Bài giảng môn Điện - Điện tử - Thiết kế hệ thống cơ điện tử

1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬĐịnh nghĩa : Cơ điện tử là lĩnh vực kỹ thuât liên ngành thực hiện việc thiết kế sản phẩm dựa trên sự sát nhập các phần tử cơ khí và điện tử đươc phối hơp bởi một cấu trúc điều khiển.Definition of mechatronics : “Interdisciplinary field of engineering dealing with the design of products whose function relies on the integration of mechanical and electronic components coordinated by a control architecture”Ví dụ : Tất cả các TB cơ khí,bao gồm các TB điện tử, một vài loại có máy tính với màn hình hiển thị. Hầu hết các sản phẩm được thiết kế nới là HT Cơ điện tử 1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬHệ thống ĐK và Giám sát Máy bay ,Hệ thống túi khí và phanh ABSHệ thống tích hợp Robot và máy CNC.1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬCác thành phần cơ bản hệ thống cơ điện tử HTTTHTĐIỆNHTTTHTMTHTCĐT không là HT Cơ +Điện tử, nhưng nhiều hơn HT điều khiển1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬHệ thống tích hợp công nghệ cơ khí, điện tử và công nghệ thông tin để tạo thành HT cơ điện tử ,Hệ thống dòng năng lượng cơ khí bằng cảm biến và cơ cấu chấp hành và dòng thông tin để hình thành hệ cơ điện ( Mechnical-electronic system ) Hệ thống cơ khí,cảm biến và cơ cấu chấp hành và vi điện tử được tích hợp gia tăng để hình thành hệ cơ điện tử ( Mechatronic system ) Quan điểm phát triển : 1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Tương tác các BP cơ và BP Điện tử - số có ý nghĩa quan trọng trong việc hoạt động hệ thống .HT-CDT bao gồm các hệ con thuộc các lĩnh vực khác nhau được kết nối với nhau . 1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬH. QT cơ khí và QT công nghệ TT phát triển thành Cơ Điện Tử1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬPhương pháp tích hợp : Có 2 cách tích hợp : Tích hợp bộ phận ( tích hợp phần cứng ) : sản phẩm thiết kế HT-CDT như HT tổng thể gồm cảm biến, cơ cấu chấp hành,vi điện tử nhúng vào quá trình cơ khí .VD:Tích hợp cảm biến và vi máy tính -CB thông minhVD:Tích hợp CCCH và vi máy tính –CCCH thông minh.Tích hợp bằng quá trình thông tin ( Software integration ) Dựa trên chức năng điều khiển nâng cao ( advanced control )THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ H. Cách tích hợp HT – Cơ điện tử 1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬPP tích hợp HTCĐTa)Sơ đồ khối HT cơ + điện tử (mechnical+electronic system )a) Tích hợp phần cứng (Hardware Integration )c) Tích hợp dòng thông tin (Software Integration )1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬThiết kế vạn năng Thiết kế Cơ điện tử Thêm bộ phận Tích hợp bộ phận ( phần cứng) Khối CC phức tạp Nối cáp Nối các bộ phận Compact CC đơn giản Truyền thông Bus, không dâyBộ phận tự động hóa Điều khiển đơn giảnTích hợp dong thông tin (PM) Kết cấu cứng Điều khiển feedfoward Điều khiển tuyến tính ( Analog) Độ chính xác với sai lệch nhỏ do không đo được tham số. Thay đổi tùy ý Hiển thị đơn giản Khả năng hệ thống cố định Cấu trúc mềm với giảm chấn điện tử Điều khiển phản hồi lập trình Điều khiển số (phi tuyến )Độ chính xác cao do đo lường và ĐK hồi tiêpĐiều khiển các đại lượng không đo lườngƯớc lượng tham sốKhả năng dạy được So sánh hệ thống thiết kế cơ điện tử và vạn năng 1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬGiao diện truyền thôngChức năng đa điều khiển Cơ cấu tham chiếu Cơ sở kiến thức Cấu trúc quá trình thông tin cho HTCĐTHệ thống tự động hóa thông minh với Đa điều khiển, Cơ sở kiến thức và cơ cấu tham chiếu và giao diện 1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬCác thành phần hệ thống cơ điện tử H. Các thành phần hệ thống cơ điện tử Hệ thống cơ khíGiao diện và chế độ tín hiệu đầu ra Cấu trúc điều khiển số Hiển thị đồ họa Giao diện và chế độ tín hiệu đầu vào 1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬQui trình thiết kế hệ thống cơ điện tử H. Qui trình thiết kế hệ thống cơ điện tử Nhận dạngTKNL &CNMHH-Ng.lýCB&CCCH TK-Điều khiểnTK- Tối ưu HT-PM nhúngTK-Tối ưuTUH-CK -SPMP-Phần cứng Mô hình hóa & Mô phỏng Tạo mẫu (Protyping) Triển khai/vòng đời SP Thông tin cập nhật trong tương laiTHIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬH. Các loại sơ đồ cho Ô tô a) Sơ đồ bộ phận b)Sơ đồ khối truyền NL c) Sơ đồ khối nhiều cổng với dòng và cường độ d) Sơ đồ khối dòng tín hiệu 1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬVD : HTCĐT : Máy in phun mực lazeCCCH : ĐC Secvo&ĐC bước : quay trống và cuộn giấy Cảm biến : Encoder & Công tắc HT :BV giấy và cữa của máy .TB số : Vi MT điều khiển chức năng máy Mạch giao diện và chế độ : Chuyển TT vị trí giấy từ CĐ Analog sang DigitalHiển thị : màn hình cung cấp thông tin nhìn được 1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬH. Sơ đồ khối BĐK tốc độ ĐCH. Hình ảnh của BĐK tốc độ ĐCBĐK tốc độ ĐC-DC :Sensor : potensionmeter – Biến trở - thay đổi điện áp Vi điều khiển : PIC và Máy tính nhỏ trên chip IC Điều khiển ĐC quay theo tốc độ tương ứng điện áp .1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬH. Sơ đồ khối BĐK tốc độ ĐCH. Hình ảnh của BĐK tốc độ ĐCBĐK tốc độ ĐC-DC :Mạch giao diện 1 : Bộ chuyển đổi A/D và D/A, tín hiệu V – Anlog – VĐK- digitalTruyền thông giữa tín hiệu analog và sốMạch giao diện 2: Mạch khuyêch đại : ĐC cần dòng điều khiển và liên hệ V-ICCCH ( Actuator) ĐC – DC 1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBĐK tốc độ ĐC-DC1.1.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBĐK tốc độ ĐC-DCH. Thiết lập công cụ thời gian thựcH. Sơ đồ mạch điện BĐK-ĐC 1 chiều1.2 MÔ HÌNH HÓA -MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬNghiên cứu hệ thống cơ điện tử và quá trình bằng mô hình.Xây dựng mô hình có 2 cách: Xây dựng mô hình lý thuyết : dùng cho hệ có các qui luật như vật lý, kinh tế, ..và qui luật khác .+ Cơ học : ĐL biến thiên động lượng, ĐL Động năng, NL biến phân+KT điện : ĐL Amper, ĐL cảm ứng, ĐL Ohm, ĐL Kirchhoff,Xây dựng mô hình thực nghiệm : dùng các quan sát bằng phép đo – Bài toán nhận dạng .THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.2 MÔ HÌNH HÓA -MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ H. QH- MH lý thuyết và MH thực nghiệm Nhiệm vụ XD- MH lý thuyết và MH thực nghiệm cần CC toán học mạnh .MH của HT thiết lập bằng PT-QT và PT tín hiệu .MH của HT là cơ sở của điều khiển QT và xác định các đại lượng ĐK đạt mục tiêu mong muốn. .THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬH. Sơ đồ NL điều khiển quá trình dựa trên mô hình 1.2 MÔ HÌNH HÓA -MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ MH-toán là CC để biết” thái đô” HT. HT-CĐT cấu thành từ các khối đặc trưng cơ bản. Khối đặc trưng là PT có chức năng đơn hoặc có thuộc tính riêng . HT cấu tạo từ khối dặc trưng gọi là HT tham số gọp ( Lumped parameter system) 1.3. KHỐI ĐẶC TRƯNG HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬĐầu vào FĐầu ra : x X : chiều dài thay đôỉ Lò xoLò xoĐầu ra : x PT cảnĐầu vào FLưc FChất lỏngX : thay đôỉ vị tríF : Lực tác dụng ( N)v : tốc độ dịch chuyển Pittong (m/s)c : Độ cản nhớt PT độ cứng lò xo : F = k.x (2.1)1. Hệ thống tịnh tiến F : Lực tác dụng ( N)X : Độ dịch chuyển (m)K : Độ cứng (N/m)PT : V = dx/dt PT lực cản : F = c.v (2.2)(2.3)1.3. KHỐI ĐẶC TRƯNG HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬĐầu ra : x Khối lượng Khối lượngLực F 1. Hệ thống tịnh tiến Gia tốcChuyển vị xxĐầu vào FPT chuyển đông ( ĐL II – Newton )PT Năng lượng lò xo : E=1/2kx2 F = kx (2-5)PT động năng : E=1/2mv2 PT tiêu hao năng lương PT cản : P = cv2 (2-6)(2-7)1.3. KHỐI ĐẶC TRƯNG HỆ THỐNG CƠ ĐIÊN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 2. Hệ thống quay tròn : PT chuyển đông quay : T = k.θTrong đó : T : Momen xoắn ; Θ : góc quay ; k độ cứng xoắn (2-8)PT cản quay : T = c.ω = c.dθ/dtTrong đó : T : Momen xoắn ; ω : vận tốc góc ; c độ cứng xoắn PT momen quay : T = I.εTrong đó:T-Momen xoắn ; Ε- gia tốc góc; I -Momen quán tinh PT Năng lượng : T = ½ T2/kPT Năng lượng cản : E=1/2 Iω2 PT Năng lượng TH : P=cω2 1.4. ĐẶC TRƯNG HỆ THỐNG CƠ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬLực nén lò xo KHỒI LƯỢNG ĐẦU VÀO F Chuyển vị x Hệ thống khối lượng – Lò xo – Giảm chấn ĐẦU RA X Lực F PT chuyển động hệ :FΣ = ma Lực tổng :FΣ = F – kx - cvV : Vận tốc Pittong trong CCGCk : Độ cứng lò xo : C : Độ cản GC x : chuyển dịch lò xo PT chuyển động hệ : H. HT cơ (KL+LX+GC )PT vi phân bặc 2 – QH của đầu vào F và đầu ra – chuyển vị x 1.4. ĐẶC TRƯNG HỆ THỐNG CƠ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬLò xo xoắn KHỒI LƯỢNG Chuyển vị x Momen xoăn TPT chuyển động hệ :MΣ = Iε Momen tổng :MΣ = T – kθ - cωk : Độ cứng lò xo : C : Độ cản xoắn GC Ω : Vận tốc góc Ε : Gia tốc góc PT chuyển động hệ : H. HT cơ (KL+LX+GC )Kháng trở xoắn IMomen TChuyển vị xoay θ 1.4. ĐẶC TRƯNG HỆ THỐNG ĐIỆN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬCuộn cảm L H. HT điên (L+R+C )Điện dung C Dòng điên i Điện thê u Điện thê u Điện trở R Điện thê u Dòng điên i Dòng điên i VàKhối cảm kháng Khối điện dung Khối điện trở Năng lương L : Năng lương C : Năng lương R : 1.5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬĐịnh luật Kirchhoff 1 : Dòng điện tổng đến một nút bằng tổng các dòng điện rời khỏi nút , hay tổng đại số dòng điện tại nút bằng 0Định luật Kirchhoff 2 : Tại một mạch kín hoặc vòng lặp, tổng đại số hiệu điện thế qua từng phần mạch bằng sức điện động đặt vào phần đó.uR1R2R3R4i1i2ĐL1-Nút A : i1 = i2 + i3 VD1:uRCUCĐL2-Vóng1 : u=i1R1+( i1 + i2)R2 Vóng2 : 0=i2R3+i2R3+( i2 – i1)R2 VD2:PTVP bặc 1 ĐL2 : Vòng R-CTHIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.6. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỦY KHÍ PT lực cản thủy lực : P1-P2 =RQR : sức cản TL của Dòng chảy P1, P2 : Chiều cao cột ápQ : Lưu lượngPT liên tục : Q1-Q2 =dV/dtỞ đây : V= A.h ; và P=ρghA : Tiết diện ngang của thùng H : chiều cao cột nước ; Ρ:TL riêng CLTích phân PTTHIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬThủy Năng : 1.6. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỦY KHÍ KL mF1=P1AF2=P2AL F2-F1 =P1A-P2A=(P1-P2)ATổng lực của khối CL :(P1-P2)A = m.dV/dt mà m=ALρI là Thủy năng : I =Lρ/ATHIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.6.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG KHÍ NÉN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.6. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LỰC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.6. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG KHÍ NÉN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.6. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG KHÍ NÉNTHIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.6. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG NHIỆT THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.6. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG NHIỆT THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.6. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG NHIỆT THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ1.6. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG NHIỆT CẢM ƠN **