thể, nên đề nghị các môn học Điện từ, Thiết bị chuyển động cơ-điện, Điện tử công suất, Điều khiển, Vi điện tử và DSP như là các môn học chính bắt buộc, và là điều kiện tiên quyết cho các khoá học cơ điện tử nâng cao; – nhấn mạnh cơ điện tử như một trung tâm của chương trình giảng dạy kỹ thuật cơ-điện bậc đại học và sau đại học hơn là ở ngoại vi; – đưa các hệ cơ-điện và các nghiên cứu chuyên ngành không quá phức tạp vào trong khoá học cơ điện tử bậc đại học và xây dựng lại các chủ đề chuyên sâu cho các chương trình sau đại học; – phát triển một chương trình giảng dạy cơ điện tử cân bằng tốt, tiến bộ, yêu cầu trí tuệ kèm theo các phòng thí nghiệm; – tích hợp đầy đủ các công cụ thiết kế có sự trợ giúp của máy tính và phần mềm mô phỏng hiệu suất cao tiên tiến; – mở rộng cơ-điện tử cho các đồ án thiết kế của sinh viên đại học năm cuối; – viết và xuất bản sách, giáo trình, và sổ tay toàn diện về cơ điện tử; – phổ biến rộng rãi các kết quả và đúng lúc.Sự kết hợp có thể quản lý giữa các môn học và lĩnh vực kỹ thuật có thể đạt được với chương trình cơ điện tử. Có thể áp dụng các môn học cơ bản dưới đây: – Thiết bị chuyển động cơ-điện, – Điện tử công suất và vi điện tử, – Vi xử lý và giao diện, – Xử lý tín hiệu số, – Hệ cơ-điện, – Giới thiệu về cơ điện tử, – Lý thuyết hệ thống điều khiển và điều khiển hệ cơ điện tử, – Hệ thống cơ điện tử và cấu trúc thông minh, – Hệ thống vi cơ điện tử, – Hệ thống nano cơ điện tử, Do sự khác nhau của các chương trình học kỹ thuật điện,máy tính, cơ học, và hàng không vũ trụ, cũng như số lượng hạn chế các môn học kỹ thuật lựa chọn của mỗi ngành học, nên các môn học cơ điện tử có thể khác nhau. Ví dụ, đối với sinh viên kỹ thuật điện, chương trình học có thể được thiết kế bằng cách dùng kỹ thuật điện cơ bản và kỹ thuật cơ khí ứng dụng; đối với sinh viên kỹ thuật cơ khí, có thể nhấn mạnh kỹ thuật cơ khí cơ bản và kỹ thuật điện ứng dụng. Sinh viên sẽ có cơ sở trong một lĩnh vực chính trong khi vẫn nhận được kiến thức ứng dụng về lĩnh vực khác.

6.11 Kết luận: Triển vọng cơ điện tử

Sự tiến bộ cơ sở và công nghệ có ảnh hưởng sâu rộng trong thiết bị chuyển động cơ-điện (cơ cấu chấp hành và cảm biến), điện tử công suất, thiết bị bán dẫn, IC, MEMS và NEMS, vật liệu và đóng gói, máy tính và thông tin, bộ vi xử lý và DSP, xử lý tín hiệu số và quang, cũng như các công cụ thiết kế có sự trợ giúp của máy tính và phần mềm mô phỏng, đã mang lại những thách thức mới cho khoa học, công nghiệp và chính phủ. Vì thế, nhiều trường kỹ thuật đã thay đổi chương trình giảng dạy của họ nhằm đưa ra những khoá học liên ngành thích hợp như Hệ cơ-điện và Cơ điện tử. Cơ sở của Cơ điện tử là lý thuyết cơ bản và thực hành kỹ thuật. Những nỗ lực giới thiệu Cơ điện tử chỉ thành công một phần do thiếu một chiến lược dài hạn. Vì vậy, cần tìm những nỗ lực hợp tác. Hầu hết các chương trình giảng dạy kỹ thuật cung cấp một khoá học lựa chọn đơn lẻ để giới thiệu cơ điện tử cho các sinh viên kỹ thuật điện, máy tính, cơ học và hàng không vũ trụ. Do thiếu thời gian, không thể bao hàm hoàn toàn tài liệu và nhấn mạnh kỹ lưỡng bản chất đa ngành của cơ điện tử trong một khoá học giới thiệu. Vì vậy, khoá học bậc đại học không thể đáp ứng hết yêu cầu và mục tiêu chuyên nghiệp của sinh viên, và không thoả mãn các yêu cầu phát triển của khoa học, công nghiệp, và chính phủ. Nên tích hợp các môn học cơ điện tử chính trong chương trình giảng dạy kỹ thuật, và nên phát triển các khóa học định hướng phòng thí nghiệm và dự án để dạy và trình bày các phần cứng và phần mềm tiên tiến với các ứng dụng vào hệ cơ-điện phức tạp. Sự thích hợp của những lý thuyết cơ bản, kết quả ứng dụng và thực nghiệm là rất quan trọng và phải nhấn mạnh. Sức mạnh và tính đa dụng lớn của Cơ điện tử, không đề cập tầm quan trọng chủ yếu của các kết quả mà nó tiếp cận trong tất cả các lĩnh vực kỹ thuật, làm cho nó trở nên quan trọng với tất cả kỹ sư được làm quen với lý thuyết cơ bản và thực hành kỹ thuật. Đó không phải là ứng dụng cuối cùng của cơ điện tử và còn có nhiều đóng góp hơn cho khái niệm liên ngành này. Chúng ta vừa đi qua bề nổi của các ứng dụng Cơ điện tử vào hệ cơ-điện tiên tiến. Những hướng mới sẽ được nghiên cứu và áp dụng trong một tương lai gần bởi vì Cơ điện tử là một mặt trận kỹ thuật – khoa học – công nghệ. Ví dụ, có thể phát minh, nghiên cứu, phân tích và xác minh các hiện tượng mới và nguyên lý hoạt động trong NEMS và MEMS bằng cách dùng Vi cơ điện tử và Nano cơ điện tử.

Hướng thiết kế mới cho hệ thống Mini, Micro, Nano
5 2 votes