Giáo trình Nhập môn cơ điện tử - Phần 1

mô đun Thời gian (giờ) Tổng số Lý thuyết Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập Kiểm tra 1 Bài 1: Các khái niệm cơ bản cơ điện tử 1. Khái niệm cơ bản về cơ điện tử 2. Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử 3. Thiết lập mô hình và chức năng hệ thống cơ điện tử 4. Phác thảo hệ thống cơ điện tử 3 3 6 2 Bài 2: Khái niệm điều khiển và điều chỉnh. 1. Kỹ thuật điều khiển 2. Giới thiệu mạch điều chỉnh 4 2 2 3 Bài 3: Cơ cấu chấp hành. 1. Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành 2. Cơ cấu chấp hành điện từ 3. Cơ cấu chấp hành thủy khí 4. Các loại cơ cấu chấp hành đặc biệt 4 1 3 4 Bài 4: Kỹ thuật đo lường, cảm biến. 1. Kỹ thuật đo lường 2. Các thông số đặc trưng cảm biến. 3. Giới thiệu các loại cảm biến 5 1 4 5 Bài 5: Khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử 1. Một số hệ đếm điển hình 2. Chuyển đổi cơ số 3. Mã số 4. Dữ liệu và mã hoá dữ liệu 5. Bài tập ứng dụng 5 1,5 3,5 6 Bài 6: Các ví dụ điển hình hệ thống cơ điện tử. 1. Mô hình nồi cơm điện tự động. 2. Mô hình máy ép nhựa. 3. Máy điều khiển theo chương trình số CNC. 4. Mô hình phân loại sản phẩm tự động 5. Mô hình rôbốt công nghiệp. 6. Học sinh tự tìm tòi mô hình và phân tích tổng quan chức năng 6 0,5 4,5 1 Thi kết thúc mô đun 3 3 Cộng 30 9 17 4 7 BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CƠ ĐIỆN TỬ Mã bài: Giới thiệu: Cơ điện tử không chỉ là một cấu trúc thuận tiện cho nghiên cứu khảo sát của các nhà khoa học mà còn là một phương thức hoạt động thực tiễn kỹ thuật hiện đại.Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp Mục tiêu: - Khái quát và định hình được thế nào là một hệ thống cơ điện tử. - Phân loại được các loại hệ thống cơ điện tử. Nội dung chính: 1. Khái niệm cơ bản về cơ điện tử  Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp”  “Cơ điện tử là sự áp dụng tổng hợp các quyết định tạo nên hoạt động của các hệ vật lý”  “Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện”  “Một hệ Cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp các hệ cơ khí, điện và nó cũng không chỉ đơn thuần là một hệ điều khiển, nó là sự tích hợp đầy đủ của tất cả các hệ trên”. Một định nghĩa còn chưa có sự thống nhất rộng rãi cho thấy đây là một lĩnh vực bản thân nó chưa hoàn toàn định hình, mà đang tiếp tục định hình. Cơ điện tử không chỉ là một cấu trúc thuận tiện cho nghiên cứu khảo sát của các nhà khoa học mà còn là một phương thức hoạt động thực tiễn kỹ thuật hiện đại. 2. Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử Lược đồ sau đây mô tả tương đối dễ hiểu các thành phần chính của Cơ điện tử (xem hình 1.1), năm thành phần cơ bản trong sơ đồ này là đối tượng nghiên cứu của tất cả các giáo trình cơ điện tử, việc trình bày theo cấu trúc này làm cho 8 người đọc có tư duy thống nhất, tiện cho việc theo dõi các lĩnh vực liên quan đến từng vấn đề. Trong quỹ thời gian có hạn các vấn đề sẽ được trình bày với trọng số khác nhau trên cơ sở phù hợp với nền tảng kiến thức của sinh viên ngành cơ khí. Hình 1.1: Các thành phần chính của cơ điện tử Có ba loại hệ cơ điện tử như sau nếu dựa trên quan điểm các lý thuyết cơ sở được áp dụng: - Hệ cơ điện điện tử truyền thống; - Hệ cơ điện tử kích thước micro; - Hệ cơ điện tử kích thước nano. Hình 1.2: Phân loại và các lý thuyết cơ sở được áp dụng trong hệ thống CĐT Sản phẩm cơ điện tử hiện đang được chia làm bốn lớp như sau: - Lớp I: các sản phẩm cơ khí là chính có sự kết hợp của điện tử để nâng cao tính năng, ví dụ các máy công cụ điều khiển số CNC; 9 - Lớp II: các hệ cơ khí truyền thống với sự hiện đại hóa đáng kể các thiết bị bên trong bằng việc kết hợp với các thiết bị điện tử, giao diện người dùng bên ngoài không đổi, ví dụ như máy khâu hiện đại. - Lớp III: các hệ thống giữ lại chức năng của hệ cơ khí truyền thống nhưng máy móc bên trong được thay thế bằng các thiết bị điện tử, vd đồng hồ số. - Lớp IV: các sản phẩm được thiết kế bởi các công nghệ cơ khí và điện tử tích hợp hỗ trợ nhau, Ví dụ máy photocopy, nồi cơm điện. Lịch sử phát triển của các hệ cơ học, điện và điện tử có thể khái quát trong lược đồ sau: Hình 1.3: Lịch sử phát triển của các hệ cơ học, điện và điện tử Các thuộc tính cuả thiết kế truyền thống và thiết kế cơ điện tử. Bảng 1.1 : Các thuộc tính của thiết kế truyền thống và thiết kế cơ điện tử Thiết kế truyền thống Thiết kế cơ điện tử 10 Các thành phần phải thêm vào 1. To lớn 2. Kết cấu phức tạp 3. Vấn đề dây dẫn 4. Các thành phần kết nối Điều khiển đơn giản 5. Cấu trúc cứng nhắc 6. Điều khiển truyền thẳng, tuyến tính 7. Độ chính xác nhờ dung sai hẹp 8. Các đại lượng không đo được thay đổi tùy tiện 9. Theo dõi đơn giản 10.Khả năng cố định Tích hợp các thành phần (phần cứng) 1. Nhỏ gọn 2. Kết cấu đơn giản 3. Truyền thông không dây hoặc bus 4. Các thiết bị tự trị Tích hợp bởi xử lý thông tin (phần mềm) 5. Cấu trúc mềm dẻo với phản hồi điện tử 6. Điều khiển số phản hồi khả lập trình (phi tuyến) 7. Độ chính xác nhờ đo lường và điều khiển phản hồi. 8. Điều khiển các đại lượng không đo được mà ước lượng được. 9. Giám sát với chẩn đoán lỗi. 10. Khả năng tự học 3. Thiết lập mô hì h và chức năng hệ thống cơ điện tử Sự phân chia chức năng giữa cơ khí và điện tử: Trong thiết kế hệ cơ điện tử sự tác động qua lại của các phần cơ khí và điện tử nhằm thực hiện các chức năng là điều rất quan trọng. So với việc thực hiện các chức năng cơ khí đơn thuần sử dụng các bộ khuếch đại và cơ cấu chấp hành với năng lượng điện phụ trợ đã mang đến sự đơn giản hóa đáng kể cho các thiết bị như đồng hồ đeo tay, camera. Một sự đơn giản hóa trong cơ khí bắt nguồn từ việc mang máy tính kết nối với các thiết bị điện phân tán. 1.1 Các tín hiệu đầu vào của hệ cơ điện tử 1.1.1 Đầu vào bộ chuyển đổi cảm biến Tất cả các đầu vào của hệ cơ điện tử đều bắt nguồn từ một vài dạng cảm biến hoặc từ các hệ thống khác. Cảm biến có thể được phân loại ra thành hai nhóm, cảm biến chủ động và cảm biến thụ động. Cảm biến chủ động phát ra tín hiệu để ước tính thuộc tính của môi trường và thiết bị được đo còn cảm biến thụ động thì không. Đầu vào của bộ cảm biến thường là một tín hiệu tương tự, dạng đơn giản nhất của tín hiệu tương tự là mức điện áp có mối liên hệ trực tiếp với điều kiện đầu vào. Dạng thứ hai là thiết bị điều chế độ rộng xung. Dạng thứ ba là sóng điều biên hoặc điều tần, trong một số trường hợp kết hợp cả điều biên và điều tần. Những thay đổi này phản ánh sự biến đổi của trạng thái được theo dõi. 1.1.2 Bộ biến đổi tương tự số (A/D) Các bộ biến đổi này có thể được phân loại theo hai thông số, dải tín hiệu đầu vào tương tự và dải tín hiệu đầu ra số. Chẳng hạn biến đổi mức điện áp trong khoảng 0 – 12 V thành một byte đơn 8 bit. Chẳng hạn các van servo nhận tín hiệu analogue từ thiết bị chỉ huy dưới dạng dòng điện hoặc điện áp, nếu là van hiệu suất cao có sử dụng cảm biến vị trí, nó sẽ chuyển tín hiệu về thiết bị điều khiển dưới dạng analogue. Nếu thiết bị điều khiển kiểu vi xử lý khi tiếp nhận tín hiệu này sẽ cần chuyển đổi A/D để tiếp tục xử lý. 1.2 Các tín hiệu đầu ra của hệ cơ điện tử 11 1.2.1 Bộ biến đổi số - tương tự (D/A) Lệnh đầu ra của bộ vi điều khiển là một giá trị nhị phân dưới dạng bit, byte 8 bit hoặc 16 bit. Tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệu tương tự nhờ bộ chuyển đổi D/A. Chẳng hạn biến đổi một giá trị 8 bit thành điện áp trong khoảng 0 – 12 V. Chẳng hạn tín hiệu số từ vi xử lí cần chuyển thành tín hiệu tương tự khi chuyển xuống điều khiển van servo. Tín hiệu thích hợp có thể tồn tại dưới dạng dòng điện hoặc hiệu điện thế. 1.2.2 Đầu ra của cơ cấu chấp hành Có ba cơ cấu chấp hành thường sử dụng trong các hệ cơ điện tử là chuyển mạch, solenoit và động cơ. Chuyển mạch là thiết bị trạng thái đơn giản để điều khiển một hoạt nào đó như bật tắt lò sưởi, các chuyển mạch bao gồm rơle, và các thiết bị liền khối như điôt, thyristor, tranzitor lưỡng cực, tranzitor trường. chuyển mạch có thể được kết hợp với cảm biến giúp bật tắt một phần hoặc toàn bộ các chức năng của cảm biến. Solenoid là thiết bị bao gồm lõi sắt chuyển động được, lõi sắt này được kích hoạt bởi một dòng điện. Sự chuyển động của nó giúp điều khiển dòng thủy lực hoặc khí nén, thiết bị này được ứng dụng nhiều trong các hệ thống phanh và trong công nghiệp chất lỏng. Cơ cấu chấp hành kiểu động cơ có ba loại chính gồm: - Động cơ điện một chiều DC; - Động cơ điện xoay chiều AC; - Động cơ bước. Trong đó động cơ điện một chiều DC có thể điều khiển bởi điện áp DC cố định hoặc thiết bị điều chế độ rộng xung. Nhìn chung động cơ AC rẻ hơn động cơ DC nhưng đòi hỏi điều khiển tần số để điều khiển tốc độ quay, trong khi động cơ bước sẽ quay đi một góc ứng với mỗi xung đầu vào. 1.3 Xử lý tín hiệu Xử lý tín hiệu là việc thay đổi một tín hiệu để nó có ích hơn đối với một hệ thống. Hai dạng xử lý tín hiệu quan trọng là chuyển đổi giữa tín hiệu D/A và A/D. Ngoài ra lọc cũng là một dạng xử lý tín hiệu quan trọng. Lọc là làm suy giảm bớt tần số nào đó của tín hiệu, quá trình này có thể loại bỏ nhiễu khỏi tín hiệu và giúp xử lý đường truyền để chuyển tải dữ liệu tốt hơn. Bộ lọc có thể được chia thành bộ lọc tương tự và bộ lọc số. Trong đó bộ lọc tương tự lại chia thành bộ lọc chủ động và lọc bị động. Các bộ lọc cũng có thể phân biệt trên các loại tần số bị ảnh hưởng: - Bộ lọc thông thấp cho phép các tần số thấp hơn đi qua, còn các tần số cao sẽ bị làm suy giảm; - Ngược lại với bộ lọc thông thấp là bộ lọc thông cao, cho phép các tần số cao đi qua và lọc các tần số thấp. 12 4. Phác thảo hệ thống cơ điện tử Cũng gióng như cơ điện tử, có khá nhiều khái niệm khác nhau ve hệ thong cơ đ i ệ n t ử . Chúng ta hãy kháo sát một số quan điểm sau của Bradley, Okyay Kaynak, Bolton, Shetty. Sau thành công của các ngành công nghiệp trong sán xuất và bán hàng trên thị trường thế giới phụ thuộc rất nhiều vào khả năng kết hợp cúa Điện – Điện tử và công nghệ thông tin hoc vào trong các sán phẩm cơ khí và các phương thức sản xuấtt cơ khí. Ðặc tính làm việc của nhiều sản phẩm hiện tại-xe ô tô, máy giặt, robot, máy công cụ cũng như việc sản xuất chúng phụ thuộc rất nhiều khả năng cúa ngành công nghiệp về ứng dụng những ky thuật mới vào trong việc sản xuất sản phẩm và các qui trình sản xuất. Kết quả đã tạo ra một hệ thống rẻ hơn, đơn giản hơn, đáng tin cậy hơn và linh hoat hơn so vói các hệ thống trưóc đây. Ranh giới giua điện và điện tử , máy tính và cơ khí đã dần dần thay thế bởi sự kết hợp giua chúng. Sự kết hợp này đang tiến tới một hệ thống mới đó là : Hệ thống cơ điện tử. Trên thực tế hệ thống cơ điện tử không có một định nghĩa rõ ràng. Nó được tách biệt hoàn toàn với các phần riêng biệt nhưng được kết hợp trong quá trình thực hiện. Sự kết hợp này được trình bày ở hình sau, bao gồm các phần riêng biệt Ðiện – điện tử, cơ khí và máy tính liên kết chúng lại trong các lĩnh vực giáo dục và đào tạo, công việc thực tế , các ngành công nghiệp sản xuất thị trường. Hình 1.5: Sự liên kết của các thành phần trong Hệ Thống Cơ Điện Tử theo Bradley  Quan điểm của Okyay Kaynak: Theo quan điểm của Okyay Kaynak, giáo sư thổ nhĩ kỳ định nghĩa về Hệ Thống Cơ Điện Tử như sau: Cơ khí Điện-điện tử Máy tính GD & ÐT CV thực tế CN sản xuất Thị trường 13 Ngõ vào Ngõ ra Ðộng cơ Động cơ quay Nguồn điện  Quan điểm của Bolton: Theo Bolton thì cơ điện tử là một thuật ngữ của hệ thống. Một hệ thống có thể được xem như một cái hộp đen má chúng có một đầu vào và một đầu ra. Nó là một cái hộp đen vì chúng gồm những phần tử chứa đựng bên trong hộp, để thực hiện chức năng liên hệ giữa đầu vào và đầu ra. Ví dụ như: cái môtơ điện có đầu vào là nguồn điện và đầu ra là sự quay của một trục động cơ Cấu trúc Hệ Thống Cơ điện tử theo Bolton Bài tập: 1. Cơ điện tử là gì? 2. Phân tích quá trình của hệ thống cơ điện tử. 3. Phân tích các tín hiệu đầu vào của hệ cơ điện tử. 4. Phân tích các tín hiệu đầu ra của hệ cơ điện tử. 5. Nêu một số ví dụ về hệ cơ điện tử. 14 BÀI 2: KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU HÀNH Mã bài: Giới thiệu: Một hệ thống cơ điện tử là quá trình thu thập dữ liệu đầu vào và xử lý tín hiệu đầu vào để điều chỉnh và điều khiển các tín hiệu đầu ra. Vì vậy quá trình điều khiển và điều chỉnh là phần không thể thiếu trong hệ thống cơ điện tử. 15 Mục tiêu: - Nắm được các khái niệm về điều khiển và điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử. - Thiết kế và phân tích một số quá trình điều khiển và điều chỉnh cơ bản. Nội dung chính: 1. Kỹ thuật điều khiển Nhằm đơn giản hoá các phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống tự động người ta thường chuyển phương trình động học của hệ ở dạng phương trình vi phân viết với các nguyên hàm x(t), y(t) thành phương trình viết dưới dạng các hàm số X(s), Y(s) thông qua phép biến đổi Laplace. Ví dụ xét hàm số x(t) – hàm số của biến số t (biến số thực, ở đây t là thời gian) ta gọi là nguyên hàm. Ta cho phép biến đổi hàm số x(t) thông qua tích phân:    0 .).()( dtetxsX st (2.15) trong đó: s = + j - biến số phức, biến đổi (2.15) hàm x(t) thành hàm biến số X(s) được gọi là là biến Laplace, và X(s) được gọi hàm ảnh. Như vậy hàm ảnh là một hàm biến số phức s. Phép biến đổi Laplace được ký hiệu sau: L{x(t)}=X(s) hoặc x(t)  X(s) Giả sử nguyên hàm x(t) có các điều kiện ban đầu không, tức là với t=0 giá trị của hàm x(t) và các bậc đạo hàm dix(t) / dti với i = 1, 2, 3, , (n-1) đều bằng 0, tính theo tính chất của phép biến đổi Laplace (định lý về ảnh đạo hàm của nguyên hàm) chúng ta có: ni sXsa dt txd aL iii i i ,,3,2,1 )(.. )(         (2.16) Nhân hai vế của phương trình (2.6) với e-st , sau đó lấy tích phân theo t từ 0 đến , tức là lấy biến đổi Laplace của hai vế phương trình, với giả thiết rằng các hàm x(t), y(t) có các điều kiện ban đầu bằng 0, dựa theo tính chất tuyến tính của phép biến đổi Laplace , phương trình (2.6) sẽ có dạng: )()()()( )()()()( 1 1 10 1 1 10 sXbsXbsXsbsXsb sYassYasYsasYsa mm mn nn nn         (2.17) Ở đây, Y(s), X(s) – là các biến đổi Laplace của hàm lượng ra và hàm lượng vào của hệ. Phương trình (2.17) được gọi là phương trình động học mô tả quan hệ vào ra của hệ viết dưới dạng toán tử Laplace.Đây là phương trình đại số, vói 16 n và m là các số mũ của biến số s giải phương trình (2.17) ứng với lượng ra Y(s). )()( 1 1 10 1 1 10 sX asasasa bsbsbsb sY nn nn mm mm          (2.18) Chúng ta ký hiệu: nn nn mm mm asasasa bsbsbsb sW        1 1 10 1 1 10)(   (2.19) và gọi biểu thức đại số này là hàm số truyền (hoặc hàm truyền đạt) của hệ thống tự động (hay của một phần tử của nó). Khi đó Y(s) = W(s)X(s) (2.20) Hoặc W(s) = Y(s) / X(s) (2.21) Vậy hàm số truyền (H S T) của hệ thống (hay của một phần tử ) tự động là tỷ số hàm ảnh của lượng ra với hàm ảnh của lượng vào của nó (qua phép biến đổi Laplace) với giả thiết tất cả các điều kiện đều bằng không. Biểu thức (2.19) cho chúng ta thấy, HST là một hàm phân số hữu tỷ của biến s, có bậc các đa thức thoả mãn m  n. Giả thiết điều kiện ban đầu của các hàm lượng vào và lượng ra đều bằng không là phù hợp với điều kiện thường gặp trong các hệ thống ĐKTĐ. Phương trình (2.20) cho phép xác định hàm ảnh của lượng ra nếu biết hàm ảnh của lượng vào và biểu thức HST của hệ. Như vậy HST hoàn toàn xác định các tính chất động học của hệ thống. Để xác định nguyên hàm của lượng ra, tức là xác định y(t) khi biết x(t) có thể biến đổi ngược Laplace, theo đó:          j j stdsesY j sYLty ).( 2 1 )()( 1 (2.22) Đó là phương pháp toán tử để giải phương trình vi phân. Nếu Y(s) là hàm đơn giản,chúng ta có thể sử dụng bảng biến đổi Laplace của các hàm đơn giản điển hình, có trong phụ lục các sách nói về biến đổi Laplace, để tra cứu nguyên hàm y(t). Nếu hàm ảnh Y(s) là hàm phức tạp, cần phân tích chúng thành tổ hợp tuyến tính các hàm đơn giản, mà chúng ta đẵ biết nguyên hàm của nó. Nguyên hàm y(t) chính là tổ hợp tuyến tính của các nguyên hàm thành phần. 17 2. Giới thiệu mạch điều chỉnh Trong mạch điện có các phần tử cơ bản là điện trở (R), điện cảm (L) và tụ điện (C). a) Điện trở R Hình 2.5: Điện trở Điện áp rơi tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện I chạy qua điện trở: 1. RZtv R tiRitv  )( 1 )()( Thông qua phép biến đổi Laplace ta có được hàm truyền của điện trở là 2. RU I 1 GR  (2.23) b) Điện cảm L Hình 2.6 : Điện cảm L Điện áp rơi trên điện cảm là   0 )( 1 )( )( )( dttv L ti dt tdi Ltv (2.24) Thông qua biến đổi Laplace ta tính được trở kháng Z và hàm truyền của điện cảm L 18 3. LsU I GLsZ L L 1  (2.25) c) Tụ điện C Hình 2.7 : Tụ điện C Điện áp rơi trên điện dung là dt tdv Ctidtti C tv )( )()( 1 )( 0    (2.26) Trở kháng và hàm truyền đạt của tụ điện Cs U I G C Z C C  1 (2.27) d) Các phần tử R, L và C mắc nối tiếp Hình 2.8 : Sơ đồ các phần tử mạch điện RLC mắc nối tiếp Vr rr rr r rV UU dt dU RC dt Ud LC dt Ud C dt di dt dU Ciidt C U U dt di LRiU      2 2 2 2 0 1 (2.28) Thực hiện phép biến đổi Laplace ta có (LCs2 + RCs + 1) Ur = Uv (2.29) Rút ra được hàm truyền là: 19 LC s L R s LC U U sG V r 1 1 )( 2   (2.30) e) Các phần tử mắc song song U V UrR L C I Hình 2.9: Sơ đồ các phần tử mạch điện RLC mắc song song Dòng điện của mạch điện là Z U I  (2.31) Tổng trở của mạch song song được tính là RLs RLsRLCs CsLsRZ   2 /1 1111 (2.32) Hàm truyền của hệ thống là s C LC s RC s ZU I sG 1 11 1 )( 2   (2.33) Bài tập: 1. Điều khiển và điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử là như thế nào? 2. Nêu các kỹ thuật điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử. 3. Nêu các mạch hay sử dụng trong kỹ thuật điều chỉnh. 4. Thiết kế một quá trình điều khiển và điều chỉnh trong hệ thống cơ điện tử. 5. Phân tích quá trình điều khiển và điều chỉnh đó. 20 BÀI 3: CƠ CẤU CHẤP HÀNH Mã bài: Giới thiệu: Kết quả của một hệ thống cơ điện tử là các hoạt động của cơ cấu chấp hành. Yêu cầu công nghệ hay độ chính xác của cơ cấu chấp hành là không thể thiếu trong hệ thống cơ điện tử. Phần này chúng ta sẽ nghiên cứu một số cơ cấu chấp hành được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống cơ điện tử Mục tiêu: - Nắm được nguyên lý điều khiển của một số cơ cấu chấp hành của hệ thống cơ điện tử. - Cân chỉnh các cơ cấu chấp hành để hệ thống hoạt động chính xác, độ tin cậy cao. - Bảo trì, bảo đưỡng, sửa chửa được cơ cấu chấp hành đơn giản. Nội dung chính: 1. Kết cấu và phương thức làm việc của cơ cấu chấp hành Các cơ cấu dẫn động (hay cơ cấu chấp hành) được bố trí giữa các thiết bị điều chỉnh hoặc điều khiển của hệ thống và được hệ thống điều khiển. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cơ cấu dẫn động trong một hệ thống cơ điện tử minh họa trên hình 3.1 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cơ cấu dẫn động Các giao diện kết nối giữa các phần tử có nhiều kiểu khác nhau như cơ khí, điện, thủy khí hoặc các cơ cấu dẫn động kiểu mới dự trên nguyên lý áp điện. Việc điều khiển các cơ cấu dẫn động thường diễn ra nhờ các tín hiệu đặt được truyền dẫn thông qua các giao diện chuẩn của một bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý này đảm nhiệm việc biên dịch các lệnh điều chỉnh và điều khiển. Các đại lượng đầu ra của 21 cơ cấu dẫn động là năng lượng hoặc công suất, có khả năng sinh công cơ học cho trục quay (năng lượng quay) hoặc cho vật trượt (năng lượng dịch chuyển tịnh tiến). Năng lượng này được tạo ra bởi nguồn năng lượng trợ giúp trong một bộ điều khiển năng lượng được kết nối với bộ chuyển đổi năng lượng, xem hình 3.1. Ta có một số yêu cầu nhất định đối với năng lượng cơ học tại đầu ra. Thí dụ năng lượng cơ học như công cơ học khi một vật dịch chuyển được tính bằng lực tác dụng nhân với quãng đường dịch chuyển. Các trường hợp như lực tác dụng lớn trong một quãng dịch chuyển ngắn (khâu đặt lực) hoặc lực tác dụng nhỏ trong một quãng dịch chuyển dài (khâu đặt quãng đường) là những trường hợp tới hạn. Điều này yêu cầu các bộ chuyển đổi cơ học trung gian như hộp số, các trục quay. Bảng 3.1: Các dạng công suất và các đại lượng dòng,đại lượng thế suy rộng có liên quan. Dạng công suất Đại lượng thế suy rộng p Đại lượng dòng suy rộng f Công suất P = p.f Tịnh tiến cơ học Quay cơ học Vận tốc dài v Vận tốc góc  Lực F Momen M Ptrans = F.v Prot = .M Điện Điện áp U Dòng điện I P = U.I Dòng chất lỏng Áp suất p Lưu lượng V’ Pfl = p.V’ Nhiệt Chênh lệch nhiệt độ t Lượng truyền nhiệt kA Pth = t .kA Bảng 3.2: các dạng cơ cấu chấp hành và đặc tính của chúng Cơ cấu chấp hành điện Đặc tính Điôt, thyristo, tranzitor lưỡng cực, triac, điac Mosfes công suất, rowle bán dẫn Dạng điện tử, đáp ứng tần số rất cao Tiêu thụ năng lượng thấp Cơ cấu chấp hành điện cơ Đặc tính Động cơ một chiều, kích từ độc lập Tốc độ có thể điều khiển bằng điện áp chạy trong cuộn dây phần ứng hoặc thay đổi dòng điện trường Động cơ một chiều mạch mắc rẽ nhánh Ứng dụng không đổi Động cơ một chiều mạch tổ hợp Mô men khởi động cao, mô men gia tốc cao, tốc độ cao với tải nhẹ, không ổn định khi tải nặng. Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu kiểu truyền thống Hiệu suất cao, công suất cao, đáp ứng nhanh 22 Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu cuộn dây chuyển động Hiệu suất cao hơn, độ cảm thấp hơn động cơ một chiều truyền thống. Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu kiểu động cơ mô men Có thể chạy trong thời gian dài trong điều kiện chết máy hoặc vòng quay thấp. Động cơ một chiều truyền thông điện tử (không chổi quét) Đáp ứng nhanh, hiệu suất cao > 75%, tuổi thọ dài, độ tin cậy cao, không cần bảo dưỡng, sinh nhiễu tần số sóng thấp. Động cơ cảm ứng xoay chiều Là động cơ được dùng nhiều nhất trong công nghiệp, đơn giản, rẻ và khỏe. Động cơ đồng bộ xoay chiều Rotor quay với tốc độ đồng bộ, hiệu suất rất cao trên dải vận tốc và tải rộng, cần trợ giúp để khởi động, thọ ngắn. Động cơ bước lai ghép Thay đổi xung điện trong chuyển động cơ học đưa ra vị trí chính xác, không cần phản hồi. Động cơ bước từ trở biến thiên Bảo dưỡng ít Cơ cấu chấp hành điện từ Đặc tính Thiết bị dạng solenoid Lực lớn, tác động nhanh Nam châm điện từ, rơ le Điều khiển đóng, mở. Cơ cấu cháp hành thủy khí Đặc tính Xy lanh Thích hợp với chuyển động thẳng Động cơ thủy lực nói chung Dải tốc độ rộng, khoảng tải rộng, tin cậy cao, không có rủi ro sốc điện Các loại van thủy khí Ít phải bảo dưỡng Cơ cấu chấp hành vật liệu thông minh Đặc tính Áp điện và điện giảo Tần số cao với chuyển động nhỏ Điện áp thấp với kích thích dòng điện thấp Độ phân giải cao Từ giảo Tần số cao với chuyển động nhỏ Điện áp thấp với kích từ dòng điện cao Hợp kim nhớ hình thù Điện áp thấp với kích từ dòng điện cao Tần số thấp với chuyển động lớn Dòng lưu biến điện Kích từ điện áp rất cao Chịu đựng tốt với sốc và dao động cơ học Tần số thấp với lực lớn Cơ cấu chấp hành micro và nano Đặc tính Động cơ micro Thích hợp với các hệ micro 23 Van micro Co thể dùng công nghệ xử lý silic sẵn có, tính chất như động cơ tĩnh điện Bơm micro Có thể dùng bất cứ vật liệu thông minh nào Tiếp theo, ta sẽ đề cập tới các thành phần chính của bộ chuyển đổi năng lượng trong thực tế. 2. Cơ cấu chấp hành điện từ Các loại cơ cấu dẫn động kiểu mới được trình bầy trong phần này không tuân theo những nguyên tắc vật lý đã được đề cập tới trước đây. Chúng được phát triển trong nhiều năm, tập trung cho các thiết bị có công suất nhỏ và chỉ tạo các chuyển động tịnh tiến. Công việc nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn đang được tiếp tục. Những bước phát triển theo được mong đợi trên hai lĩnh vực: Thứ nhất là những hiểu biết mới trong nghiên cứu vật liệu sẽ mở ra những giải pháp ưu việt hơn về nguyên lý hoạt động của cơ cấu dẫn động. Thứ hai là tiếp tục xu hướng thu nhỏ hóa các cơ cấu dẫn động để phù hợp với vi cảm biến và vi máy tính, và để tiếp tục phát triển lĩnh vực kỹ thuật vi hệ và vi cơ điện tử. Tổng quan về những loại cơ cấu dẫn động mới sẽ được trình bày dưới đây, tiếp theo đó là các kết quả nghiên cứu về cơ cấu dẫn động áp điện được nêu ra như một thí dụ ứng dụng. Cơ sở lý thuyết của bộ chuyển đổi áp điện Trước hết, ta đề cập tới các quan hệ về vật liệu để mô tả hiệu ứng áp điện. Các quan hệ này kết nối biến dạng trượt S và mật độ dịch chuyển điện D với ứng suất cơ học T và cường độ điện trường E, S = sET + dE (3.14) D = d T T + TE (3.15) Trong quan hệ dưới dạng tenxơ tổng quát nêu trên, đại lượng T là hằng số điện môi tại T = const, sE chứa các hằng số đàn hồi tại E = const và d gồm các hằng số điện áp. Các ký hiệu trong phương trình (3.14) và (3.15) phù hợp với những quy ước trong vật lý chất rắn cũng như mạng tinh thể ,chúng trái với thuật ngữ trong cơ học kỹ thuật, trong đó tenxow biến dạng trượt được ký hiệu bằng D và tenxơ ứng suất được ký hiệu là S. Để làm rõ những quan hệ này, ta đơn giản hóa chúng nhờ các đại lượng vô hướng S = sET + dE (3.16) D = dT + TE (3.17) Trong trường hợp đặc biệt d = 0 sẽ không tồn tại quan hệ áp điện. Khi đó hai phương trình trên hoàn toàn độc lập và mô tả riêng rẽ ứng xử của vật liệu về điện và về cơ học. Phương trình (3.16) dẫn tới ứng xử của vật liệu về cơ học. Phương trình (3.16) dẫn tới ứng xử của vật liệu vè cơ học với s  sE S = sT (3.18) 24 hoặc theo cách biểu diễn của cơ học kỹ thuật:  1  E tương tự như   1 , (3.19) G 25 Bảng 3.3: Tổng quan về các loại cơ cấu dẫn động kiểu mới Hiệu ứng vật lý Thông số kỹ thuật (giá trị tham khảo) Các ứng dụng Cơ cấu dẫn động áp điện Khi đặt điện áp vào một tấm vật liệu áp điện sẽ làm xuất hiện sự thay đổi độ dày của tấm do hiệu ứng áp điện Điện áp định mức 800- 1500 V Dịch chuyển định mức 70 – 200 m Độ cứng tới 2000 N/ m Tần số riêng Các bộ chuyển đổi, phần tử cảm biến chịu uốn, Động cơ Inch - worm, Động cơ siêu âm 2 – 50 kHz Cơ cấu dẫn động từ giảo Khi đặt vật liệu sắt từ trong một từ trường sẽ làm xuất hiện sự thay đổi chiều dài của vật liệu do hiệu ứng từ giảo Cường độ dòng điện 2A Kích động 50 kA /m Dịch chuyển định mức 50 m Tải 500 N Tần số riếng > 1 kHz Các bộ chuyển đổi, Động cơ Inch - worm, Bộ van vòi phun nhiên liệu diesel, Bộ giảm chấn chủ động Cơ cấu dẫn động lưu biến điện Khi được đặt trong một điện trường, độ nhớt của một số loại chất lỏng đặc biệt sẽ tăng lên. ứng suất tiếp trên cường độ điện trường 600 – 800 Pa/ (kV/mm) Các ly hợp có điều khiển, Van, ổ trục động cơ, Bộ phận giảm xóc Cơ cấu dẫn động lưu biến từ 26 Khi đặt những chất lỏng đặc biệt bào trong một từ trường dẫn tới độ nhớt của chất lỏng tăng. Giống như cơ cấu dẫn động lưu biến điện Cơ cấu dẫn động nhiệt lưỡng kim Khi gia tăng nhiệt độ, hai miếng kim loại được gắn chặt với nhau sẽ bị uốn cong với độ giãn nhiệt khác nhau Bán kính cong danh nghĩa 28,5.10 -6 1/K Môđun đàn hồi 170.10 3 N/mm 2 ứng suất uốn cho phép 200 N/mm 2 Công tắc nhiệt các loại cho các lực điều khiển nhỏ Cơ cấu dân động với các hợp kim tự phục hồi hình dáng Biến dạng nhiệt độ thường của một chi tiết được chế tạo từ các hợp kim tự phục hồi hình dạng sẽ biết mất khi gia tăng nhiệt độ Có cả hiệu ứng đơn hoặc hai chiều Nhiệt độ biến đổi không từ -100 0 C tới +100 0 C với quá nhiệt khoảng 160 0 C tới 400 0 C Công tắc nhiệt các loại, các bộ điều chỉnh tĩnh Cơ cấu dẫn động bằng vật liệu giãn nở Khi tăng nhiệt độ vật liệu có tính giãn nở sẽ tăng nhanh thể tích Nhiệt độ làm việc từ - 20 0 C tới +120 0 C Hành trình 5 – 25 mm Lực điều chỉnh 250 – 1500N Thời gian phản ứng 8 – 50s Bộ dẫn động - điều chỉnh đơn giản cho lò sưởi, bộ khởi động cho động cơ sử dụng bộ chế hòa khí Cơ cấu dẫn động hóa điện 27 Khi đặt điện áp thấp một chiều vào những vật liệu đặc biệt làm xuất hiện sự thăng hoa, dẫn tới tăng áp suất Điện áp 1,6 – 2,2 V Dòng điện 1,0 – 4,0 A Hành trình 4 mm áp suất 4 bar Bộ dẫn động - điều chỉnh đơn giản, van lò sưởi, thiết bị định vị, điều chỉnh nhiên liệu cho các hệ thống đốt trong 3. Cơ cấu chấp hành thủy khí Các hệ thống thủy khí với tư cách là cơ cấu dẫn động hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự nhau, trong phần này giới thiệu các phần tử cơ bản, cách xây dựng hệ thống và các sơ đồ điều khiển căn bản của hệ thống thủy khí. Người ta vẫn thường biết tới các cơ cấu dẫn động thủy khí là các thiết bị thủy lực hoặc khí nén và được sử dụng để tạo ra các lực hay chuyển động của dòng khí hoặc dòng chất lỏng. Đa số các cơ cấu dẫn động thủy khí là các bộ chuyển đổi tịnh tiến với kết cấu đơn giản và công suất nhỏ hơn so với các cơ cấu dẫn động điện từ. Mặt khác, việc thực hiện các nhiệm vụ điều khiển vị trí bằng các cơ cấu dẫn động thủy khí thường gặp nhiều khó khăn do tính đàn hồi của dòng thủy khí. Sơ đồ nguyên lý của mạch thủy khí mô tả như sau: Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch thủy khí Dầu hoặc khí nén cao áp được bơm hoặc máy nén (do động cơ dẫn động) đẩy vào hệ thống, qua van tiết lưu (hoặc không qua van tiết lưu nếu năng suất nguồn điều chỉnh được). Qua các van một chiều, bình tích áp suất, qua van đảo chiều (chức năng ấn định hướng di chuyển dòng thủy khí) tới động cơ hoặc xy lanh tạo ra chuyển động công tác. Môi chất (dầu ép hoặc khí nén) nhận năng lượng dòng chảy của bơm hoặc máy nén cấp cho, di chuyển theo đường ống đến sinh ra công cơ học tại động cơ dầu hoặc động cơ khí nén. 3.1 Các thiết bị trong hệ thống và vai trò 1. Bơm (hoặc máy nén): là thiết bị biến năng lượng cơ học (của động cơ dẫn 28 động) thành năng lượng dòng môi chất; 2. Động cơ (thủy lực hoặc khí nén) là thiết bị biến năng lượng dòng môi chất thành năng lượng cơ học, giữa bơm và động cơ có tính thuận nghịch (kết cấu tương tự nhau) song động cơ thường yêu cầu độ chính xác chế tạo cao hơn bơm; 3. Van an toàn: là thiết bị có chức năng giữ cho áp lực của hệ thống không vượt quá giá trị định trước; 4. Van tiết lưu: là thiết bị có chức năng thay đổi lưu lượng của dòng chảy, lưu lượng qua van tiết lưu phụ thuộc vào tải trọng ngoài và thường không ổn định; 5. Van đảo chiều: thiết bị có chức năng ấn định hướng của dòng môi chất, nó dùng xác định hướng di chuyển của cơ cấu chấp hành. 6. Các rơle áp lực: ấn định trạng thái bắt đầu hay kết thức làm việc của hệ thống; 7. Van một chiều: chỉ cho môi chất di chuyển theo một hướng xác định và khóa hướng lưu thông ngược lại; 8. Các thiết bị khuếch đại lực hoặc momen: Dùng khuếch đại lực hoặc mô men công tác truyền từ cơ cấu điều khiển đến khâu công tác; 9. Các thiết bị tích áp: lưu trữ năng lượng dưới dạng áp lực để bù rò cho hệ thống; 10. Thiết bị đảo chiều phụ: dùng tác động đổi chiều tự động cho dòng môi chất có chức năng điều khiển (phân biệt với dòng công tác). 4. Các loại cơ cấu chấp hành đặc biệt 29 Các cơ cấu dẫn động thủy lực đều có cấu tạo từ một phần tử điều khiển và một động cơ thủy lực. Các động cơ thủy lực có thể là các động cơ quay hoặc tịnh tiến như được chú thích trong bảng 3.2. Các phần từ điều khiển là các van servo đơn hướng như đã mô tả trong chu trình thủy lực của hình 2.14 và được trình bày trong phần 2.3.2. Các van này thường làm việc với một áp suất không đổi thông qua một bộ lưu thủy lực. Đáp ứng theo thời gian tốt vì chỉ có một khối lượng nhỏ được điều khiển trên một quãng đường ngắn. Nhược điểm của việc điều khiển nhờ các van servo là gây ra tổn thất lớn tại các van tiết lưu. Một cách tận dụng năng lượng tốt hơn là điều khiển vị trí bằng thủy lực, xem hình 2.19. 30 Hình 3.3: Điều khiển vị trí Để điều khiển lượng đẩy của bơm ta cần sử dụng một van điều khiển. Tuy nhiên van này không đặt tại bộ phận tạo công suất nên tổn hao cũng nhỏ. Lưu lượng dòng sẽ ấn định quy luật tốc độ của động cơ quay hoặc quy luật vận tốc của động cơ tịnh tiến. Độ lớn của áp suất được điều chỉnh theo tải trọng đặt vào động cơ. Đáp ứng theo thời gian của bộ phận điều khiển không tốt như ở các van servo, bởi vì có một khối lượng lớn hơn chuyển động trên quãng đường dài hơn. Trong việc lựa chọn cơ cấu dẫn động ta phải cân đối giữa thời gian điều chỉnh ngắn (van servo) và hiệu suất cao (điều khiển lượng đẩy). Các loại động cơ quay tròn bằng thủy lực được tổng kết trong bảng 2.8 cùng với các đặc điểm và thông số kỹ thuật điển hình. Động cơ tịnh tiến bằng thủy lực có dạng tác động đơn hướng hoặc hai hướng. Một vài loại động cơ tịnh tiến bằng thủy lực được tập hợp trong bảng 2.6. a. Van trượt có mép điều khiển dương, trung gian và âm Thông thường trên sơ đồ thủy lực người ta ký hiệu: - A, B đường nhánh nối van với buồng làm việc của xy lanh; - P đường nối van với nguồn (bơm); - T đường nối van với bể chứa. Van trượt là van có chức năng ấn định hướng chuyển động của dòng chất lỏng hoặc khí, nó cho phép hoặc ngăn không cho dòng môi chất vào buồng làm việc của xy lanh lực. Do đó nó quyết định hướng của chuyển động công tác, nó còn có thể dựa vào lưu lượng để điều chỉnh tốc độ của cơ cấu chấp hành. Việc điều chỉnh tự động chức năng của van này thường dựa trên tín hiệu điện (sơ cấp) để dễ tự động hóa, và khuếch đại công suất hoặc mô men bằng thủy lực để đạt được độ nhạy tốt khi sử dụng. Dựa trên các nguyên tắc 31 khác nhau khi dịch chuyển lõi trụ trượt người ta có các dạng van đảo chiều với tên gọi khác nhau. Vị trí của van đảo chiều có thể nằm sau bơm, sau van tiết lưu nếu hệ thống điều chỉnh tốc độ bằng tiết lưu. Hình 3.4: Sơ đồ các loại mép điều khiển của van a- Van có mép điều khiển dương (+x0) b- Van có mép điều khiển trung gian (x0 = 0) c- Van có mép điều khiển âm (- x0) d- Đặc tính lý thuyết Q - x(Q-I) Khi x0 > 0 gọi là van trượt có mép điều khiển dương, con trượt di chuyển trong vùng x0 lưu lượng vẫn bằng 0 và vùng này có thể gọi là vùng “chết”. Khi x0 = 0 gọi là van trượt có mép điều khiển trung gian. Khi x0 < 0 gọi là van trượt có mép điều khiển âm, tại vị trí trung gian ( con trượt chưa di chuyển) đã hình thành tiết diện chảy và lưu lượng dầu đã qua van. Hình 3.5: Van đảo chiều lõi trụ trượt hãng FESTO 32 solenoid Hình 3.6: Thông số kỹ thuật một van đảo chiều hãng FESTO Van đảo chiều điều khiển điện có thể chấp nhận tín hiệu vào dạng analogue dải điện thế, hoặc tín hiệu dòng điện. b. Van solenoid Van solenoid gồm một ống dây bao quanh một lõi sắt từ, khi muốn lõi sắt dịch chuyển tịnh tiến, cần tác động một dòng điện lên ống dây. Khi có điện cuộn dây luôn đẩy con trượt đi hết hành trình. Con trượt của van sẽ hoạt động ở hai vị trí (hai đầu ống dây) tùy theo tác động của nam châm. Có thể gọi van solenoid là loại van điều khiển có cấp do nó chỉ có hai trạng thái ON/ OFF. Lưu lượng ở đây phải được tính toán sẵn cho phù hợp với hai trạng thái này. Các vai trụ trượt của van solenoid là gờ trơn, đóng vai trò như piston thông thường trong khi ở van tỉ lệ người ta xẻ các rãnh tam giác nhỏ. T P T lõi Hình 3.7: Van phân phối hoạt động nhờ ống dây solenoid 33 Hình 3.8: Cấu tạo và ký hiệu của van solenoid hai tầng a- Cấu tạo và ký hiệu của van solenoid điều khiển trực tiếp (1,5 - vít hiệu chỉnh vị trí của lõi sắt từ; 2,4 - lò xo; 3,6 - cuộn dây của nam châm điện) b- Cấu tạo và ký hiệu của van solenoid điều khiển gián tiếp (1- van sơ cấp dịch chuyển bằng lực điện; 2- van thứ cấp dịch chuyển bằng lực thủy lực). Hình 3.9: Ví dụ về ứng dụng van solenoid trong điều khiển vị trí Vị trí dừng của bμn máy trên hình vẽ được thực hiện bằng mạch điều khiển logic dùng rơle, ngắt trạng thái hoặc PLC, thông qua vị trí của khoá giới hạn như ở hình phía 34 trên. Hình thức điều khiển này đơn giản, giá thành thấp và phù hợp với yêu cầu của nhiều thiết bị, dây chuyền tự động. Tuy nhiên khi khóa giới hạn bị tác động thì bàn máy không thể dừng ngay mà phải mất một khoảng thời gian nào đó. Điều này dẫn tới vị trí dừng của bàn máy không chính xác do ảnh hưởng bởi các yếu tố sau đây : - Thời gian đáp ứng của van; - Khối lượng và vận tốc chuyển động; - Thể tích chứa dầu trong xylanh và đường ống dẫn; - Mô đun đàn hồi của dầu; - Ma sát của các bộ phận chuyển động; - Sự rò dầu; - Thời gian tác động của khóa giới hạn và của rơle; - Thời gian nhận tín hiệu phản hồi của bộ PLC (nếu điều khiển PLC). Các yếu tố trên khó có thể xác định một cách chính xác và chúng có thể thay đổi trong suốt quá trình hoạt động của máy. Nên vị trí dừng của bàn máy sẽ nằm trong một vùng nhất định như hình vẽ bên dưới. c. Van tỷ lệ Van tỉ lệ được chia làm hai nhóm là van tỉ lệ lưu lượng và van tỉ lệ áp suất. Trong trường hợp van tỉ lệ lưu lượng, cuộn cảm làm dịch chuyển con trượt của van, được giữ bởi một lò xo trên thân van. Các đặc tính của cuộn cảm trong toàn bộ hành trình của con trượt, là hàm của dòng điện đầu vào lực đẩy từ cuộn cảm tỉ lệ lên lõi trụ trượt có thể thay đổi được. Ứng với các giá trị có thể của dòng điện vào, có một vị trí nhất định mà tại đó lực điện từ của cuộn cảm cân bằng với lực phản hồi của lò xo. lõi cu?n c?m vòng lót phi t? Hình 3.10 : Sơ đồ cuộn cảm servo Cấu tạo của van tỷ lệ như hình 3.11 gồm: Thân van, con trượt, nam châm điện. Để thay đổi tiết diện chảy của van, tức là thay đổi hành trình của con trượt bằng cách thay đổi dòng điện điều khiển nam châm. Có thể điều khiển con trượt ở vị trí bất kỳ trong phạm vi điều chỉnh bằng cách thay đổi vô cấp dòng điện i điều chỉnh nam châm nên van tỷ lệ có thể gọi là loại van điều khiển vô cấp, đây là điểm khác biệt cơ bản giữa van tỉ lệ và van solenoid. 35 Hình 3.11: Van tỉ lệ lưu lượng điều khiển trực tiếp (1 cấp) và chi tiết lõi trượt sử dụng trên van Các van tỉ lệ lưu lượng có thể có hai tầng, Trong trường hợp này đầu ra của van tỉ lệ dẫn hướng (sơ cấp) đưa tới các khoang cuối của một van kiểu con trượt có kích cỡ lớn hơn, cho phép đạt được lưu lượng lớn hơn đồng thời giảm được các sai số. Hình 3.12: Van tỉ lệ lưu lượng hai tầng Trên hình vẽ các đường X. Y là đường điều khiển; Các đường A, B tới xy lanh công tác; Đường P tới nguồn; Đường T về bể chứa. Trong sơ đồ trên van tỉ lệ này đã bao gồm cả cảm biến vị trí của tầng sơ cấp và thứ cấp. Với trường hợp yêu cầu vị trí chính xác của con trượt có thể dùng phản hồi vị trí, như vậy cần đến một cảm biến vị trí của lõi trụ trượt để nhận biết chính xác vị trí của nó 36 nhằm điều chỉnh chính xác. Độ chính xác vị trí trong trường hợp này được cải thiện đồng thời còn bù được sai số do ma sát giữa các phần di động. Hình 3.13 : Sơ đồ bố trí cảm biến vị trí trên van tỉ lệ Trong trường hợp áp lực của hệ thống lớn có thể thiết kế một con trượt thứ hai trong lõi van tỉ lệ để bù áp đảm bảo làm việc của nó không phụ thuộc vào tải trong ngoài. Hình 3.14:Van tỉ lệ có bộ bù áp suất Tương tự như valve trên, lõi cuộn solenoid tỷ lệ số 2 sẽ tác động lên con trượt tiết lưu số 1 để khóa bớt đường dầu từ A đến B. Phần lõi valve số 3 đóng vai trò bộ pressure compensator đảm bảo valve tỷ lệ điều chỉnh lưu lượng không phụ thuộc vào tải làm việc. Nó cũng có thể được gắn thêm bộ theo dõi vị trí của lõi con trượt để lấy tín hiệu phản hồi lên bộ điều khiển. Cũng giống như các valve thông thường, valve tỷ lệ loại này cũng thường được gắn trên các tầng valve chính để điều khiển các hệ thống có lưu lượng to hơn. Ngoài van tỉ lệ lưu lượng còn có van tỉ lệ áp suất: 37 Hình 3.15: Van tỉ lệ áp suất Valve tỷ lệ loại này cũng bao gồm cuộn solenoid "tỷ lệ" số 1 tác động một lực ép lên kim áp suất số 3 thông qua lò xo số 2. Bằng cách thay đổi cường độ dòng điện cấp vào cuộn solenoid, lõi ty cuộn solenoid dịch chuyển tương ứng và do đó thay đổi độ cứng của lò xo dẫn đến thay đổi áp suất mở của kim áp suất số 3. Nhờ có bộ chuyển đổi tín hiệu áp suất thành tín hiệu dòng điện số 5 và card điện tử số 6 gắn trên valve, giá trị áp suất làm việc được biến đổi thành giá trị điện để điều khiển valve tỷ lệ áp suất kiểu này. Một số sơ đồ ứng dụng điều khiển với van tỉ lệ - Van tỉ lệ không phản hồi Chú ý rằng mạch điều khiển ở đây có 2 khái niệm phản hồi, phản hồi của van và phản hồi của hệ thống. Ở đây xét mạch điều khiển sử dụng van không có phản hồi. 38 Hình 3.16: Sơ đồ mạch điều khiển vị trí sử dụng van tỉ lệ không phản hồi điện Qua bộ khuếch đại dòng điện điều khiển van được điều khiển bằng tín hiệu điện áp vào như hình vẽ. Tùy thuộc vào kích thước của van mà thời gian đáp ứng sẽ nằm trong khoảng 50 ms đến 150 ms. Nếu có cảm biến vị trí cung cấp tín hiệu phản hồi liên tục sẽ có mạch điều khiển vị trí liên tục (phản hồi của hệ, phân biệt với phản hồi của van). Hình 3.17: Van tỉ lệ với phản hồi của hệ trong điều khiển vị trí Khi cho tín hiệu điện áp vào C, bộ khuếch đại sẽ tạo ra dòng điện I tương ứng để điều khiển tiết diện chảy của van. Lưu lượng qua van cung cấp cho xylanh làm pittông di chuyển. Cảm biến vị trí dạng biến trở gắn trên đầu của pittông cũng di chuyển, tạo ra 39 điện áp phản hồi (F) truyền về bộ khuếch đại và so sánh với điện áp điều khiển (C) nhằm san bằng sự sai lệch E. Khi điện áp so sánh có sai lệch E = 0 thì pittông sẽ dừng ở vị trí tương ứng. Trong mạch điều khiển trên, hành trình h của pittông, chiều dài và điện áp của cảm biến vị trí và điện áp tín hiệu vào phải có quan hệ tương thích. Khi pittông ở vị trí 0 thì điện áp phản hồi phải báo giá trị bằng 0 V. Khi pittông ở vị trí max (h = 1000 mm) thì cảm biến vị trí có giá trị + 10 V. Tương ứng với mối quan hệ đó tín hiệu điện áp điều khiển thay đổi từ 0 đến +10v. Khi vào bộ so sánh, tín hiệu phản hồi ngược dấu với tín hiệu vào và thực hiện san bằng điện áp. Ví dụ, cần điều khiển pittông di chuyển đi 500 mm thì tín hiệu vào dạng step sẽ tương đương là +5 vôn. Khi pittông chưa di chuyển (ở thời điểm ban đầu) thì tín hiệu phản hồi F = 0 và lúc này tín hiệu so sánh là E = C − F = 5 V − 0 = 5 V. Bộ khuếch đại có tín hiệu vào 5 V sẽ sinh ra dòng điện tương ứng để điều khiển van. Giả sử 5 V tương ứng với vận tốc của pittông là 200 mm/s và di chuyển hết quãng đường là 500 mm với thời gian là 2,5 s. Sau 1s pittông di chuyển được 200 mm/s tương ứng với tín hiệu phản hồi F là 2 V và tín hiệu so sánh sẽ là : 5 V − 2 V = 3 V. Nếu tín hiệu so sánh giảm từ 5 V xuống còn 3 V thì vận tốc pittông giảm từ 200 mm/s xuống còn 120 mm/s. Hình 3.18: So sánh tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi Hành trình di chuyển của piston sau 2s là 200 + 120 = 320 (mm), cứ tiếp tục quá trình này cho đến khi tín hiệu so sánh E = 0 thì piston di chuyển hết hành trình trong khoảng 2.5s. Để thời gian đáp ứng nhanh có thể tăng tốc độ piston bằng cách tăng hệ số khuếch đại. - Các mạch nguyên lý sử dụng van tỉ lệ có phản hồi Để khắc phục hiện tượng vùng chết của van, người ta sử dụng van có phản hồi. 40 Hình 3.19: Sơ đồ khối mạch điều khiển vị trí sử dụng van tỉ lệ có phản hồi Van tỉ lệ có phản hồi sẽ có bộ khuếch đại và bộ phản hồi riêng như hình vẽ, so với van tỉ lệ không phản hồi thì loại có phản hồi có thời gian đáp ứng nhanh từ 12 – 37 ms và sai số do hiện tượng từ trể nhỏ khoảng 1%. d. Van servo Để hiểu rõ mục này cần xem xét hai phương pháp điều khiển bằng phần tử tia trong truyền dẫn thủy lực hoặc khí nén: Điều khiển lưu lượng dùng vòi phun ống thu: Hình 3.20: Vòi phun ống thu Có thể dùng phương pháp tiết lưu bằng cách che chắn ở lỗ tiếp nhận dòng chất lỏng (hoặc khí) như hình vẽ, nếu vòi phun có di chuyển z+ hay z -, tức là quay quanh tâm của nó để điều chỉnh lưu lượng tới cửa a và cửa b khác nhau. Khi z = 0 lưu lượng ở hai cửa cân bằng. Ở đây tín hiệu điều khiển là sự dịch chuyển z của vòi phun. Áp suất trên đường ra x tỉ lệ nghịch với khe hở s giữa lá chắn và miệng vòi phun. Khi s = 0 áp suất ra cửa x bằng áp suất nguồn. Hai loại vòi phun trên đây là cơ sở cho kết cấu van servo. Z- Z+ P a b 41 42 Hình 3.22a: Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van servo Kiểu vòi phun bản chắn Hình 3.23: Mặt cắt dọc van servo dạng vòi phun bản chắn Cả van servo và van tỉ lệ được dùng cho điều khiển vô cấp vị trí, tốc độ và lực của một cơ cấu chấp hành thủy lực, yêu cầu độ chính xác vị trí hoặc chính xác trong điều kiện chạy và dải tần số làm việc, trong cả hai cấu trúc vòng kín và vòng hở. Trong các trường hợp cần thiết thì các van có thể được điều khiển theo nhiều bước. Độ khuếch đại tổng bằng tích của các độ khuếch đại riêng của từng bước. Đối với các van servo nhiều tầng, độ khuếch đại tổng có thể đạt tới >10 8 . Van servo hay van tỉ lệ là một bộ phận của hệ thủy lực có thể sinh ra đầu ra điều khiển được và hàm của đầu vào dạng điện. Thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện thành tác động vào cửa van là nam châm điện của động cơ mô men hoặc cuộn cảm tỉ lệ. Động cơ mô men chuyển dòng điện một chiều nhỏ sang mô men tác động lên mặt rotor ở chế độ lưỡng cực trong van servo. Trong khi cuộn cảm tỉ lệ sinh ra lực tác động đơn hướng trên hàm phần ứng di động của dòng điện trong cuộn dây, với đặc tính duy trì lực này gần như không đổi trong dải di chuyển con chạy (lõi trụ trượt). Động cơ mô men với các giá trị dòng điện và điện cảm thấp có thời gian đáp ứng ngắn hơn cuộn cảm servo, đặc biệt là hoạt động với dòng điện cao nhưng sinh ra công suất cơ thấp hơn so với cuộn cảm tỉ lệ. Do đó động cơ mô men tạo thành tầng dẫn hướng thường thấy trong các van servo, còn cuộn cảm servo được dùng trong các van tỉ lệ tác động trực tiếp lên các con trượt. Các van servo điều chỉnh lưu lượng dòng chảy chia thành hai nhóm dựa trên cách chúng tạo ra sự chuyển đổi điện – thủy lực: - Dạng vòi phun bản chắn; - Dạng vòi phun ống thu. Hình 3.22b mô tả một van servo kiểu hai tầng với đầu vào điều khiển bằng điện từ, một bộ tiền khuếch đại thủy lực dựa trên nguyên lý vòi phun bản chắn, cũng như 43 một bộ chuyển đổi thủy lực với con trượt điều khiển chính. Hình 3.22b: Van servo hai tầng kiểu vòi phun bản chắn Sản phẩm này do nhiều hãng thiết kế và chế tạo nên kết cấu cũng rất đa dạng. Bộ phận điều khiển con trượt của van servo thể hiện trên hình 3.5a. Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng trên đó có hai cuộn dây và cánh chặn dầu ngàm với phần ứng, tạo nên một kết cấu vững. Hoạt động của van kiểu vòi phun bản chắn khá đơn giản, gồm ba quá trình tuần tự trong một chu kỳ đóng điện vào động cơ mô men: 1 - Đưa vào cuộn dây một dòng điện để động cơ mô men tác động lên mặt rotor một mô men quay (M1), làm càng đàn hồi di chuyển bản chắn lại gần một trong hai miệng vòi phun. Áp lực tăng do khe hở giảm làm giảm lưu lượng qua vòi phun này, buồng cấp dầu cho vòi phun bị chặn có áp suất tăng lên. Lượng chênh áp trong các buồng của van trượt thủy lực cấp 2 làm di chuyển lõi trụ trượt mở đường cấp A hoặc B tới xy lanh công tác. 2 - Lõi trụ trượt di chuyển làm cong càng đàn hồi tạo ra một mô men M2 chống lại M1. Đây là tín hiệu phản hồi cần có của hệ điều chỉnh servo, khi M2 bằng với M1 trụ trượt nằm ở vị trí cân bằng và duy trì lưu lượng tới buồng làm việc của xy lanh công tác. 3 - Nếu ngắt điện khỏi động cơ mô men, mô men M1 mất theo, càng đàn hồi duỗi ra do đàn hồi và bị vòi phun đẩy về vị trí trung gian như ban đầu nên M2 cũng không còn, 2 lò xo xác định vị trí điểm 0 của lõi trụ trượt tác động đem trụ trượt về vị trí trung gian. Hai vòi phun có lưu lượng cân bằng trở lại, hai buồng chứa có áp cân bằng cũng góp phần đẩy con trượt di chuyển về trạng thái trung gian ngắt hết các đường A, B nên không có dầu tới xy lanh công tác. Quá trình chuyển động thực hiện xong một chu kỳ ứng với 1 lần cấp nguồn cho động cơ mô men. Nếu hành động cấp nguồn xảy ra liên tục thì chuyển động cũng liên tục và ngược lại. Có thể thấy nếu không nhờ có liên hệ ngược chuyển động A hay B đã được phát động có tốc độ phụ thuộc vào sự cân bằng của M1 và M2 khó duy trì do vị trí 44 AM P N N mô men xoay S S Xa X j X s P P T con trượt di động liên tục. Ký hiệu của van servo: Hình 3.24: Kí hiệu của van servo Trong công nghiệp thường dòng công tác trực tiếp dịch chuyển phần chấp hành cần có công suất lớn, thiết bị có một tầng điều khiển không thể đủ để tạo ra độ nhạy cần thiết, hoặc lực điều khiển lớn khó khăn trong vấn đề duy trì nguồn nuôi. Việc tách ra nhiều tầng gồm dòng điều khiển và dòng chấp hành chính là nhằm khắc phục nhược điểm trên, nhất là khi động cơ mô men sinh ra mô men cơ học bé hơn cuộn cảm tỉ lệ. Nhược điểm của van servo vòi phun bản chắn là phải lọc toàn bộ lượng dầu sử dụng (gồm dòng điều khiển và dòng công tác) một cách kỹ lưỡng, cách này hơi phức tạp và tốn kém. Để khắc phục nhược điểm trên người ta sử dụng van servo vòi phun ống thu (điều chỉnh phần tử tia). Bài tập: 1. Cơ cấu chấp hành là gì? Nêu ví dụ. 2. Hãy nêu nguyên lý điều khiển cơ cấu chấp hành trong hệ thống cơ điện tử. 3. Tại sao phải cân chỉnh các cơ cấu chấp hành. 4. Hãy nêu một cơ cấu chấp hành trong hệ thống cơ điện tử và các bước cân chỉnh chúng. 5. So sánh giữa bảo trì và bảo dưỡng. 6. Lập bảng bảo trì, bảo dưỡng hệ thống MPS