Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ô tô và đề xuất giải pháp mô hình cho bài toán cân bằng trên xe du lịch

viết ra trong luận văn này là do sự tìm hiểu và nghiên cứu của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ. Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như nước ngoài và cho đến nay chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi cam đoan trên đây. Vinh, ngày 12 tháng 11 năm 2009 Tác giả Hồ Văn Đàm LỜI CẢM ƠN Bản luận văn này được thực hiện tại Khoa Cơ Khí và Khoa Sư phạm kỹ thuật - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Tạ Duy Liêm đã hướng dẫn, động viên và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy và cô giáo trường Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghiệp Việt Nam - Hàn Quốc, đã tạo điều kiện về thời gian để tôi thực hiện bản luận văn này. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân và đồng nghiệp đã luôn quan tâm giúp đỡ, ủng hộ tôi cả về tinh thần lẫn vật chất. Vinh, ngày 12 tháng 11 năm 2009 Tác giả Hồ Văn Đàm M ỤC L ỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan......................................................................................................... 1 Lời cảm ơn.............................................................................................................. 2 Mục lục.................................................................................................................... 3 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt........................................................... 6 Danh mục các hình vẽ, đồ thị............................................................................ 7 MỞ ĐẦU................................................................................................................ 10 Chương 1. TỔNG QUAN Cơ điỆn tỬ....................................................... 13 1.1. Cơ sở kỷ thuật của chuyên ngành cơ điện tử......................................... 13 1.1.1 Vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản suất hàng hoá công nghệ cao của thời kỳ kinh tế trí thức................................................... 13 1.1.2. Mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở Việt Nam trong những năm tới...................................................................... 16 1.1.3. Xu hướng phát triển của cơ điện tử thế giới.................................... 18 1.1.4. Cơ điện tử là gì....................................................................................... 20 1.1.5. Lịch sử phát triển.................................................................................... 24 1.2. Cơ điện tử là một khoa học về hệ thống................................................. 27 1.2.1. Ví dụ về hệ thống cơ điện tử............................................................... 27 1.2.2. Các thành phần của hệ thống cơ điện tử........................................... 27 1.2.2.1. Hệ thống cảm biến........................................................................ 28 1.2.2.2. Cơ cấu chấp hành.......................................................................... 29 1.2.2.3. Hệ thống xử lý thông tin............................................................. 30 1.2.2.4. Hệ thống cơ khí và biến đổi năng lượng................................. 31 1.2.2.5. Các hệ thống khác........................................................................ 32 1.2.3. Cấu trúc chung của hệ thống cơ điện tử........................................... 32 1.3. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao nói chung và trong công nghệ ôtô hiện đại nói riêng.................................. 34 1.3.1. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao 34 1.3.2. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ ôtô hiện đại ......................................................................................................... 38 Chương 2. NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT ÔTÔ................................................................. 41 2. 1. Cơ điện tử trong Ôtô................................................................................... 41 2.1.1. Xu hướng tích hợp công nghệ cơ điện tử trong Ôtô...................... 41 2.1.2. Các thành phần cơ điện tử trong Ôtô................................................ 49 2.1.3. Hệ thống trợ giúp................................................................................... 51 2.1.3.1. Hệ thống tự động cân bằng ESP............................................... 51 2.1.3.2. Hệ thống chống bó cứng phanh ABS...................................... 52 2.2. Dao động và cân bằng dao động............................................................... 60 2.2.1. Giới thiệu................................................................................................. 60 2.2.2. Các thiết bị giảm chấn của xe Ôtô..................................................... 61 2.2.2.1 . Nhíp xe........................................................................................... 61 2.2.2.2. Giảm xóc lò xo.............................................................................. 61 2.2.2.3. Giảm xóc khí - thủy lực.............................................................. 62 2.3. Hệ thống giảm xóc hiện đại....................................................................... 63 Chương 3. thiẾt lẬp các mô hình hỆ thỐng cho bài toán dao đỘng và cân bẰng dao đỘng trên ôtô......... 67 3.1. Mô hình hệ thống giảm xóc của xe ôtô................................................... 67 3.1.1.Mô hình giao động của ôtô................................................................... 68 3.1.2. Mô hình bốn bánh.................................................................................. 69 3.1.3. Mô hình một nửa Ôtô............................................................................ 70 3.1.4. Mô hình một phần tư ôtô...................................................................... 71 3.2. Hệ thống giảm xóc tự động........................................................................ 71 3.3. Hệ thống giảm xóc bán chủ động............................................................. 73 3.3.1. Các phương pháp điều khiển............................................................... 73 3.3.2. Điều khiển Skyhook.............................................................................. 75 3.3.3. Điều khiển Groundhook....................................................................... 77 3.4. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động............................... 78 3.4.1. Hệ thống giảm xóc bị động................................................................. 78 3.4.2 Dao động của hệ thống với kích động điều hoà.............................. 79 3.5. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bán chủ động.................... 82 3.5.1 Mô hình hê thống giảm xóc bán chủ động........................................ 82 3.5.2 Hệ thống Skyhook................................................................................... 83 3.5.3. Hệ thống Groundhook........................................................................... 86 Chương 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIẢM XÓC BÁN CHỦ ĐỘNG... 90 4.1. Thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động............................... 90 4.1.1. Cảm biến................................................................................................... 90 4.1.2. Giảm chấn biến đổi................................................................................ 91 4.1.2.1. Giảm chấn van thay đổi.............................................................. 92 4.1.2.2. Giảm chấn từ biến......................................................................... 92 4.2. Cấu trúc và hoạt động của hệ thống giảm xóc bán chủ động............ 95 4.2.1. Cấu trúc của hệ thống............................................................................ 94 4.2.2. Hoạt động của hệ thống........................................................................ 96 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................. 100 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ABC Automatic Body Control Hệ thống tự động điều chỉnh ổn định toàn xe ABS Anti - block Brake System Hệ thống phanh chống bó cứng AFL Adaptive Forward Light Thay đổi độ rộng và góc quét của dải sáng theo hướng xe chạy ASR Anti - Spin Regulation Hệ thống kiểm soát độ bám đường CAE Computer Aided Engineering Gia công được trợ giúp bởi máy tính CAN Controller Area Network Hệ truyền dữ liệu điện tử CIM Computer Intergrated Manufacturing Hệ thống gia công điều khiển bằng mạng vi tính kết nối DGPS Differential Global Possitioning Systems Hệ thống định vị toàn cầu sai phân ESP Electronic Stability Program Chương trình quản lý độ ổn định bằng điện tử FMS Flexible Manufacturing System Hệ thống tự động linh hoạt Micro MEMS Micro Electro Mechatronic System Hệ vi cơ điện tử NEMS Nano Electronics Mechatronics System Hệ thống siêu vi cơ điện tử TCS Traction Control System Hệ thống điều khiển khả năng bám đường VDC Vehicle Dynamic Control Hệ thống điều khiển động lực ôtô DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Các tiêu chí cơ bản của những hình thái sản xuất – Đặc trưng của nền kinh tế tri thức........................................................................................... 16 Hình 1.2. Cơ điện tử, khoa học của nhiều ngành nghiên cứu....................... 24 Hình 1.3. Lịch sử phát triển của các hệ thống kỹ thuật từ cơ khí thuần túy đến các hệ cơ điện - tử ngày nay................................................................... 26 Hình 1.4. Sơ đồ thành phần của hệ thống cơ điện tử...................................... 28 Hình 1.5. Mô hình cảm biến (Sensor)................................................................. 28 Hình 1.6. Mô hình cơ cấu chấp hành (Actuator).............................................. 29 Hình 1.7. Cụm cơ cấu chấp hành cơ bản............................................................ 29 Hình 1.8. Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển................................................ 30 Hình 1.9. Sơ đồ khối của bộ vi xử lý.................................................................. 31 Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống cơ điện tử.......................................... 33 Hình 1.11. Cơ điện tử trong điều khiển chạy dao của máy công cụ CNC. 35 Hình 1.12. Robot HRP-3 Promet Mk-II đang đi giống y như người.......... 36 Hình 1.13. Mẫu robot “Asendro” một thế hệ robot bảo vệ mới nhất........... 37 Hình 2.1. Sử dụng Rada đo khoảng cách và vận tốc để tự động điều chỉnh khoảng cách giữa các xe ôtô...................................... ............................... 45 Hình 2.2. Thiết kế hệ thống ôtô tự hành với cảm biến và cơ cấu chấp hành........................................................................................................... 47 Hình 2.3. Các khu vực ứng dụng của hệ thống cơ điện tử trong một chiếc xe ôtô. ...................................... ...................................... ............................................ 48 Hình 2.4. % đóng góp về giá thành của cơ điện tử trong ôtô....................... 48 Hình 2.5. Sự phát triển của các hệ thống an toàn cơ điện tử trong ôtô và khuynh hướng của nó....................................... ....................................................... 49 Hình 2.6. Hệ thống tự động cân bằng ôtô (ESP) .............................................. 51 Hình 2.7. Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) ............................................ 53 Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ thống điều tiết Distronic..................................... 55 Hình 2.9. Đặc tuyến áp lực phanh theo thời gian với hệ thống trợ giúp thuỷ lực...................................... .................................................................................. 56 Hình 2.10. Các phương án cơ bản của bộ phanh thuỷ lực ABS. .................. 57 Hình 2.11. Hệ thống phanh cơ điện tử "Elektromechanische Bremse"....... 58 Hình 2.12. Bộ cảm biến số vòng quay của bánh xe với hiệu ứng cảm ứng điện từ........................................................................................................................... 59 Hình 2.13. Nhíp xe ôtô............................................................................................. 61 Hình 2.14. Gảm xóc kết hợp với xi lanh dầu...................................................... 62 Hình 2.15. Giảm xóc khí nén - thủy lực.............................................................. 63 Hình 2.16. Hệ thống treo khí nén Airmatic của Mecerdes.............................. 64 Hình 3.1. Xe ôtô du lịch với hệ thống giảm xóc trước và sau........................ 67 Hình 3.2. Hệ thống giảm xóc trên một bánh..................... ................................. 68 Hình 3.3. Xe ôtô du lịch với nhiều bộ phận và chi tiết.................................... 68 Hình 3.4. Mô hình bốn bánh của hệ thống giảm xóc........................................ 69 Hình 3.5. Mô hình 2 bánh với hai bánh bên (a) và hai bánh đồng trục (b). 70 Hình 3.6. Mô hình một bánh (một phần tư ôtô) của hệ thống giảm xóc..... 71 Hình 3.7. Hệ thống giảm xóc LEM của hãng Bose.......................................... 72 Hình 3.8. Mô hình một phần tư ôtô....................................................................... 74 Hình 3.9. Điều khiển Skyhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) ........................ 74 Hình 3.10 Điều khiển Groundhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) ................ 77 Hình 3.11. Hệ thống giảm xóc bị động................................................................ 78 Hình 3.12. Hệ thống bị động với kích động điều hòa...................................... 80 Hình 3.13. Các dao động của thân xe và bánh xe theo thời gian.................. 82 Hình 3.14. Hệ thống giảm xóc bán chủ động..................................................... 82 Hình 3.15. Dao động thân xe và bánh xe của hệ thống Skyhook.................. 86 Hình 3.16. Dao động của thân xe và bánh xe của hệ thống Groundhook... 88 Hình. 4.1. Cảm biến gia tốc TI CAS..................................................................... 91 Hình. 4.2. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn van điều khiển............................. 92 Hình 4.3. Tính chất của chất lỏng từ biến.......................................................... 93 Hình. 4.4. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn MR................................................. 94 Hình. 4.5. Giảm chấn Delphi MagneRide của hãng Delphi........................... 95 Hình. 4.6. Các thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động................. 95 Hình. 4.7. Sơ đồ hệ thống giảm xóc bán chủ động........................................... 96 LỜI MỞ ĐẦU Cơ điện tử hiện nay đã mở ra một phương pháp mới trong ứng dụng kỹ thuật và nó thực sự bao trùm lên mọi diện mạo của thế giới hiện đại. Cơ điện tử thực chất là một công nghệ tích hợp hữu cơ của nhiều công nghệ truyền thống khác nhau trong một thể thống nhất, các sản phẩm cơ điện tử trước hết phải bắt nguồn từ những thiết kế tối ưu mà cấu trúc và nguyên lý hoạt động của nó được quan niệm như một cơ thể sống. Các bộ phận cấu thành như modul cơ khí, điện và điện tử, khí nén và thuỷ lực cũng như các phần tử điều khiển (Sensor: cảm biến đo lường, actuator: điều khiển và điều chỉnh), các phần mềm tin học... trong một đơn vị sản phẩm phải là xương thịt của nhau, là cơ bắp và là trí tuệ có ảnh hưởng lẫn nhau tạo nên thể thống nhất hữu cơ vậy. Từ nhu cầu phát triển các sản phẩm cần công nghệ tích hợp liên ngành cơ khí điện, điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển hệ thống. 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 điện tử số micro. Sự tích hợp này tạo nên một công nghệ mới, trong đó có sự chuyển biến về chất của tư duy công nghiệp mà trọng tâm là tư duy công nghệ tạo nên đổi mới và xúc tiến các phương pháp giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp. Công nghệ này đã tạo ra nhiều sản phẩm mới và cung cấp giải pháp tăng hiệu quả và tính năng của thiết bị công nghiệp, dân dụng. Từ đó đến nay, cơ điện tử đã phát triển không ngừng, nhất là khi kỹ thuật vi xử lý ra đời đã làm cho cơ điện tử có vai trò quan trọng trong khoa học và công nghệ. Sản phẩm cơ điện tử ngày càng tích hợp trong nó nhiều công nghệ cao hơn, mức độ thông minh ngày càng mạnh và kích thước ngày càng được rút gọn. Trong tương lai, sự phát triển của hệ cơ điện tử sẽ được thúc đẩy bởi sự phát triển của các lĩnh vực có liên quan. Những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thống cũng sẽ tạo động lực cho sự phát triển của hệ cơ điện tử thông qua việc cung cấp những "công nghệ khả thi". Chẳng hạn, việc phát minh ra bộ vi xử lý đã có ảnh hưởng sâu rộng đến quá trình tái thiết kế hệ cơ khí và quá trình thiết kế mới hệ cơ điện tử. Chúng ta nên hy vọng vào những tiến bộ không ngừng của bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển, sự phát triển của bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành dựa trên việc ứng dụng những tiến bộ của hệ thống vi cơ điện tử MEMS "Micro Electronics Mechanics System" và hệ thống siêu vi cơ điện tử NEMS "Nano Electronics Mechatronics System", các phương pháp điều khiển thích nghi và phương pháp lập trình tốc độ xử lý của máy tính, công nghệ mạng và công nghệ không dây, kỹ thuật gia công được trợ giúp bởi máy tính CAE (Computer Aided Engineering) dùng cho việc lập mô hình hệ thống tiên tiến, tạo mẫu ảo và thử nghiệm. Sự phát triển nhanh chóng trong những ngành này sẽ giúp tăng tốc độ phát triển các sản phẩm thông minh. Mạng Intermet là một công cụ khi được ứng dụng kết hợp với công nghệ không dây cũng sẽ có khả năng tạo ra những sản phẩm cơ điện tử mới. Khi những phát triển trong thiết bị tự động đã cung cấp cho chúng ta ví dụ sinh động về sự phát triển của Cơ điện tử, thì có hàng loạt các ví dụ về các hệ thống thông minh trong tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội, bao gồm thiết bị gia dụng thông minh, trong lĩnh vực "thiết bị thân thiện với con người" (thuật ngữ do H.Kobayashi(Guest Editoria), IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.2No.4,1997,P.217 đưa ra) chúng ta có thể hy vọng vào những những tiến bộ trong lĩnh vực cơ điện tử có thể đem lại lợi ích cho những lĩnh vực khác nhau rõ rệt, chế tạo máy, vũ trụ, công nghệ sản xuất ôtô. Tương lai của Cơ điện tử đang ngày càng mở rộng. Trong luận văn này tôi nêu một phần ứng dụng cơ điện tử trong ngành cơ khí ôtô. Ôtô đã ra đời từ hơn một trăm năm nay và ngày càng trở đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người. Với rất nhiều bộ phận, có sự đóng góp của cơ khí, điện, điện tử, điều khiển, công nghệ thông tin, vật liệu mới, . . . Ôtô hiện đại là một sản phẩm kết hợp của rất nhiều ngành khoa học kỹ thuật. Sẽ là rất khó khăn cho việc thiết kế nếu tách riêng các hệ thống của ôtô thành các lĩnh vực khoa học kỹ thuật riêng biệt khác nhau. Giải pháp cho vấn đề đó, cơ điện tử ra đời đóng vai trò là một khoa học về hệ thống có khả năng kết nối các ngành khoa học kỹ thuật, ngày càng đóng góp phần lớn vào các ngành công nghiệp nói chung và công nghiệp ôtô nói riêng. Bài toán cân bằng ôtô mà trọng tâm là hệ thống giảm xóc là một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế ôtô. Với lịch sử phát triển lâu dài cùng với nhiều cải tiến đáng kể, các hệ thống giảm xóc thông thường vẫn không thể nào đáp ứng tốt cả hai yêu cầu chính của bài toán cân bằng, đó là sự thoải mái và an toàn sự mâu thuẫn giữa hai chỉ tiêu đó dường như là một giới hạn khó vượt qua cho tới khi các yếu tố điều khiển tự động được áp dụng vào hệ thống giảm xóc. Một thế hệ giảm xóc tự động mới ra đời là kết quả của sự vận dụng cơ điện tử vào bài toán cân bằng dao động. Bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng, tôi bước đầu nghiên cứu ứng dụng của cơ điện tử để giải quyết bài toán cân bằng trên xe ôtô du lịch. Bên cạnh đó tiếp cận với phương pháp điều khiển hệ thống giảm xóc Groundhook và Skyhook dựa trên phương pháp mô hình hóa và mô phỏng. Chương 1. TỔNG QUAN Cơ điỆn tỬ 1.1. Cơ sở kỷ thuật của chuyên ngành cơ điện tử 1.1.1. Vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản suất hàng hoá công nghệ cao của thời kỳ kinh tế trí thức. Trong nền kinh tế trí thức đòi hỏi một trình độ tư duy và tác phong công nghiệp hiện đại, sẵn sàng đáp ứng và đáp ứng một cách hiệu quả các yêu cầu mới đặt ra của nền kinh tế trí thức, vận hành trong thời đại văn minh tin học. Trong thập niên 70 của thế kỷ trước, nền "Văn minh ống khói" đã đạt tới đỉnh cao khi thế giới công nghiệp xuất hiện hình thái tổ chức sản xuất dưới dạng các tập đoàn siêu quốc gia, các tổ hợp công nghiệp lớn, tập trung quyền lực trên các lĩnh vực chuyên ngành và khu vực thị trường xác định. Đó là những gã khổng lồ, những con khủng long của kỷ nguyên đại hồng thuỷ (sản xuất hàng hoá loại lớn và hàng khối). Sai lầm lớn nhất của các hình thái tổ chức sản xuất này là ở tính độc cực trong phân công quốc tế về công nghệ và thị trường. Chính sự độc quyền trong trong tiến trình phát triển đã trở thành rào cản, hạn chế sức cạch tranh và năng lực sáng tạo của các lực lượng khoa học - Công nghệ. Lao động kỹ thuật, nhất là lao động trí tuệ bị lãng phí hoặc bị kìm hãm; vật tư năng lượng bị lạm dụng đến mức phương hại tới môi trường sinh thái và trên phương diện kinh tế, những gã khổng lồ này "khiêu vũ" , với vòng quay "đầu tư - hoàn vốn - lợi nhuận - tái đầu tư mở rộng" một cách chậm chạp. Cơ hội ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật bị o bế, phản ứng với các biến động thị trường một cách thụ động dẫn tới các giải pháp phi lý như đầu cơ, phá giá, thậm chí có lúc phải huỷ hoại cả sản phẩm để duy dưỡng thị trường. Trong "văn minh tin học", tính mở và tính toàn cầu của sản xuất xã hội đã phá vỡ một cách tự nhiên thế độc quyền của các hình thái tổ chức sản xuất già cỗi xơ cứng. Team Work và mô hình phân công lao động dân chủ đã động viên tối đa tiềm lực khoa học - công nghệ trong tinh thần hợp tác xã hội cao độ. Con người công nghiệp mới nhìn nhận các vấn đề một cách trí tuệ hơn với các tiêu chí phát triển bền vững, bảo vệ môi trường sinh thái và nâng cao tối đa hàm lượng tri thức trong một đơn vị sản xuất. Nhiều hình thái tổ chức sản xuất mới ra đời trong đó, tính năng động linh hoạt và mềm dẻo, nhất là khả năng phản ứng mau lẹ, cực kỳ nhạy bén đối với thị trường của các hình thái tổ chức sản xuất này vừa là lợi thế vừa là những thách thức rất cao đối với con người công nghiệp. Rõ ràng, nền kinh tế trí thức có những đặc trưng riêng biệt, độc đáo mà từ trước tới nay chưa hề có một hình thái kinh tế xã hội nào đạt được. Đặc thù của kinh tế trí thức thể hiện trước hết ở sự tăng cao của hàm lượng tri thức trong một đơn vị sản phẩm. Quá trình chuyển dịch cơ cấu công nghệ thể hiện rất rõ khuynh hướng phát triển này. Tiến trình chuyển địch công nghệ này dựa trên các cơ sở: - Vai trò quan trọng của công nghệ cao, đặc biệt là công nghệ thông tin. - Khoa học trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp. - Thời gian thực hiện công nghiệp hoá rút ngắn. - Nhân lực kỹ thuật nhanh chóng được trí thức hoá. - Cơ cấu kinh tế, hệ thống tổ chức xã hội có những thay đổi cơ bản. Vì vậy sự phát triển công nghệ cao và công nghiệp công nghệ cao trong thời đại ngày nay, không phải chỉ đơn thuần là việc vạnh ra chiến lược phát triển khoa học và công nghệ, mà là sự nghiệp phấn đấu vươn tới một nền văn minh mới của nhân loại: nền văn minh tin học của kỷ nguyên kinh tế trí thức. Đổi mới thông qua công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước trước hết phải là sự đổi mới của ý thức tư duy, bởi tư duy sáng tạo chính là nguồn lực của đổi mới. Định hướng phát triển công nghệ cơ điện tử cũng không nằm ngoài quy luật này. Gần 20 năm đổi mới đã và đang diễn ra trên đất nước ta, quá trình chuyển dịch công nghệ cũng đã chứng minh rằng lợi thế phát triển có tính hiện thực lớn nhất của Việt Nam lại chính là nguồn lực con người. Đất nước Việt Nam, con người Việt Nam - không có con đường nào khác - đã và đang hội nhập với tiến trình phát triển gia tốc hoá ngày càng tăng của nhân loại tiến tới nền kinh tế trí thức. Cùng với quá trình chuyển giao công nghệ mang tính toàn cầu, ý thức tư duy và tác phong công nghiệp hiện đại, có tính chuyên nghiệp của lực lượng lao động tiên tiến bên ngoài cũng có điều kiện thâm nhập, làm thay đổi những tập quán tư tưởng như cố hữu của lực lượng lao động Việt Nam, cải thiện đáng kể chất lượng lao động và phẩm chất nghề nghiệp của con người Việt Nam công nghiệp, chính đó là cơ sở đáng tin cậy để xây dựng các cơ chế và chính sách phát triển các hướng công nghệ cao và công nghiệp công nghệ cao trong chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010. Vai trò của công nghệ Cơ - Điện tử phục vụ mục tiêu của công nghiệp hoá, hiện đại hoá rút ngắn. Công nghệ Cơ - Điện tử và sản phẩm của nó thuộc phạm trù công nghệ cao, mang đặc thù tích hợp nhiều ngành kỹ thuật trọng điểm của nền kinh tế trí thức. Hàm lượng tri thức Thiết bị, tiền vốn Nguyên liệu, năng lượng Lao động, nhân lực Kinh tế tri thức (văn minh tin học) (Văn minh tin học) Kinh tế thủ công Hình 1.1. Các tiêu chí cơ bản của những hình thái sản xuất – Đặc trưng của nền kinh tế tri thức Kinh tế công nghiệp (Văn minh ống khói) 1.1.2. Mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở Việt Nam trong những năm tới. Chưa nói đến vi cơ điện tử, nanô cơ điện tử vốn đã lôi kéo rất nhiều ngành liên quan, trong thế kỷ XXI, chúng ta sẽ chứng kiến nhiều hơn nữa sự phát triển tương hỗ rất mạnh của nhiều ngành khác xoay quanh cơ điện tử: quang-cơ điện tử (opto-mechatronics), sinh học-cơ điện tử (bio-mechatronics), khoa học không gian,... Một số ứng dụng tiêu biểu của cơ điện tử - tiêu điểm của các ngành: trong ngành hàng không - vũ trụ (quân sự và dân sự): cơ điện tử rất tự nhiên từ lâu là động lực phát triển chính. Các hệ thống lái tự động, định vị tự động, phát hiện tránh đường, điều phối không lưu,... và rất nhiều kỹ thuật, trang thiết bị mới, tinh vi đã ra đời sớm nhất trong ngành này. Tuy nhiên, do đặc thù riêng mà không được phổ biến rộng rãi trong công nghiệp nói chung. Cũng vậy, với kỹ thuật quân sự: các hệ thống vũ khí, khí tài do thám, tấn công thông minh, phòng thủ phản ứng nhanh (các hệ thống tên lửa đánh chặn, tìm diệt,...) và rất nhiều bí mật quân sự khác thực sự từ lâu đã được phát triển theo lối tiếp cận cơ điện tử hiện đại, chứ không phải đến khi nó được đề xuất và nghiên cứu sau này trong dân dụng. Trong ngành cơ khí: rôbốt, máy công cụ CNC, hệ thống đo 3D phục vụ kiểm tra chính xác cao hoặc cho thiết kế ngược,... Trong ngành tự động hoá: giám sát và điều khiển tích cực quá trình (tại từng thiết bị cho đến quy mô toàn nhà máy),... Trong ngành công nghệ thông tin: mô phỏng, mô hình hoá, cung cấp công cụ tối ưu hoá, cung cấp công cụ cho tạo mẫu nhanh, sản xuất phân tán kỹ thuật số, phần mềm điều khiển nhúng, các hệ thống giám sát và định vị toàn cầu,...Trong công nghiệp tiêu dùng: điều hoà kỹ thuật số, lò vi sóng, nồi cơm điện, máy giặt, tủ lạnh thông minh,... Trong công nghiệp ôtô: các hệ thống lái tự động, các hệ thống an toàn kiểu mới,... Trong y sinh học: thiết bị xét nghiệm, chẩn đoán, điều trị, phục hồi chức năng, cùng với việc tích hợp các công cụ khai thác thông tin, dữ liệu di truyền sinh học để kiểm soát tổng thể các phương tiện chăm sóc sức khoẻ (ứng dụng máy ghi nhiệt và trí tuệ nhân tạo để phát hiện sớm khối u; tạo môi trường ảo để phục hồi từ xa cho người già bị giảm nhận thức; các công cụ có trợ giúp bởi máy tính để phân tích chứng bệnh tim mạch, châm cứu,...),v.v. Có thể nhận thấy, cơ điện tử là phạm trù rộng, chúng ta cần đặt mục tiêu nghiên cứu phát triển cơ điện tử của nước ta trong những năm tới là có những sản phẩm chiến lược. Việc lựa chọn phương hướng nghiên cứu cơ điện tử cần có hiệu quả mang tính đi tắt đón đầu, do vậy có 3 lĩnh vực chúng ta cần phải làm chủ bằng được, đó là: Sản phẩm cơ điện tử trong tiêu dùng: Những đồ gia dụng ví dụ: thiết bị cảnh báo, bếp từ, đầu VCD, máy giặt, máy ảnh số,... là những mặt hàng mang tính thông minh nhưng không quá phức tạp về cấu hình. Sự thông minh nằm nhiều ở phần điều khiển (cứng và mềm của thiết bị), phần mà theo nhận định của nhiều chuyên gia là thuộc năng khiếu của người Việt Nam. Mặc dù về giá trị kinh tế không thật cao, nhưng do là vật dụng thông dụng nên lương tiêu thụ (với đất nước gần 86 triệu dân) là lớn. Thiết bị và hệ thống cơ điện tử trong công nghiệp: Khá nhiều thiết bị công nghiệp ví dụ như máy công cụ CNC, trạm trộn bê tông tự động, dây chuyền sản xuất xi măng, hệ thống hút bụi công nghiệp,…. đã là kết quả nghiên cứu từ các đề tài nghiên cứu KHCN và đang được triển khai tốt trong đời sống sản xuất. Có thể nhận thấy rằng chúng ta có thể thiết kế, tích hợp tốt thiết bị công nghiệp thông minh. Nhược điểm của chúng ta là khâu chế tạo. Tuy nhiên trên thế giới, không một nước nào, Hãng nào lại chế tạo một hệ thống từ A-Z, theo xu hướng chung này chúng ta sẽ tuyển chọn đâu là những vấn đề cần đầu tư để có thể chiếm thị phần lớn trong sản phẩm cơ điện tử loại này. Thiết bị cơ điện tử trong lĩnh vực y tế: Trong mọi xã hội giàu, nghèo sức khoẻ con người luôn được đặt lên hàng đầu vì con người là nguồn vốn quý nhất của mọi quốc gia. Việc phát triển thiết bị cơ điện tử y tế có ý nghĩa hơn khi bản thân thiết bị không những đã thúc đẩy sự phát triển của rất nhiều lĩnh vực liên quan (vật lý - nguồn năng lượng tia bức xạ, hệ thống quang học, hệ thống cảm biến – nhận dạng, công nghệ thông tin - xử lý ảnh,...) mà còn có hiệu ứng đomino đến các lĩnh vực khác như sinh hoá, chẩn đoán, trị liệu,... Phương ._.hướng nghiên cứu cơ điện tử của chúng ta có thể tập trung vào kỹ thuật tích hợp hệ thống từ các mô đun tiêu chuẩn hoá, đầu tư vào nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển và phần mềm, chế tạo một phần cấu hình vật lý và phần cứng điều khiển tương thích. 1.1.3. Xu hướng phát triển của cơ điện tử thế giới. Xu thế của cơ điện tử trên thế giới là tích hợp trong đó ngày càng nghiều công nghệ cao, làm cho trí tuệ của sản phẩm ngày càng thông minh hơn trong một kích thước sản phẩm ngày càng nhỏ hơn, tiêu tốn nguyên liệu ngày một ít hơn. Một số công nghệ mới đóng vai trò quan trọng trong các sản phẩm và hệ thống cơ điện tử trong thời gian tới, là công nghệ mạng máy tính nhúng và công nghệ vật liệu mới. Với công nghệ mạng máy tính nhúng, các sản phẩm cơ điện tử sẽ có chức năng hội thoại và hợp tác phối hợp thực hiện được nhiều nhiệm vụ có độ phức tạp cao hoặc đồng thời ở nhiều địa điểm trên diện rộng. Công nghệ vật liệu mới cho ta những vật liệu có đặc tính như điều khiển được hoặc có khả năng biến dạng để chế tạo các cơ cấu chấp hành hoặc cấu trúc cơ khí không gian 3 chiều phong phú cho sản phẩm cơ điện tử. Công nghệ micro/nano nhằm thu nhỏ các thiết bị máy móc xuống kích thước của phần tử cho các sản phẩm công nghệ trong tương lai. Với việc điều khiển chính xác các nguyên tử và phân tử, con người có thể chế tạo ra các cảm biến mới, các vật liệu nhân tạo thông minh, các robot/máy kích thước micro, các hệ thống thông minh cực nhỏ v.v...Tuy nhiên công nghệ nano còn nhiều thách thức mà hiện nay con người chưa giải quyết được. Sự hiểu biết cơ chế hoạt động, điều khiển ở kích thước nano còn chưa hoàn hảo, công nghệ điều khiển nano còn chưa phát triển. Các nghiên cứu về micro/nano mechatronics mới đang ở giai đoạn đầu. Xu thế nhỏ hóa thiết bị máy móc đang là xu hướng tiến hóa các sản phẩm ở hầu hết các sản phẩm công nghiệp như các thiết bị điện tử gia dụng (máy điều hòa, lò vi sóng, máy giặt...), các thiết bị truyền thông, các thiết bị y tế, các phương tiện giao thông, các hệ thống điều khiển, các dây chuyền công nghệ. Sự phát triển của công nghệ vi điện tử ngày càng nhỏ với chức năng ngày càng mạnh và giá thành ngày càng rẻ cho thấy khả năng phát triển của các sản phẩm nhỏ gọn và có nhiều tính năng phong phú, vượt trội. Xu thế thông minh hóa các sản phẩm cơ điện tử được thể hiện ở việc phát triển trí thông minh cho các sản phẩm. Các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo, mạng nơron, hệ chuyên gia, giải thuật gen, các phương pháp xử lý song song... đang là hướng nghiên cứu thời sự cho các hệ điều khiển thông minh áp dụng cho các sản phẩm cơ điện tử tương lai, với việc xử lý trong thời gian thực các tín hiệu của cảm biến âm thanh, hình ảnh, tiếng nói, các cảm biến tiếp xúc như lực, momem v.v... sẽ tạo ra các sản phẩm cơ điện tử có khả năng đối thoại và tự suy diễn, ra quyết định, tự thích nghi với môi trường như những sinh vật sống. 1.1.4. Cơ điện tử là gì Thuật ngữ cơ điện tử được hình thành vào năm 1969 do ông Tesuro Mori người Nhật Bản, Tổng giám đốc của Công ty Seibu Electric and Machinery nêu ra, khi ông đề xuất một công nghệ mới sản xuất các máy công cụ tiên tiến với sự kết hợp chặt chẽ giữa cơ khí và điện tử. Ban đầu, Cơ điện tử dùng để chỉ các hệ thống chỉ có thành phần cơ khí và điện tử-không yêu cầu sự tính toán. Ví dụ như cửa trượt tự động, máy bán hàng tự động, hệ thống mở cửa gara... Như vậy, bước đầu công nghệ cơ điện tử đã tạo ra nhiều sản phẩm mới cũng như cung cấp một giải pháp tăng hiệu quả và tính năng của các máy móc thông dụng trong đời sống con người. Từ đó đến nay cơ điện tử có sự phát triển không ngừng và đóng vai trò quan trọng trong khoa học công nghệ, nhất là từ khi kỹ thuật vi xử lý ra đời vào những năm 1970. Mặc dù vậy khái niệm cơ điện tử không được thể hiện một cách rõ ràng và nhất quán trong các tài liệu cũng như trong cách hiểu của mọi người. Đã có không ít các cách hiểu đơn giản như: Cơ điện tử là một hệ thống kỹ thuật có các thành phần cơ khí, điện, điện tử, máy tính, các cụm cảm biến đo lường, các bộ phận điều khiển và điều chỉnh … Một số lại hiểu sản phẩm cơ điện tử là một thiết bị có thêm phần điều khiển điện tử và phần mềm thay thế một phần chức năng của phần cơ khí trước đây. Cách hiểu này dẫn đến suy nghĩ rằng Cơ điện tử không có gì mới mà chỉ đơn thuần là sự kết hợp các lĩnh vực khoa học công nghệ có sẵn. Với các quan niệm như thế các chuyên gia trên thế giới đã đưa ra một số định nghĩa khác nhau về Cơ điện tử: Đầu tiên là định nghĩa của Yasakawa Electric Company được đưa vào trong các tài liệu xin bảo hộ thương hiệu vào năm 1972: “Thuật ngữ Mechatronics (Cơ điện tử) được tạo thành bởi từ “Mecha” trong Mechanism (cơ cấu) và “Tronics” trong electronics (điện tử). Nói cách khác - công nghệ và các sản phẩm phát triển sẽ ngày càng hợp nhất một cách mật thiết và hữu cơ các thành phần điện tử vào trong các cơ cấu và rất khó có thể chỉ ra ranh giới giữa chúng” [2, 4]. Việc tích hợp chặt chẽ và hữu cơ ngày càng nhiều các lĩnh vực chuyên môn khác nhau vào trong máy móc làm ta không biết đâu là điểm bắt đầu cũng như điểm kết thúc của quá trình tích hợp Sự tiến bộ của công nghệ theo thời gian, nhất là sự phát triển của máy tính làm cho định nghĩa Cơ điện tử thay đổi. Năm 1996 Harashima, Tomizuka và Fukada (Nhật Bản) quan niệm “Cơ điện tử là sự tích hợp của kỹ thuật cơ khí, cùng với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế và sản xuất các sản phẩm và quá trình công nghệ” [3]. Cũng vào thời gian đó Auslander và Kempf (CHLB Đức) lại quan niệm: "Cơ điện tử là một ứng dụng của việc tạo quyết định liên hợp để điều hành các hệ thống vật lý” [8]. Đối tượng điều khiển theo quan niệm của Kempf chính là hệ thống vật lý, nó không chỉ gồm những hệ thống cơ khí truyền thống hay các sản phẩm cơ điện riêng lẻ mà còn gồm cả quá trình tự động hóa một công nghệ sản xuất, một hệ thống xử lý, điều khiển môi trường, nhiệt độ hay dao động, hoặc điều khiển một cỗ xe hay phương tiện vận tải, … Như vậy quan niệm của các chuyên gia Đức về Cơ điện tử dường như có tính khái quát hơn khi đưa ra khái niệm “môi trường tạo lập các quyết định điều khiển” (Decision making). Còn với các chuyên gia Mỹ như Shetty và Kolk thì quan niệm “Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện”[9]. Và gần đây W.Bolton đề xuất định nghĩa: “Một hệ thống cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ thống cơ khí, điện và điện tử, còn hơn cả một hệ thống điều khiển, nó là sự tích hợp hoàn hảo của tất cả những thứ đó” [10]. Đến những năm 90 của thập niên trước, khi công nghệ truyền thông được đưa vào các sản phẩm cơ điện tử đã làm cho cơ điện tử có khả năng kết nối trong mạng rộng. Sự phát triển này mang đến những chức năng mới như điều khiển từ xa. Trong thời gian này, các công nghệ cảm biến và cơ cấu chấp hành mới, nhỏ hơn - thậm chí cấp độ micro được dùng ngày càng nhiều trong các sản phẩm mới. Hệ thống vi cơ điên tử như gia tốc kế silicon dùng để khởi động túi khí ôtô là ví dụ mới nhất. Sự phát triển của cơ điện tử đến giai đoạn này tạo nên một hệ nhất quán - phát triển về chất chứ không đơn thuần chỉ là sự phát triển rầm rộ về số lượng. Máy tính và các chíp vi xử lý đã mạnh và rẻ để có thể nhúng vào các sản phẩm cùng với các công nghệ cao khác như cảm biến, cơ cấu chấp hành, công nghệ phần mềm, công nghệ điều khiển số hiện đại... cho ra những sản phẩm thông minh. Các chức năng của máy móc và hệ thống kỹ thuật hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào phần mềm có thể là một thuật toán, mạng nơron, hệ mờ trong máy tính của sản phẩm. Cơ điện tử là một công nghệ tổng hợp ngày càng nhiều các công nghệ khác để có thể có được các sản phẩm hoàn hảo hơn. Hay nói cách khác cơ điện tử liên kết các yếu tố cấu thành của ngành cơ học, điện tử và điều khiển để tạo nên một CÔNG NGHỆ MỚI, trong đó có sự chuyển biến về chất của tư duy công nghiệp mà trọng điểm là tư duy công nghệ. Bằng tư duy công nghệ mới và sự phối hợp liên ngành, con người sẽ đổi mới, xúc tiến các phương pháp giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp và đưa ra các sẩn phẩm cơ điện tử tiên tiến phục vụ nền công nghiệp hiện đại. Nhưng cũng phải hiểu rằng cơ điện tử là một thể thống nhất chứ không phải là sự gộp đơn thuần của nhiều công nghệ khác nhau như cơ khí, điện tử, máy tính, cảm biến... Cấu trúc của các công nghệ này phải thay đổi để trở thành một cấu trúc thống nhất trong một sản phẩm cơ điện tử. Các sản phẩm cơ điện tử có một hàm lượng "thông minh" riêng tạo nên tính năng của thiết bị trong các lĩnh vực giao thông, robot, hệ thống sản xuất, năng lượng mới, thiết bị y tế, hàng không vũ trụ... Cơ điện tử là sự kết hợp đồng vận của kỹ thuật cơ khí, điều khiển điện tử và tư duy hệ thống trong thiết kế sản phẩm và các quá trình sản xuất (theo ủy ban Tư vấn Phát triển và Nghiên cứu công nghệ Châu âu: IRDAC). Cơ điện tử được xem xét như là các ứng dụng kỹ thuật đồng thời vào thiết kế và tích hợp các hệ thống cơ điện tử (theo trường Đại học Atlanta USA). Cơ điện tử là sự kết hợp giữa 4 mảng kiến thức: cơ khí, điện tử, điều khiển và máy tính (theo giáo sư Ke vin Cung khoa Cơ khí và Kỹ thuật hàng không của Đại học Renssenlaser USA). Đa số các trường đại học của Anh, Đức, áo, úc đều thống nhất quan điểm cơ điện tử là sự phối hợp đồng vận của kỹ thuật cơ khí, điện tử và công nghệ thông tin. Vậy có rất nhiều những định nghĩa về " CƠ ĐIỆN TỬ" nhưng người ta đưa ra một định nghĩa tổng quát đó là "Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử điều khiển thông minh bằng máy tính trong thiết kế và chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp". ĐIỆN TỬ Xử lý tính toán Cảm biến CƠ KHÍ chấp hành CƠ ĐIỆN TỬ Mô hình toán CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hình 1.2. Cơ điện tử, khoa học của nhiều ngành nghiên cứu Sự tích hợp ở đây không phải là cộng gộp 3 ngành kỹ thuật đơn thuần mà là sự kết hợp mật thiết hữu cơ. Không ngành nào là trọng điểm của cơ điện tử, cũng không thể nói Cơ điện tử thuộc về ngành nào. Sự tích hợp khác nhau của các ngành tạo thành các miền khác nhau, cho ra các kết quả sản phẩm tương ứng là khác nhau. Sự tích hợp giữa cơ khí với kỹ thuật điện tử tạo ra những sản phẩm tiêu biểu là những cụm đo lường cảm biến (Sensors) và hệ thống điều khiển/ điều chỉnh các cơ cấu chấp hành (Actuators). Sự tích hợp giữa kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin tạo ra một thành phần có tính hạt nhân là các hệ thống tính toán điều khiển quá trình ( process - computation ). Sự tích hợp giữa công nghệ thông tin và kỹ thuật cơ khí lại đưa ra các công cụ hữu hiệu là kỹ thuật mô hình hoá, mô phỏng (modellisation/simmulation). Cuối cùng sự tích hợp sản phẩm của 3 miền đó sẽ cho ra một hệ thống cơ điện tử, một sản phẩm cơ điện tử hoàn thiện. 1.1.5. Lịch sử phát triển Theo dòng lịch sử, đa số các hệ thống sản xuất cũng như các sản phẩm hàng hoá được cơ khí hoàn toàn khi có sự hiện diện của động cơ điện, hoặc thuỷ lực trong kết cấu, đó là xuất phát điểm. Sự xuất hiện của linh kiện bán dẫn trong những năm 50 và các máy tính điện tử số trong những năm 70 đã tạo nên những hệ thống ghép nối tương hỗ giữa kỹ thuật cơ khí với điện tử, điều khiển và công nghệ thông tin. Những sản phẩm cơ điện tử trong giai đoạn này có kết cấu đơn giản nhưng cũng đã thể hiện được tính tích cực của Cơ điện tử trong việc tạo ra các sản phẩm thông minh, có độ tin cậy lớn, và giải phóng sức lao động của con người. Sang thập niên 1980, công nghệ thông tin được hình thành thì các bộ vi xử được nhúng vào trong các hệ thống cơ khí để nâng cao tính năng của hệ thống. Máy công cụ điều khiển số và robot trở nên hoàn hảo hơn, trong khi đó các ứng dụng trong ôtô như hệ thống điều khiển động cơ điện tử dùng rộng rãi. Từ những năm 1990 trở đi, khi công nghệ truyền thông đang được ứng dụng rộng rãi thì các hệ thống cơ điện tử cũng tích hợp thêm khả năng kết nối làm việc trong hệ thống mạng rộng rãi. Khi khoa học kỹ thuật đã phát triển vượt bậc ở tất cả các lĩnh vực, do đó sự trao đổi chuyển giao công nghệ ngày càng trở nên cần thiết trong nghiên cứu thiết kế sản xuất chế tạo. Như vậy cơ điện tử là một công nghệ tổng hợp ngày càng nhiều các công nghệ khác trong nó để có thể có được các sản phẩm hoàn hảo hơn. Ta có thể tóm tắt quá trình phát triển theo sơ đồ sau. Các hệ thống cơ khí thuần túy Các hệ thống cơ khí với truyền động điện < 1900 Mô tơ một chiều (1870) Mô tơ xoay chiều (1889) Động cơ hơi nước 1860 Máy phát điện 1870 Bơm tuần hoàn 1880 Động cơ đốt trong 1880 Máy chữ cơ khí Máy công cụ Bơm 1920 Các hệ thống cơ khí với truyền động điện Rơle, sôlênôit Khuếch đại điện, thủy lực, khí nén Bộ điều chỉnh PI (1930) 1935 Máy chữ điện Tuốcbin hơi nước Máy bay Các hệ thống cơ khí với - Điều khiển điện tử (tương tự) - Điều khiển dãy Transistor (1948) Thysistor (1955) Các hệ thống cơ khí với - Điều khiển số liên tục - Điều khiển dãy - số Máy tính số hóa (1955) Máy tính xử lý (1959) Phần mềm thời gian thực (1966) Máy vi tính (1971) Tự động hóa phân quyền số (1975) Các hệ thống cơ điện tử - Tích hợp: phần cứng cơ khí & điện tử - Phần mềm xác định chức năng - Công cụ thiết kế mới cho kỹ thuật đông thời - Các khả năng điều phối Bộ vi điều chỉnh (1978) Máy tính cá nhân (1980) Hệ thống process/fieldbus Các cơ cấu điều khiển, cảm biến mới Sự tích hợp các thành phần 1955 Thang máy điều khiển bằng điện tử 1975 Công cụ máy Robot công nghiệp Dây truyền công nghiệp Truyền động đĩa Robot di động CIM Phương vị từ Điều khiển ôtô (EFI, ABS, ESP) 1985 Hình 1.3. Lịch sử phát triển của các hệ thống kỹ thuật từ cơ khí thuần túy đến các hệ cơ điện - tử ngày nay Chiều tăng truyền động điện Chiều tăng điều khiển tự động Chiều tăng tự động hóa với máy tính quá trình và sự thu nhỏ Chiều tăng sự tích hợp của vi xử lý và máy vi tính 1.2. Cơ điện tử là một khoa học về hệ thống 1.2.1. Ví dụ về hệ thống cơ điện tử Qua tìm hiểu định nghĩa Cơ điện tử cũng như lịch sử phát triển của nó ta có được một cái nhìn tổng quan về bản chất của một hệ thống cơ điện tử. bản chất như đã phân tích trên (Hình 1.2) ta có thể thấy cơ điện tử đã tách ra thành một chuyên ngành, công nghệ độc lập. Việc các chuyên ngành cơ điện, điện tử, công nghệ thông tin biến đổi và kết hợp với nhau tạo nên phần xương thịt hữu cơ trong cơ điện tử. Ở trong cơ thể đó tồn tại 3 dòng lưu thông dòng lưu thông vật chất, dòng điều phối năng lượng, dòng lưu thông thông tin. Ở đây chúng ta sẽ nghiên cứu hệ thống phân phối sản phẩm dựa vào màu sắc của phòng thí nghiệm Khoa cơ khí để thấy rõ điều này. Sản phẩm là các miếng nhựa hình tròn được sơn màu đỏ, màu đen và tráng bạc di chuyển trên dây chuyền. Khi đi qua cảm biên màu sắc, cảm biến sẽ nhận được diện được màu của vật thể. Tín hiệu được truyền về bộ điều khiển PLC, tại đây tín hiệu gửi đến được kiểm tra. Nếu tín hiệu trùng với màu sơn đỏ đã định trước bộ điều khiển PLC sẽ gửi tín hiệu kích hoạt đến bộ phận khí nén, khí lên xylanh, đẩy sản phẩm vào máng đã định. Nếu sản phẩm có màu đen máng dẫn được thay đổi để sản phẩm mang màu đen vào đúng vị trí của nó. Sau khi thực hiện xong nhiệm vụ tay gạt trở lại vị trí ban đầu. Còn nếu sản phẩm là màu trắng bạc cảm biến thứ nhất sẽ không nhận biết được. Sản phẩm được nhận biết ở cảm biến thứ hai riêng biệt của nó. Và quá trình lặp lại tương tự như trên. Nếu có sản phẩm khác với 3 màu trên lẫn vào trong tập hợp nó sẽ không được các cảm biến nhận biết và được đưa đến kho phế phẩm. 1.2.2. Các thành phần của hệ thống cơ điện tử Các thành phần của một hệ thống cơ điện tử có thể được thấy như (Hình 1.3) trong đó những cụm thành phần quan trọng mà ta sẽ nghiên cứu dưới đây là hệ thống sensor, actuator, hệ thống xử lý thông tin và hệ thống cơ khí biến đổi năng lượng. Điều khiển tự động Tối ưu Cơ điện Giao diện thời gian thực Hệ thống cơ điện Cơ cấu chấp hành Cảm biến Hệ thống cơ điện Số/tương tự Tương tự/số Hệ thống máy tính Hình 1.4. Sơ đồ thành phần của hệ thống cơ điện tử 1.2.2.1. Hệ thống cảm biến Sensor là một thiết bị thông minh, đóng vai trò như "các giác quan" của hệ thống cơ điện tử. Nó tiếp nhận dữ liệu, cảm nhận sự thay đổi từ các sự kiện, các hiện tượng vật lý trong thế giới thực (nhiệt độ, khoảng cách, lực, v.v. . .), xử lý dữ liệu và cung cấp một tín hiệu phần mềm (điện, cơ khí, từ, v.v. . .) cái mà có thể được hiểu bởi cơ cấu chấp hành. Theo cách khác, có thể hiểu sensor là bộ biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Hệ thống sensor sẽ đo lường các thông số của hệ thống vật lý (cơ khí) rồi đưa thông tin thu được dưới dạng tín hiệu số về cho hệ thống xử lý thông tin. C Tiếp nhận sự kiện P Sản sinh sự kiện Các sự kiện trong thế giới thực Các sự kiện trong thế giới thực Xử lý cảm biến Hình 1.5. Mô hình cảm biến (Sensor) 1.2.2.2. Cơ cấu chấp hành Actuator được định nghĩa như là một thiết bị cơ học để chuyển động hay điều khiển một cái gì đó. Chúng ta định nghĩa một actuator là: "Một thực thể tiếp nhận các sự kiện phần mềm và tác động trở lại bằng sự cố gắng thay đổi trạng thái của thế giới thực theo một số cách bởi một số thiết bị phần cứng". Quá trình chấp hành C Tiếp nhận sự kiện P Sản sinh sự kiện Các tín hiệu phần mềm Các sự kiện trong thế giới thực Hình 1.6. Mô hình cơ cấu chấp hành (Actuator) Actuator cơ bản giống phần "cơ bắp" đằng sau hệ thống cơ điện tử, nhận lệnh điều khiển (thường dưới dạng tín hiệu điện) và tạo ra một sự thay đổi trong hệ thống vật lý bằng cách tạo lực, chuyển động, sức nóng, dòng chảy, v.v . . . Cụm cơ cấu chấp hành Cung ứng năng lượng Actuator Sự kết nối cơ khí Bộ điều khiển Hệ thống được điều khiển Hình 1.7. Cụm cơ cấu chấp hành cơ bản Thông thường, các actuator cùng chung nguồn năng lượng và phần kết nối cơ khí như . Đơn vị năng lượng cung cấp hoặc nguồn AC hoặc nguồn DC. Phần kết nối cơ khí hoạt động như là một giao diện giữa actuator và hệ thống vật lý. Phần cơ khí điển hình gồm có thanh răng và bánh răng, truyền động bánh răng, truyền động đai, vít me đai ốc, piston, linkage. 1.2.2.3. Hệ thống xử lý thông tin Hệ thống xử lý thông tin với vai trò như "bộ não" của hệ thống cơ điện tử bao gồm các máy tính, trung tâm xử lý, phần mềm. . . Hệ thống xử lý thông tin nhận thông tin ban đầu từ người điều khiển (hoặc lập trình) kết hợp với thông tin nhận được từ hệ thống sensor để xử lý, phân tích đưa ra quyết định đến hệ thống actuator. Bộ nhớ mã lệnh Bộ nhớ dữ liệu Bộ phát xung đồng hồ CPU Mạch điện tử ngoại vi Hình 1.8. Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển Hệ thống xử lý thông tin đơn giản nhất là một bộ vi điều khiển (Hình 1.7) với bộ xử lý trung tâm CPU, các bộ nhớ mã lệnh và dữ liệu, mạch điện tử kết nối ngoại vi. Hệ thống xử lý thông tin còn có thể là một bộ vi xử lý (Hình 1.8) với các thành phần: Xử lý trung tâm: Gồm các phần, đơn vị điều khiển: tạo các tín hiệu điều khiển để sắp đặt các hoạt động trong đường dẫn dữ liệu, đường dẫn dữ liệu: gồm có đơn vị số học chính xác và đơn vị thực thi logic được yêu cầu để thực thi lệnh. Đơn vị logic số học Điều khiển Đầu ra (Output) Đầu vào (Input) Bộ nhớ Hình 1.9. Sơ đồ khối của bộ vi xử lý Hệ thống nhớ là kho chứa thông tin của bộ vi xử lý. Đơn vị xử lý lấy thông tin lưu trữ trong bộ nhớ, xử lý thông tin, và trả lại thông tin mới vào bộ nhớ. Hệ thống nhớ gồm có: • Bộ nhớ cache là bộ nhớ tốc độ nhanh, nhỏ dùng công nghệ bán dẫn SRAM, đặt gần bộ xử lý nhất trong phân cấp của hệ thống bộ nhớ. • Đơn vị quản lý bộ nhớ (MMU) với vùng nhớ đệm (TLB). • Bộ điều khiển của bộ nhớ. Hệ thống vào ra là hệ thống truyền dữ liệu giữa các thành phần bên trong (CPU, bộ nhớ chính) với các thiết bị bên ngoài (đĩa, thiết bị cuối, máy in, bàn phím, scanner, . . .). Hệ thống vào ra có bộ điều khiển ngoại vi và bộ điều khiển truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA controller). Phần kết nối hệ thống là các phương tiện cho phép các thành phần trong hệ thống máy tính giao tiếp với các hệ thống khác. 1.2.2.4. Hệ thống cơ khí và biến đổi năng lượng Các hệ thống cơ khí là các hệ thống vật lý trực tiếp thực hiện các nhiệm vụ của hệ thống cơ điện tử. Các hệ thống biến đổi năng lượng làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác để phù hợp với mục đích sử dụng. 1.2.2.5. Các hệ thống khác • Bộ biến đổi tương tự - số (ADC): Biến đổi tín hiệu dạng tương tự ở đầu vào đổi thành tín hiệu dạng số ở đầu ra. • Bộ biến đổi số - tương tự (DAC): Biến đổi tín hiệu dạng số ở đầu vào thành tin hiệu dạng tương tự ở đầu ra. • Hệ thống hiển thị: Là hệ thống kết nối thông tin giữa các phần trong hệ thống cũng như với các hệ thống khác. Hệ thống hiển thị: Làm giao diện giữa hệ thống và người sử dụng, có chức năng hiển thị, thông báo các thông tin cần thiết cho người dùng. • Hệ thống cung ứng năng lượng: Làm nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho các thành phần của hệ thống cơ điện tử. 1.2.3. Cấu trúc chung của hệ thống cơ điện tử Cấu trúc tổng quát của hệ thống cơ điện tử có thể được thấy như trên (Hình 1.9) với những mô tả về các thành phần và sự vận động của chúng. Xuyên suốt hệ thống cơ điện tử chính là dòng năng lượng (Energy flow). Nó chạy xuyên suốt các hệ thống cơ khí, điện, các phần thông tin, điện tử số . . . thu thập các thông tin dữ liệu của các phần làm thông tin dữ liệu trao đối với các thành phần khác trong hệ thống. Dòng năng lượng này đầu tiên đi sâu vào trong máy, nó có thể được dùng trực tiếp cho bộ phận tiêu thụ năng lượng hoặc được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng, cơ năng (thế năng, động năng, thuỷ lực, khí nén), hoá năng hay nhiệt năng. Với mỗi máy được đặc trưng bởi một dòng năng lượng như vậy, có thể là liên tục hoặc lặp lại hay có thể là gián đoạn (như phần tử cơ khí hay thiết bị cơ khí theo chu kỳ). Dòng năng lượng thu thập thông tin trạng thái của quá trình cơ khí (dòng tốc độ, khối lượng hay thể tích), các đại lượng như lực, áp suất, nhiệt độ hay điện áp. Và một số đại lượng đo là đầu vào cho dòng thông tin nhờ điện tử số được kết quả là đại lượng điều chỉnh cho cơ cấu điều khiển hoặc đại lượng giám sát phục vụ hiển thị. Điều khiển Xử lý thông tin Cụm cơ khí và biến đổi năng lượng Cung ứng năng lượng phụ Cơ cấu điều khiển (Acutuator) Cảm biến (Sensor) Cung ứng năng lượng Cung ứng năng lượng Dòng thông tin Dòng năng lượng Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống cơ điện tử Việc thêm và tích hợp dòng thông tin phản hồi tới dòng năng lượng sơ cấp trong hệ thống cơ khí cơ bản là một tính chất của nhiều hệ cơ điện tử. Hệ thống cơ điện tử có thể được thấy ở một số dạng như: hệ thống cơ điện tử, cơ cấu cơ điện tử, phương tiện giao thông cơ điện tử, cơ điện tử chính xác và các hệ thống vi cơ điện tử (micro mechatronics). Điều đó chỉ ra rằng việc tích hợp cơ khí với điện tử sẽ cho ra nhiều lớp khác nhau của các hệ thống công nghệ. Trong một số trường hợp, phần cơ khí trong hệ thống được tích hợp với phần điện, nhiệt, nhiệt động, hoá học hay phần xử lý thông tin. Việc hiểu như thế này chỉ đúng với cụm biến đổi năng lượng khác đã xuất hiện. Theo đó cơ điện tử theo nghĩa rộng hơn bao gồm hệ thống cơ khí và hệ thống xử lý không phải cơ khí (non-mechanical processes). Tuy nhiên phần cơ khí là trội hơn trong hệ thống. Dòng năng lượng phụ được đòi hỏi trong các hệ thống này để bổ sung những chức năng thiếu hụt trong các hệ thống cơ khí thụ động truyền thống. Cũng chính vì vậy mà các hệ thống này còn được gọi là các hệ thống cơ khí tích cực (active mechanical systems). 1.3. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao nói chung và trong công nghệ ôtô hiện đại nói riêng. 1.3.1. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao. Các hệ thống truyền động trên được ứng dụng rộng rãi trong các máy công cụ cắt gọt kim loại, các trung tâm gia công và trạm công nghệ khác trong hệ thống tự động linh hoạt (FMS = Flexible Manufacturing System) hoặc trong hệ thống gia công điều khiển bằng mạng vi tính kết nối (CIM = Computer Intergrated Manufacturing). Và cũng được ứng dụng trong các hệ thống robot của mọi lĩnh vực công nghệ và dịch vụ với năng lực cao hơn và trí tuệ hơn. Mở rộng phạm vi ứng dụng của robot, tăng cường khả năng chọn lọc chương trình và sử dụng trí tuệ nhân tạo là các hướng nghiên cứu các ứng dụng điển hình trên lĩnh vực robot.. Hướng ứng dụng có ý nghĩa vô cùng to lớn và đưa các hệ thống cơ điện tử vào các sản phẩm dân dụng và gia dụng: máy ảnh, vi deo - camera, tủ lạnh, ti vi, điều hoà... Các ứng dụng trong hệ thống vi cơ điện tử: chế tạo những bộ phận thuộc phần cứng của các hệ máy tính như: đĩa cứng, Ổ nhớ ngoại vi (USB), các phần tử điều khiển đọc, nhớ xử lý và xuất tín hiệu điều khiển của các hệ máy tính. Từ những năm 1960 các mạch điện tử được cải thiện một cách rõ rệt cả về hiệu năng, về chức năng và độ ổn định khi tích hợp các vi bóng bán dẫn trên một chíp. Điều này đảm bảo cho việc hạ giá thành sản phẩm, tăng công suất sản xuất và đó cũng chính là kết quả của cuộc cách mạng thông tin. Gần đây, các nhà khoa học nhận thấy không chỉ có các thiết bị điện, điện tử, mà cả thiết bị cơ khí cũng có thể giảm kích thước và sản xuất hàng loạt, hứa hẹn các khoản lợi nhuận như đã từng thấy đối với công nghệ mạng tích hợp. Trong đó điện tử có vai trò như bộ não cho các hệ thống cảm biến, các bộ tiến hành giống như tai, mắt, chân, tay cho phép trao đổi thông tin với thế giới bên ngoài. Điều này được thể hiện rõ trong một số ví dụ sau: Ví dụ 1: Đặc tính cơ điện tử trong điều khiển chạy dao của máy công cụ Hình 1.11. Cơ điện tử trong điều khiển chạy dao của máy công cụ CNC Ví dụ 2: Robot bám tường: Sáu bánh xe có thể bám dính trên tường và trần. Nó có thể vận hành tự động hoặc điều khiển từ xa. Bên cạnh đó nó cũng có thể truyền dữ liệu hình ảnh thông qua Bluetooth. Các robot này có thể dễ dàng điều khiển thông qua joystick, có thể chuyển động theo chương trình đã lập sẵn. Ngoài ra nó có thể hoạt động tự động dựa trên hệ thống điều khiển thông mình và một loạt cảm biến hổ trợ. Truyền dữ liệu hình ảnh qua Bluetooth. Ví dụ 3: Robot HRP-3 Promet Mk-II: Người công nhân lý tưởng. Một công ty Nhật đang góp phần tạo ra mẫu người công nhân “ lý tưởng”: làm việc không biết mệt trong trời mưa tầm tã, dưới nắng gắt chói chang, trên mặt đường lồi lõm hay sàn nhà trơn trợt. Người công nhân lý tưởng đó chính là robot hình người HRP-3 Promet Mk-II cao 1,6 mét, nặng 68 kg – một sản phẩm robot thế hệ mới của công ty Kawada Industries. Trong buổi ra mắt báo giới ngày 20/6/2008, HRP-3 Promet Mk-II đã di chuyển thoải mái trên một mặt sân trơn trợt, đầy cát và đi vào phòng tắm.  Hình 1.12. Robot HRP-3 Promet Mk-II đang đi giống y như người. Ví dụ 4: Mẫu robot Asendro đầu tiên do công ty Robotwatch ở Berlin chế tạo chỉ nặng 40kg, robot nhẹ cân này trông giống một chiếc xe tăng đồ chơi. Với cánh tay của mình, thiết bị này có thể mở các cánh cửa và sử dụng cặp mắt video của mình để do thám và điều tra các vị trí nguy hiểm mà con người không tiếp cận được. Hình 1.13. Mẫu robot “Asendro” – một thế hệ robot bảo vệ mới nhất Ví dụ 5: Robot sử dụng trong Y học. Không yêu cầu bất cứ sự liên kết bên ngoài hay liên kết với các thiết bị khác, robot này vẫn có thể di chuyển bên trong những ống có đường kính nhỏ. Robot có kích thước 1mm chiều rộng và 4mm chiều dài, sử dụng năng lượng từ trường từ bên ngoài. Robot này có khả năng bò trên vách bên trong của các mạch máu bằng những cánh tay siêu nhỏ. Nó có thể chịu được áp suất và dòng chảy của máu trong mạch máu để di chuyển đến tĩnh mạch và động mạch theo yêu cầu. Trong giai đoạn hiện nay, các ứng dụng của robot này chỉ có thể sử dụng trong điều trị ung thư tuyến tiền liệt hoặc ung thư trên các bộ phận ở đầu và cổ. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu hy vọng rằng robot này có thể trợ giúp quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh cho con người. Các công nghệ hiện nay cho phép các bác sĩ đưa vào cơ thể người những vật rất nhỏ, mang theo thuốc, camera và các thiết bị khác. Với robot này, các bác sĩ có thể khám các bộ phận của cơ thể người một cách dễ dàng so với phương pháp nội soi hiện nay do nó có thể đi vào cơ thể con người thông qua các mạch máu, xương sống và các bộ phận khác tùy theo yêu cầu của bác sĩ. 1.3.2. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ ôtô hiện đại Một ứng dụng cũng rất lớn hiện nay đó là ứng dụng các hệ thống cơ điện tử trong ngành ôtô. Các hệ thống cơ điện tử chiếm tỷ trọng ngày càng nhiều trong cơ cấu giá thành ôtô (khoảng 16 đến 35% tuỳ theo mức ứng dụng các hệ thống cơ điện tử). Từ các hệ thống kỹ thuật như hệ thống phun xăng điện tử, phanh tự động chống bó, hệ thống an toàn cho người lái xe. . . đến các hệ thống ổn định, cân bằng toàn thân xe cũng như các hệ thống thông tin dẫn đường hệ thống trợ lái tự động . . . các hệ thống cơ điện tử làm cho công nghệ ôtô bước sang một thời kỳ phát triển mới đầy triển vọng và ngược lại, công nghiệp chế tạo ôtô cũng làm cho công nghệ cơ điện tử có một sân chơi rộng hơn, lớn hơn, thúc đẩy nó phát triển ngày càng đa dạng và nhanh chóng hơn. Các hãng xe trong một nỗ lực khác tham gia thị trường xe ôtô, Microsoft cho biết họ sẽ cùng Siemens đưa ra sản phẩm đầu tiên dựa trên phần mềm Microsoft vào năm 2009. Việc hợp tác này nhằm giúp người dùng dễ dàng hơn trong việc kết nối các thiết bị như ĐTDĐ và máy nghe nhạc trên ôtô. Thống kê các vụ tai nạn trên đường cao tốc cho thấy một trong những nguyên nhân tai nạn gây ra liên quan đến việc chuyển làn đường. Tai nạn thường do lái xe chuyển làn đường mà không báo trước bằng đèn xi-nhan cho những xe ở làn đường bên cạnh hoặc do vô ý (lái xe ngủ gật hoặc thao tác không chính xác) mà chiếc xe tự chuyển sang làn đường khác. Dạng tai nạn này trên cao tốc khá phổ biến và gây hậu quả dây chuyền. Các nhà sản xuất xe hơi đã cố gắng nghiên cứu nhưng do những hạn chế về công nghệ nên mãi cho tới gần đây LDW mới có mặt trên một vài mẫu xe cao cấp của Nissan, Lexus, BMW, Mercedes-Benz, Audi… Về mặt chức năng, LDW là một cơ cấu được thiết kế để cảnh báo cho lái xe khi họ bắt đầu đi ra khỏi làn đường không chủ đích (không sử dụng đèn xi-nhan để xin đường). Infinti giới thiệu hệ thống LDW mới, có bổ sung thêm chức năng ngăn ngừa chuyển làn LDP (Lane Departure Prevention) trên các mẫu xe cho năm 2008 như Infiniti EX35 và M45. Ngo._., thân xe đi lên (vs > 0) và thân xe chuyển động lại gần bánh xe hơn (vsu < 0 ). Tương tự lực của giảm chấn Skyhook ở (Hình 3.9a) và lực của giảm chấn bán chủ động ở (Hình 3.9b) không thể tác động cùng chiều. Do đó lực giảm chấn cũng được đặt ở mức thấp nhất. Từ đó có thể đưa ra công thức tổng quát của điều khiển Skyhook. vs. vsu ≥ 0 =>Fsa =bsky . vs (3.6) vs. vsu Fsa =0 vs : vận tốc tuyệt đối của vật mang lò xo vsu : vận tốc tương đối của thân xe so với bánh xe Fsa : Lực giảm chấn bán chủ động bsky : Hệ số giảm chấn Skyhook Trên thực tế, một thiết bị giảm chấn chỉ có một giới hạn nhất định về mức độ thay đổi hệ số giảm chấn. Giả sử giảm chấn thay đổi trong hệ thống có thể điều chỉnh được hệ số giảm chấn một cách liên tục trong khoảng 0 ≤ bsa ≤ bmax (3.7) Khi thêm điều kiện (3.7), hệ số giảm chấn bán chủ động trong điều khiển Skyhook được xác định bởi bsa = 0 nếu vs. vsu ≤ 0 nếu 0 < ≤ bmax (3.8) bsa = bmax nếu > bmax 3.3.3. Điều khiển Groundhook Ý tưởng của kiểu điều khiển Groundhook được trình bày như (Hình 3.10a), giả thiết có thể nối phần không có lò xo (bánh xe và trục) với một giảm chấn bg gắn với mặt đất (ground) bằng một chiếc móc (hook), ta sẽ gọi nó là giảm chấn Groundhook. Tương tự như hệ thống Skyhook, cấu trúc thực tế của nó được triển khai như (Hình 3.10a) bằng cách thêm vào hệ thống các cảm biến. Hình 3.10. Điều khiển Groundhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) Phân tích các trường hợp tương tự như đối với hệ thống Skyhook, có thể đưa ra công thức tổng quát của điều khiển Groundhook. vu. vus > 0 =>Fsa = bgnd . vu vu. vus Fsa = 0 vu : vận tốc tuyệt đổi của phần không mang lò xo bgnd : hệ số giảm chấn Groundhook vus : vận tốc tương đổi của bánh xe so với thân xe Fsa : Lực giảm chấn bán chủ động Khi thêm điều kiện (3.7), hệ số giảm chấn ban chủ động trong điều khiển Groundhook được xác định bởi bsa= 0 nếu vu. vus ≤ 0 nếu 0 bmax 3.4. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động 3.4.1. Hệ thống giảm xóc bị động Một hệ thống giảm xóc bị động được cho như (hình 3.11) Hình 3.11. Hệ thống giảm xóc bị động Động năng của hệ : T= ms + mu Thế năng của hệ : = ks( zs- zu)2 + ku( zu- zr)2 Hàm hao tán của hệ: = bs( - )2 Thế các biểu thức động năng, thế năng và hàm hao tán trên vào phương trình Lagrang loại hai: () - = - - Ta được hệ phương trình vi phân dao động của hệ: ms+ bs(- ) + ks( zs- zu) = 0 mu- bs(- )- ks( zs- zu) + kt(zu- zr) = 0 Hệ phương trình trên có thể viết dưới dạng: + + =zr (3.11) Hay: M+ B+ Kz = F (3.12) Với M = , K = , B = , F = Phương trình trên là phương trình vi phân của hệ dưới dạng ma trận 3.4.2. Dao động của hệ thống với kích động điều hoà Với giả thiết kích động zr là điều hoà, tức là có thể viết dưới dạng một hàm sin: zr= h0sin, với v0 là vận tốc không đổi của xe, mặt đường có biên dạng hình sin với biên độ h0, bước sóng L như (hình 3.12). Hình 3.12. Hệ thống bị động với kích động điều hòa Trước hết ta biến đổi hệ phương trình vi phân cấp 2 thành hệ phương trình vi phân cấp 1 bằng cách đổi biến: y1(t)= z(t), y2(t)= (t) Do đó: Hệ phương trình trên có thể được viết dưới dạng: = Ay + h Trong đó: y= ; A = ; O= ; E= ; h= Việc giải một phương trình vi phân cấp 1 được hỗ trỡ của chương trình MATLAB với hàm ode45. Sau đây là phương pháp tìm dao động của hệ thống với sự trợ giúp của MATLAB. Nếu giả thuyết ban đầu hệ đứng yên và với các thông số để tính toán: Ks= 16000(N/m), bs= 1000(Ns/m), kt= 160000(N/m), ms=250(kg), mu= 45(kg). Chương trình với MATLAB: Khảo sát dao động của hệ với: v0= 10(m/s), h0= 0,1(m), L= 2(m). Do đó: zr= 0,1sin(10pt) Khai báo hệ phương trình vi phân: Function v= dsys7(t,y) M = diag([ 250,45]); C= [ 16000, -16000, -16000, 16000 + 16000]; B = [ 1000 -1000; -1000 1000] f = [0; 0.1*sin(2*3.14*5*t)]; h = [ 0; 0; inv(M)*f] ; A= [ zeros(2) eye(2) ; -inv(M)*C;- inv(M)*B]; v = A*y+ h; Chương trình chính: Clear all; y0 = [ 0; 0; 0; 0]; ts= [0 1]; [t, y] = ode45( ‘ dsys7’ , ts, y0); figure; plot(t, y(:, 1), t, y(:,2)); label( ‘t[s] ’); legend( ‘ms’ , ‘mu’); grid on Hình 3.13. Các dao động của thân xe và bánh xe theo thời gian 3.5. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bán chủ động 3.5.1 Mô hình hê thống giảm xóc bán chủ động Mô hình một phần tư ô tô của hệ thống giảm xóc chủ động được cho như (hình. 3.14), với việc thay thế giảm chấn thông thường ở hệ thống bằng một giảm chấn biến đổi bsemi. Hình 3.14. Hệ thống giảm xóc bán chủ động Giảm chấn biến đổi bsemi có thể thay đổi trong một giới hạn : 0£ bsemi£ bmax (3.13) Phương trình vi phân dao động của hệ có dạng Tương tự trong trường hợp hệ thống bị động, dựa vào phương trình Lagrange, ta đưa ra được phương trình vi phân của hệ: ms+ bsa(- ) + ks( zs- zu) = 0 mu- bsa(- ) - ks( zs- zu) + kt(zu- zr) = 0 (3.14) Trong đó hệ số bsa được xác định bởi quy luật điều khiển bán chủ động, Skyhook, Groundhook, điều khiển lai, điều khiển mờ hoặc các quy luật điều khiển tối ưu. Trong luận văn này xét đến hai trường hợp là điều khiển Skyhook và Groundhook. Các mục tiếp theo sẽ trình bày hệ thống Skyhook và Groundhook, với các giả thiết các kích động zr là điều hoà tức là có thể viết dưới dạng một hàm sin: Zr= h0sint, trong đó v0 là tốc độ không đổi của xe, mặt đường có biên dạng hình sin với biên độ h0, bước sóng L như (hình 3.12). 3.5.2 Hệ thống Skyhook Thế (3.4) vào phương trình (3.14) ta được phương trình vi phân dao động của hệ thống giảm xóc bán chủ động Skyhook. ms+ bsky+ ks( zs - zu) = 0 mu- bsky- ks( zs - zu) + kt(zu - zr) = 0 (3.15) Hệ trên có thể viết dưới dạng ma trận + + =zt (3.16) Hay M+ B+ Kz = F (3.17) Trong đó M= , K=, B= , F= Tương tự trường hợp bị động ta biến đổi hệ phương trình vi phân cấp 2 thành hệ phương trình vi phân cấp 1 bằng cách đổi biến: y1(t)= z(t); y2(t)=(t) Do đó: Hệ phương trình trên có thể được viết dưới dạng: = A+ h Trong đó Y=; A=; O = ; E = ; h= Với các thông số như trên, ta có chương trình Matlab Chương trình Matlab: Khảo sát dao động của hệ với: v0 = 10(m/s), h0 = 0,1(m), L = 2(m), bsky = 4000. Do đó: zr = 0,1sin(10πt) Khai báo hệ phương trình vi phân: Function v = dsys2(t,y) M = diag([ 250,45]); C= [ 16000, -16000, -16000, 160000 + 16000]; B = [ 4000 0; -4000 0] f = [0; 0.1*sin(2*3.14*5*t)]; h = [0; 0; inv(M)*f] ; A= [zeros(2) eye(2) ; -inv(M)*C -inv(M)*B]; v = A*y+ h; Chương trình chính: Clear all; y0 = [ 0; 0; 0; 0]; ts= [0 1]; [t, y] = ode45( ‘ dsys2’ , ts, y0); figure; plot(t, y(:, 1), t, y(:,2)); xlabel( ‘t[s] ’); legend( ‘ms’ , ‘mu’); grid on Đồ thị (hình 3.15) cho thấy tác dụng hạn chế dao động của giảm chấn Skyhook đối với thân xe. Dao động của thân xe đã được giảm đáng kể, nhưng dao động của bánh xe thì vẫn còn lớn. Chính vì vậy điều khiển Skyhook có thể đảm bảo được yêu cầu về sự tiện lợi, thoải mái nhưng chưa đáp ứng được yêu cầu an toàn Hình 3.15. Dao động thân xe và bánh xe của hệ thống Skyhook 3.5.3. Hệ thống Groundhook Tương tự với điều khiển Skyhook, ta đưa ra được phương trình vi phân dao động của hệ thống giảm xóc sử dụng điều khiển Groundhook ms+ bgnd+ ks( zs - zu) = 0 mu- bgnd- ks( zs - zu) + kt(zu - zr) = 0 3.18) Hệ trên có thể viết dưới dạng ma trận: + + =zr 3.19) Trong đó M= , K=, B= , F= Tương tự hai trường hợp bị động và Skyhook ta biến đổi hệ phương trình vi phân cấp 2 thành hệ phương trình vi phân cấp 1 bằng cách đổi biến: y1(t)= z(t); y2(t)=(t) Do đó: Hệ phương trình trên có thể được viết dưới dạng: Trong đó Y=; A=; O = ; E = ; h= Với các thông số trên ta có phương trình MATLAB: Khảo sát dao động của hệ với: v0 = 10(m/s), h0 = 0,1(m), L = 2(m), bgnd = 4000. Do đó: zr = 0,1sin(10πt) Khai báo hệ phương trình vi phân: Function v = dsys3(t,y) M = diag([ 250,45]); C= [ 16000, -16000, -16000, 160000 + 16000]; B = [ 0 -4000; 0 4000] f = [0; 0.1*sin(2*3.14*5*t)]; h = [0; 0; inv(M)*f] ; A= [zeros(2) eye(2) ; -inv(M)*C; -inv(M)*B]; v = A*y+ h; Chương trình chính: Clear all; y0 = [ 0; 0; 0; 0]; ts= [0 1]; [t, y] = ode45( ‘ dsys3’ , ts, y0); figure; plot(t, y(:, 1), t, y(:,2)); xlabel( ‘t[s] ’); legend( ‘than xe’ , ‘banh xe’); grid on Trái nược với hệ thống điều khiển Skyhook, hệ thống Groundhook giảm được dao động của bánh xe (độ bám mặt đường tăng lên) nhưng lại không cải thiện được dao động của thân xe (hình.3.16). Do đó hệ thống Groundhook có thể đảm bảo yêu cầu an toàn nhưng lại không đáp ứng được yêu cầu về sự tiện lợi, thoải mái cho người ngồi trên xe. Hình 3.16. Dao động của thân xe và bánh xe của hệ thống Groundhook Tóm lại cả hệ thống Groundhook và Skyhook đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong thiết kế người ta có thể khắc phục những nhược điểm bằng các giải pháp kỹ thuật. Tuy nhiên cũng có một ý tưởng kết hợp cả hai điều khiển Groundhook và Skyhook sẽ đáp ứng được cả hai yêu cầu an toàn và tiện nghi đó là điều khiển lai. Để lựa chọn hệ thống điều khiển cho giảm xóc, tùy trong những trường hợp cụ thể mà người ta chọn một phương pháp thích hợp, Skyhook cho sự tiện nghi hay Groundhook cho chất lượng an toàn. Kết luận chương 3 Trong chương đã thiết lập các mô hình hệ thống cho bài toán dao động và cân bằng dao động trên ôtô, cụ thể. - Mô hình hệ thống giảm xóc của xe ôtô nêu rõ các chức năng cơ bản của một hệ thống giảm xóc, đưa ra được các mô hình giao động của ôtô gồm các phần: mô hình bốn bánh, mô hình một nửa ôtô, mô hình một phần tư ôtô. - Cấu tạo tổng thể từng phần hệ thống giảm xóc tự động nó ứng dụng nguyên lý điều khiển Skyhook, Groudhook trong hệ thống như thế nào. - Nêu các đặc điểm và ứng dụng của hệ thống giảm xóc bán chủ động, các phương pháp điều khiển như: điều khiển Skyhook liên tục, điều khiển Groundhook liên tục, phương pháp điều khiển lai (giữa Skyhook và Groundhook), Phương pháp điều khiển mờ, các phương pháp điều khiển tối ưu. Trong luân văn chỉ nghiên cứu sâu về điều khiển Skyhook và Groundhook. - Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc bị động, dao động của hệ thống với kích động điều hoà có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định. - Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bán chủ động, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc bán chủ động, các bài toán hệ thống Skyhook, hệ thống Groundhook có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định. Chương 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIẢM XÓC BÁN CHỦ ĐỘNG 4.1. Thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động Các phân tích từ các chương trên cho thấy các dao động không mong muốn của xe ôtô sẽ là nguyên nhân gây ra các hậu quả nghiêm trọng, từ sự khó chịu và bất tiện cho người ngồi trên xe cho đến những rạn nứt trong kết cấu xe có thể dẫn đến các tai nạn thảm khốc. Do sự biến đổi phức tạp của các nguyên nhân gây dao động, để đạt được mục đích cân bằng cần phải tự động điều khiển hoạt động của hệ thống giảm xóc. Đó chính là nguyên nhân ra đời của hệ thống giảm xóc tự động. Hệ thống giảm xóc tự động nói chung và hệ thống giảm xóc bán chủ động nói riêng đã được chú trọng phát triển trong hơn ba thập kỷ gần đây đã thu được nhiều thành tựu. Một hệ thống giảm xóc bán chủ động hiện đại có sự hiện diện của nhiều công nghệ và thành tự khoa học mới, như vật liệu thông minh, bán dẫn và lý thuyết điều khiển. Các hệ thống đó có thể khác nhau một vài điểm ở các hãng sản xuất ôtô khác nhau, nhưng nó vẫn mang những kết cấu chung nhất định. Ngoài các thành phần là lò xo và giảm chấn thông thường đã được trình bày trong các chương trước, sau đây sẽ xét đến các thành phần đặc trưng của một hệ thống giảm xóc bán chủ động. 4.1.1. Cảm biến Để xác định các cảm biến cần thiết cho hệ thống giảm xóc bán chủ động, cần thiết phải dựa trên các công thức và sơ đồ điều khiển của hệ thống đã đạt được từ chương 3. Do hệ thống bán chủ động Skyhook hay Groundhook có phản hồi vận tốc, nên phải có các thiết bị đo vận tốc trực tiếp hoặc gián tiếp. Việc đo trực tiếp vận tốc của thân xe cũng như vận tốc tương đối trên thực tế rất khó thực hiện, do đó người ta thường dùng các cảm biến gia tốc, sau đó sẽ tích phân để có được gia tốc. Cảm biến gia tốc là một loại cảm biến dùng để đo gia tốc, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như các ứng dụng thương mại ôtô, tàu biển, dụng cụ thể thao, ứng dụng công nghiệp rô bốt v...v. Một trong các loại cảm biến gia tốc thường được sử dụng cho nhiều hệ thống giảm xóc bán chủ động đó là Texas Instruments Capacitive Acceleration Sensor (CAS). Được thiết kế cho các ứng dụng ôtô, CAS là một cảm biến thích hợp và mạnh cho hệ thống giảm xóc bán chủ động. Hình 4.1. Cảm biến gia tốc TI CAS Để đo được vận tốc tuyệt đối của phần gắn lò xo (thân xe) và vận tốc tương đối của phần gắn lò xo cùng với phần không gắn lò xo (trục và bánh xe) theo phương thẳng đứng, một cảm biến gia tốc được đặt tại thân xe và một cảm biến gia tốc sẽ được truyền vào bộ điều khiển, tích phân theo tín hiệu số hoặc tương tự đạt được vận tốc. 4.1.2. Giảm chấn biến đổi Một giảm chấn thông thường với các đặc tính hay các thông số kỹ thuật không thể thay đổi. Các thông số đó của giảm chấn được nhà sản xuất xác định thông qua mô phỏng hoặc thí nghiệm để phù hợp với một điều kiện nhất định về tình trạng xe và mặt đường. Trên thực tế, các yếu tố đó luôn thay đổi, cùng với mâu thuẫn giữa điều kiện tiện lợi, thoải mái (Comfort) và điều kiện an toàn (Safety), nên thật khó khăn để chọn các thông số của giảm chấn để đáp ứng đầy đủ được tất cả các yêu cầu. Giải pháp cho vấn đề này đó là giảm chấn biến đổi. Giảm chấn biến đổi (variable damper) là một giảm chấn có thể thay đổi được hệ sổ giảm chấn, từ đó có thể thay đổi lực tác dụng vào các thành phần trong cơ hệ nhằm cân bằng dao động của chúng. Có nhiều loại giảm chấn thay đổi dựa trên những nguyên lý khác nhau, như giảm chấn van thay đổi, giảm chấn điện biến (ER) và giảm chấn từ biến (MR). Trong khi giảm chấn van thay đổi là một thiết kế mang tính truyền thống, thì giảm chấn điện biến và giảm chấn từ biến là những ứng dụng của các loại vật liệu thông minh mà cụ thể trong trường hợp này là chất lỏng điện biến và chất lỏng từ biến. 4.1.2.1. Giảm chấn van thay đổi Hình 4.2 mô tả một giảm chấn dầu bao gồm 2 xy lanh nối liền nhau, hệ số giảm chấn có thể thay đổi bằng cách thay đổi độ mở của van điều chỉnh. Độ mở của van tiếp tục sẽ được điều khiển bằng tín hiệu, điện tử. Độ mở lớn tương ứng với khả năng giảm chấn nhỏ và độ mở nhỏ tương ứng với khả năng giảm chấn lớn. Giảm chấn van điều chỉnh hoạt động như một cơ cấu chấp hành trong hệ thống giảm chấn bán chủ động, độ mở của van được xác định trong thời gian thực theo các qui luật điều khiển có hồi tiếp. Vỳ vậy hệ số giảm chấn hay khả năng giảm chấn sẽ biến đổi theo thời gian phù hợp với tình trạng xe và điều kiện mặt đường. Van điều chỉnh Piston Tín hiệu điều khiển Xy lanh Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn van điều khiển Hướng di động 4.1.2.2. Giảm chấn từ biến Thay vì sử dụng dầu như những giảm chấn thông thường, giảm chấn từ biến sử dụng một loại chất lỏng mới là chất lỏng từ biến. Chất lỏng từ biến (MR) là chất lỏng có sự thay đổi đặc tính (độ đàn hồi, độ dẻo và độ nhớt) khi có sự biến đổi từ trường bên ngoài nó. Hình 4.3. Tính chất của chất lỏng từ biến Hình 4.3 cho thấy tính chất đặc biệt đó của chất lỏng từ biến, khi có một từ trường tác dụng bên ngoài nó, các phân tử đang từ trạng thái sắp xếp hỗn độn biến thành trạng thái sắp xếp phân dòng theo hướng của từ trường. Khi từ trường mất đi, chúng lại trở lại tình trạng bình thường mà không bị từ hóa. Một loại chất lỏng khác có cùng dạng tính chất với chất lỏng từ biến là chất lỏng điện biến, tính chất của nó thay đổi khi thay đổi điện trường bao quanh nó. Tuy nhiên, có một số hạn chế của chất lỏng điện biến, như sự biến đổi nhỏ và sự thay đổi thuộc tính vì nhiệt độ lớn. Bên cạnh đó, chất lỏng điện biến cần một hiệu điện thế cao và cường độ dòng điện cực thấp trong khi chất lỏng từ biến chỉ yêu cầu một hiệu điện thế và cường độ dòng điện thấp tuy sử dụng cùng một mức năng lượng. Vì vậy, chất lỏng từ biến được ứng dụng nhiều hơn chất lỏng điện biến trong các ứng dụng vật liệu thông minh. Dây nguồn nam châm Hình. 4.4. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn MR Cấu trúc của một giảm chấn từ biến được đưa ra như Hình 4.4. Cũng giống như những giảm chấn bình thường, nó có dạng piston, xy lanh, trên piston có các lỗ xuyên qua. Tuy nhiên điểm khác biệt là trên piston có gắn các cuộn dây đóng vai trò như các nam châm điện, bên trong xy lanh chứa chất lỏng từ biến thay vì dầu. Trên piston, tùy theo từ trường đặt trên piston, lực giảm chấn sinh ra sẽ là khác nhau do sự thay đổi tính chất của chất lỏng chảy xuyên qua piston vào từ trường, dẫn đến áp lực chất lỏng thay đổi. Do đó, lực giảm chấn có thể điều khiển bằng cách thay đổi điện thế đặt vào cuộn dây. Mới đây, hãng Delphi, một tập đoàn hàng đầu về các thiết bị của ôtô đã giới thiệu hệ thống giảm chấn MagneRide sử dụng công nghệ chất lỏng từ biến. Là một dòng sản phẩm cao cấp về hệ thống giảm chấn bán chủ động, nó có khả năng đáp ứng thời gian thực đối với tình trạng thái xe và điều kiện mặt đường. Hình. 4.5. Giảm chấn Delphi MagneRide của hãng Delphi 4.2. Cấu trúc và hoạt động của hệ thống giảm xóc bán chủ động 4.2.1. Cấu trúc của hệ thống Là một hệ thống cơ điện tử, hệ thống giảm xóc bán chủ động có các thành phần của hệ thống cơ điện tử đặc trưng như đã phân tích ở chương 1. Nó bao gồm khối điều khiển xử lý thông tin là bộ điều khiển, khối cơ cấu chấp hành là các giảm chấn, khối cảm biến đo lường có cảm biến gia tốc, cụm cơ khí và biến đổi năng lượng là hệ thống giảm xóc. Hình 4.6. Các thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động 4.2.2. Hoạt động của hệ thống Xét trên một bánh, hệ thống giảm xóc bán chủ động được mô tả như hình 4.7. Các tín hiệu về gia tốc từ cảm biến sau khi được biến đổi sang tín hiệu số qua bộ biến đổi tương tự/số ADC sẽ truyền vào vi điều khiển. Trong vi điều khiển đã được cài sẵn phần mềm (mã) trong bộ nhớ, phần mềm này là một thuật toán xử lý các thông tin nhằm tính toán một hệ số giảm chấn thích hợp. Quá trình thực hiện được vi điều khiển đảm nhận và sau đó truyền tín hiệu điều khiển nhằm thiết đặt hệ số giảm chấn thích hợp đến bộ giảm chấn. Trên toàn bộ xe, bộ điều khiển về gia tốc trên cả bốn bánh, sau đó thực hiện phân tích trạng thái động lực học của xe rồi đưa ra tín hiệu điều khiển trên cả bốn bánh một cách thống nhất. Hình 4.7. Sơ đồ hệ thống giảm xóc bán chủ động Hệ thống giảm xóc bán chủ động được trình bày trong luận văn này là một cấu trúc chung về hệ thống giảm xóc bán chủ động Skyhook hoặc Groundhook. Nó có thể phức tạp hơn khi áp dụng vào thực tế khi thêm các cảm biến đo góc, đo tải trọng xe,.... để đạt được chất lượng điều khiển tốt hơn. Kết luận chương 4 Đã trình bày được phương hướng thiết kế hệ thống giảm xóc tự động, làm tiền đề cho hướng phát triển của luận văn sau này. Trong chương đã nêu ra các thành phần kết cấu của hệ thống giảm xóc tự động, cũng như sự hoạt động của nó. KẾT LUẬN Nhờ sự quan tâm giúp đỡ của Thầy hướng dẫn, luận văn cơ bản đạt được các mục tiêu đề ra, đó là. 1. Nêu được các vấn đề, vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền kinh tế tri thức. Một số mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở Việt Nam trong những năm tới, xu hướng phát triển cơ điện tử thế giới. - Làm rõ được những ứng dụng quan trọng của cơ điện tử trong một số lĩnh vực. Như ứng dụng trong robot công nghiệp và các ứng dụng trong hệ thống vi cơ điện tử, sản phẩm hàng hóa, các sản phẩm thông minh và đặc biệt quan tâm đến vấn đề ứng dụng là ứng dụng cơ điện tử trong xe ôtô. - Tìm hiểu và nghiên cứu cơ bản về bản chất khoa học - công nghệ của ngành cơ điện tử. Làm sáng tỏ cấu trúc tổng quát của một hệ cơ điện tử. Trình bày được nguyên lý làm việc của linh kiện thiết yếu như: Hệ thống cảm biến, cơ cấu chấp hành, hệ thống xử lý thông tin, hệ thống cơ khí và biến đổi năng lượng và các hệ thống khác V...V tích hợp các thành phần (phần cứng, phần mềm). Từ đó đưa ra được cấu trúc chung của hệ thống cơ điện tử. 2. Nghiên cứu một số ví dụ điển hình về các vấn đề can thiệp của cơ điện tử vào công nghệ ôtô. Trình bày và giới thiệu khuynh hướng phát triển của một chiếc ôtô hiện đại trong sản xuất với công nghệ cao, sản phẩm thông minh trong tương lai. - Lấy các phương án cơ bản của một hệ thống phanh thủy lực ABS làm điển hình. Bài toán điều khiển hệ thống ABS được đặt ra với giả thiết ma sát Counlomb tác động khi phanh. - Giới thiệu về giao động và cân bằng dao động trên ôtô, giới thiệu từ loại hệ thống treo xe cơ khí đơn giãn nhất đến loại hệ thống treo xe hiện đại. Những hệ thống đã giới thiệu trên được lắp đặt trong ôtô. Mục đích của nó làm cho ôtô ngày càng tiện nghi và an toàn. 3. Từ các vấn đề nghiên cứu về cân bằng xe. Mối liên quan trực tiếp đến lý thuyết dao động và cân bằng dao động. Đối với xe du lịch đã thiết lập được ba mô hình tính. Dạng một điểm (1/4), dạng đường (1/2) vết dọc trọc và vết ngang, dạng mặt (1) dạng mặt. Từ đó thiết lập các mô hình vật lý của bài toán cân bằng. - Cấu tạo tổng thể từng phần hệ thống giảm xóc tự động và nó đã ứng dụng nguyên lý điều khiển Skyhook, Groudhook trong hệ thống để điều khiển. - Nêu các đặc điểm và ứng dụng của hệ thống giảm xóc bán chủ động, các phương pháp điều khiển như: điều khiển Skyhook liên tục, điều khiển Groundhook liên tục, phương pháp điều khiển lai (giữa Skyhook và Groundhook), phương pháp điều khiển mờ, các phương pháp điều khiển tối ưu. Trong luận văn chỉ nghiên cứu sâu về điều khiển Skyhook và Groundhook. - Các mô hình toán học của hệ thống giảm xóc, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc, dao động của hệ thống với kích động điều hoà, các bài toán hệ thống Skyhook, hệ thống Groundhook có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định. Tuy nhiên, luận văn đã nêu ra được những giải pháp ban đấu cho bài toán cân bằng ôtô du lịch, một vấn đề đang rất được nghành công nghiệp ôtô quan tâm mặc dù đã có lịch sử nghiên cứu hàng chục năm. Hơn thế, những ý tưởng nêu ra trong luận văn là tiền đề cho những hướng phát triển sâu rộng hơn, tạo khả năng ứng dụng thực tế nhiều hơn trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. GS.TSKH. Nguyễn Văn Khang (2004), Dao động kỹ thuật, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 2. PGS.TS Tạ Duy Liêm, Công nghệ cơ điện tử trong ngành chế tạo ôtô 3. TS. Trương Hữu Trí - TS Võ Thị Ry (2005), Cơ điện tử - Các thành phần cơ bản, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 4. Robert H. Bishop - The mechatronics Handbook (Cơ điện tử) tập 1 Biên dịch: Phạm Anh Tuấn NXBĐH Quốc Gia Hà Nội (2006). 5. Đỗ Thanh Việt; Nguyễn Hoài Sơn; Bùi Xuân Lâm (2000): Ứng dụng MATLAB trong tính toán kỹ thuật, Tập 1. NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh. 6. Viện nghiên cứu chiến lược, chính sách công nghiệp - Bộ Công nghiệp (2007), Điều tra đánh giá thực trạng và đề xuất giải pháp phát triển các sản phẩm Cơ điện tử ứng dụng trong công nghiệp cơ khí trên địa bàn Hà Nội 7. Trung tâm công nghệ Cơ điện tử www.mechatronics.org.vn 8. Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần 1 về Cơ điện tử (2002) 9. Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần 2 về Cơ điện tử (2004) 10. Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần 3 VCM về Cơ điện tử (2006) 11. Http//Vietnamcar.com 12. Http//my.pera.com/congngheoto 13. Http//www.codientu.com/ Tiếng Anh 14. Bishop, R.H. (Editor in Chief): The Mechatronics Handbook. CRC Press, Boca Raton 2002. 15. Tạp chí IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 16. Website về Robotics & Mechatronics IEE: Http:/www.iee.org/Oncomms/pn/mechatronics/ TÓM TẮT Luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ôtô và đề xuất giải pháp mô hình cho bài toán cân bằng trên xe du lịch. Luận văn gồm 4 chương, nội dung chính được đưa ra như sau: Chương 1: Tổng quan cơ điện tử. Trong chương đã trình bày một cách tổng quan về cơ điện tử, vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản xuất hàng hóa công nghệ cao của thời kinh tế trí thức. Chương 2: Nghiên cứu các hệ thống cơ điện tử ứng dụng trong kỹ thuật. Xu hướng tích hợp công nghệ cơ điện tử trong ôtô, trình bày khuynh hướng phát triển của công nghệ ôtô trong sản xuất với công nghệ cao và sản phẩm thông minh. Giới thiệu cấu trúc cơ điện tử trong hệ thống phanh ABS (Antilock Brake System). Nêu ra các loại hệ thống treo từ loại hệ thống treo xe cơ khí đơn giãn nhất đến loại hệ thống treo xe hiện đại. Những hệ thống được lắp đặt trong ôtô. Mục đích của nó làm cho ôtô ngày càng tiện nghi và an toàn. Ở trong nội dung luận văn này ta chỉ nghiên cứu sâu về bài toán dao động và cân bằng trên ôtô. Chương 3: Thiết lập các mô hình hệ thống cho bài toán dao động và cân bằng dao động trên xe. Đưa ra được các mô hình giao động của ôtô gồm các phần: mô hình bốn bánh, mô hình một nửa ôtô, mô hình một phần tư ôtô. Nêu các đặc điểm và ứng dụng của hệ thống giảm xóc bán chủ động, các phương pháp điều khiển như: Skyhook liên tục, Groundhook liên tục, lai (giữa Skyhook và Groundhook), điều khiển mờ, điều khiển tối ưu. Luận văn chỉ nghiên cứu sâu về điều khiển Skyhook và Groundhook. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động, bán chủ động, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc, dao động của hệ thống với kích động điều hoà, các bài toán hệ thống Skyhook, hệ thống Groundhook có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định. Chương 4: Thiết kế hệ thống giảm xóc bán chủ động. Đã trình bày phương hướng thiết kế hệ thống giảm xóc tự động, làm tiền đề cho hướng phát triển của luận văn sau này. Đã nêu ra các thành phần kết cấu của hệ thống giảm xóc tự động, cũng như sự hoạt động của nó. Abstract Luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ôtô và đề xuất giải pháp mô hình cho bài toấn cân bằng trên xe du lịch.Masters thesis: Applied research on engineering systems of automotive electronic and propose solutions for model balancing problems on passenger cars. Luận văn gồm 4 chương, nội dung chính được đưa ra như  sau:Thesis includes four chapters, the main content is given as follows: Chương 1: Cơ điện tử.Chapter 1: Overview of Mechatronics. Trong chương đã trình bày một cách tổng quan về cơ - điện tử, và vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản xuất hàng hóa công nghệ cao của thời kinh tế trí thức. This chapter presents an overview of Mechatronics and the role of integration technology in commodity production of advanced technology at knowledge based economy stage. Chương 2: Nghiên cứu các hệ thống cơ điện tử ứng dụng trong kỹ thuật.Chapter 2: Study of applied Mechatronics systems in engineering. This chapter presents tXu hướng tích hợp công nghệ cơ - điện tử trong ôtô, trình bày khuyunh hướng phát triển của công nghệ ôtô trong sản xuất với công nghệ cao và sản phẩm thông minh.tttthe trend of integration Mechatronics technology in automobiles and the development trend of automobile in advanced technology production and intelligent products. It also presents theGiới thiệu cấu trúc cơ điện tử trong hệ thống phanh ABS (Antilock Brake System). structure of Mechatronics in ABS system (Antilock Brake System) and Nêu ra các loại hệ thống treo từ loại hệ thống treo xe cơ khí đơn giãn nhất đến loại hệ thống treo xe hiện đạithe types of vehicle suspension systems both the most modern and the simplest suspension type. Những hệ thống được lắp đặt trong ôtô.At the same time, this thesis studies systems installed in cars. Mục  đích của nó làm cho ôtô ngày càng tiện nghi và  an toàn. Its purpose is to make cars be more and more comfortable and safer. Ở trong nội dung luận văn này ta chỉ nghiên cứu sâu về bài toán dao động và cân bằng trên  ôtô. However, within limited scale, this thesis only focused on studying variability and balance issues in the car. Chương 3: Thiết lập các mô hình hệ thống cho bài toán dao động và cân bằng dao động trên xe.Chapter 3: Development of a system model for variability and balance issues on a car in the car. Đưa ra được các mô hình giao động của ôtô gồm các phần: mô hình bốn bánh, mô hình một nửa ôtô, mô hình một phần tư ôtô. This chapter introduces the variability model of automobile which includes following parts: four-wheel model, half - car model and a quarter - car model.Nêu các đặc điểm và ứng dụng của hệ thống giảm xóc bán chủ động, các phương pháp điều khiển như: Skyhook liên tục, Groundhook liên tục, lai (giữa Skyhook và Groundhook), mờ, tối ưu. In addition, it also presents the characteristics and applications of semi - active shock absorbers systems as well as control methods such as continuous Skyhook, continuous Groundhook, and mixed type (between Skyhook and Groundhook) or fuzzy, optimal types. Thesis only focuses on studying the control system of Skyhook and Groundhook by development of mMô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động, bán chủ động, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc, dao động của hệ thống với kích động điều hoà, các bài toán hệ thống Skyhook, hệ thống Groundhook có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định.mmmathematical model of the semi – active and passive shock absorbers systems. And then, the thesis starts to analyze the model of shock absorbers system and the variability system with the size of the air condition. And as well it analyzes the mMô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động, bán chủ động, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc, dao động của hệ thống với kích động điều hoà, các bài toán hệ thống Skyhook, hệ thống Groundhook có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định.mmmathematical model of Skyhook system and the Groundhook which applied MATLAB software for verification. Chương 4: Thiết kế hệ thống giảm xóc bán chủ động.Chapter 4: Design the semi-active shock absorbers system. Đã trình bày phương hướng thiết kế hệ thống giảm xóc tự động, làm tiền đề cho hướng phát triển của luận văn sau này. Đã nêu ra các thành phần kết cấu của hệ thống giảm xóc tự động, cũng như sự hoạt động của nó.This chapter presents the designing orientation and structure of the automatic shock absorbers system as well as its operation. This is known as the foundation for developing the thesis later. Key word: Mechatronics, semi-active shock absorbers system, variability, balance. ._.