Giới thiệu về cảm biến và cơ cấu chấp hành (Phần 2-Cơ cấu chấp hành) (22/09/2017)
 

2. Cơ cấu chấp hành

Về cơ bản, các cơ cấu chấp hành là phần cơ phía sau một hệ cơ điện tử, nhận lệnh điều khiển (hầu hết là dạng tín hiệu điện) và sinh ra một sự thay đổi trong hệ vật lý bằng cách tạo lực, chuyển động, nhiệt, dòng chảy, v.v.. Thông thường, các cơ cấu chấp hành được sử dụng kết hợp với nguồn năng lượng và một cơ cấu ghép nối như trên Hình 7. Phần nguồn cung cấp năng lượng AC hoặc DC với điện áp hay dòng điện định mức. Cơ cấu ly hợp là phần trung gian giữa cơ cấu chấp hành và hệ vật lý. Các cơ cấu thông thường là thanh răng-bánh răng, truyền động bánh răng, truyền đông đai, vítme-đai ốc, pít-tông và các thanh nối.

Bảng 2. Các dạng cơ cấu chấp hành và đặc tính của chúng

Cơ cấu chấp hành

Đặc tính

Điện

Điôt, thyristơ, tranzito lưỡng cực, triăc, điăc, MOSFET công suất, rơle bán dẫn, v.v..

Dạng điện tử

Đáp ứng tần số rất cao

Tiêu thụ năng lượng thấp

Điện cơ

Động cơ 1 chiều

Trường kích

Kích thích độc lập

Tốc độ có thể điều khiển hoặc bằng điện áp chạy trong cuộn dây phần ứng hoặc bằng cách thay đổi dòng điện trường

Mắc sơn

Ứng dụng tốc độ không đổi

Tổ hợp

Mômen khởi động cao, mômen gia tốc cao, tốc độ cao với tải nhẹ

Không ổn định khi tải nặng

Nam châm vĩnh cửu

Động cơ nam châm vĩnh cửu truyền thống

Hiệu suất cao, công suất đỉnh cao, và đáp ứng nhanh

Động cơ nam châm vĩnh cửu cuộn dây chuyển động

Hiệu suất cao hơn và độ cảm thấp hơn động cơ một chiều truyền thống

Động cơ mômen

Được thiết kế để chạy thời gian dài trong điều kiện chết máy hoặc vòng quay thấp

 

Truyền thông điện tử (động cơ không chổi quét)

Đáp ứng nhanh

Hiệu suất cao, thường hơn 75%

Tuổi thọ dài, độ tin cậy cao, không cần bảo dưỡng

Sinh nhiễu tần số sóng thấp

Động cơ xoay chiều

Động cơ cảm ứng xoay chiều

Là động cơ được dùng nhiều nhất trong công nghiệp

Đơn giản, khỏe, và rẻ

Động cơ đồng bộ xoay chiều

Rôto quay với tốc độ đồng bộ

Hiệu suất rất cao trên dải vận tốc và tải rộng

Cần hệ thống trợ giúp để khởi động

 

 

Tuổi thọ tương đối ngắn

Động cơ bước

Lai ghép

Thay đổi xung điện trong chuyển động cơ học

Sinh ra vị trí chính xác không cần phản hồi

Từ trở biến thiên

Bảo dưỡng ít

Điện từ

Thiết bị dạng solenoid

Lực lớn, khoảng thời gian ngắn

Nam châm điện từ, rơle

Điều khiển đóng/mở

Thủy lực và khí nén

Xy lanh

 

Thích hợp cho chuyển động tuyến tính

Động cơ thủy lực

Dạng bánh răng

Dải tốc độ rộng

Dạng van

Đầu ra mã lực lớn

Dạng piston

Độ tin cậy cao

Động cơ khí

Dạng quay

Không có rủi ro sốc điện

 

Dạng truyền động qua lại

Bảo dưỡng ít

Van

Van điều hướng

 

 

Van điều khiển áp suất

 

 

Van điều khiển quá trình

 

Cơ cấu chấp hành vật liệu thông minh

Áp điện & 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

Vi cơ cấu chấp hành và nano cơ cấu chấp hành

Vi động cơ

 

Thích hợp với các hệ vi cơ

Vi van

 

Có thể dùng công nghệ xử lý silicôn sẵn có, như động cơ tĩnh điện

Vi bơm

 

Có thể dùng bất cứ vật liệu thông minh nào

Phân loại

Cơ cấu chấp hành có thể phân loại dựa trên dạng năng lượng như liệt kê trong bảng 16.2. Bảng này liệt kê tất cả các dạng cơ bản nhất. Về cơ bản có các dạng điện, điện-cơ, điện-từ, thủy lực và khí nén. Các dạng cơ cấu chấp hành thế hệ mới bao gồm cơ cấu chấp hành vật liệu thông minh, vi cơ cấu chấp hành và cơ cấu chấp hành nano.

Cơ cấu chấp hành cũng có thể phân loại thành dạng nhị phân liên tục dựa trên số lượng đầu ra trạng thái ổn định. Một rơle với 2 trạng thái ổn định là một ví dụ điển hình của cơ cấu chấp hành dạng nhị phân. Tương tự, một động cơ bước là một ví dụ điển hình cho cơ cấu chấp hành dạng liên tục. Khi được dùng cho điều khiển vị trí, động cơ bước có thể cung cấp các đầu ra ổn định với số gia dịch chuyển rất nhỏ.

Nguyên lý hoạt động

Cơ cấu chấp hành điện

Các bộ chuyển mạch điện là sự lựa chọn của các cơ cấu chấp hành dùng cho hầu hết các hoạt động điều khiển đóng-mở. Các thiết bị chuyển mạch như điôt, tranzito, triac, MOSFET, rơle nhận một tín hiệu ra lệnh ở cấp năng lượng thấp từ bộ điều khiển và tác động đóng hay mở các thiết bị điện như động cơ, van và các bộ phận nung. Ví dụ, một bộ chuyển MOSFET được thấy trên Hình 8. Cực cổng nhận tín hiệu điều khiển mức năng lượng thấp từ bộ điều khiển để đóng hoặc ngắt kết nối giữa nguồn cung cấp và tải cơ cấu chấp hành. Khi sử dụng các chuyển mạch, nhà thiết kế phải chắc chắn loại bỏ được vấn đề nhảy trạng thái bằng phần cứng hoặc bằng phần mềm.

Cơ cấu chấp hành điện cơ

Cơ cấu chấp hành điện cơ thông dụng nhất là động cơ, biến đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học. Các động cơ là thiết bị chủ yếu dùng cho việc biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học trong công nghiệp. Nói chung, động cơ có thể được phân thành động cơ một chiều, động cơ xoay chiều, động cơ bước. Động cơ một chiều hoạt động nhờ điện áp một chiều và việc thay đổi điện áp có thể dễ dàng điều khiển tốc độ của chúng. Động cơ được dùng rộng rãi trong dải các ứng dụng từ các động cơ hàng nghìn mã lực dùng trong cán cuộn tới các động cơ mã lực nhỏ dùng trong ô tô (động cơ khởi động, động cơ quạt, động cơ gạt nước, v.v..).

 H7-3.2017.GIF

Hình 7. Thiết bị chấp hành thông thường

 H8-3.2017.GIF

Hình 8. MOSFET công suất n-kênh

Tuy nhiên, loại động cơ này có giá thành cao do cần nguồn một chiều và yêu cầu bảo dưỡng nhiều hơn so với động cơ xoay chiều.

Phương trình chuyển động chính của một động cơ một chiều như sau: T=J(dω/dt)+TL+Tioss

Ở đây, T là mômen, J là mômen quán tính tổng, ω là vận tốc góc của động cơ,Tioss là tổn hao cơ bên trong như ma sát.

Động cơ xoay chiều phổ biến nhất do chúng dùng nguồn xoay chiều chuẩn, không cần chổi than và vành chuyển mạch, và do đó rẻ hơn. Động cơ AC có thể phân loại thành động cơ cảm ứng, động cơ đồng bộ, và động cơ vạn năng theo cấu trúc vật lý của chúng. Động cơ cảm ứng đơn giản, khỏe, và dễ bảo dưỡng. Chúng có sẵn với nhiều kích thước và hình dạng dựa trên số pha cần dùng. Ví dụ, động cơ cảm ứng ba pha được dùng trong các ứng dụng công suất lớn, như truyền động bơm, cán thép, thang máy hoặc xe cộ. Động cơ servo hai pha được dùng rộng rãi trong các hệ điều khiển vị trí. Động cơ cảm ứng một pha được dùng nhiều trong các thiết bị gia dụng. Động cơ đồng bộ là một trong những động cơ điện có hiệu suất cao nhất trong công nghiệp, nên nó được dùng để giảm chi phí năng lượng điện. Thêm vào đó, động cơ đồng bộ quay với tốc độ đồng bộ, nên chúng cũng được dùng trong các ứng dụng cần hoạt động đồng bộ. Động cơ vạn năng hoạt động với nguồn xoay chiều hoặc một chiều. Chúng thường được dùng trong các ứng dụng công suất nhỏ. Động cơ vạn năng một chiều có tỷ số công suất/khối lượng cao nhất, nhưng có thời gian hoạt động tương đối ngắn.

Động cơ bước là loại động cơ rời rạc vị trí (số gia bước), tại thời điểm ứng với mỗi xung điều khiển đầu vào, động cơ dịch chuyển một bước. Do chúng nhận lệnh số trực tiếp và sinh ra chuyển động cơ học, các động cơ bước được dùng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp. Phần lớn, chúng được dùng trong các ứng dụng công suất nhỏ. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các bộ truyền động bán dẫn tần số cao và sự giảm giá thành, chúng ngày càng được ứng dụng nhiều.

 H9-3.2017.GIF

Hình 9. Động cơ bước đơn cực

Hình 9 cho thấy một động cơ bước đơn cực đơn giản. Cuộn dây 1 nằm giữa cực stato trên và dưới, cuộn dây 2 nằm giữa các cực trái và phải của động cơ. Rôto là một nam châm vĩnh cửu với sáu cực có góc bước đơn 30o. Với việc kích thích cuộn 1 thích hợp, cực stato trên trở thành cực bắc và cực stato dưới trở thành cực nam. Tác động của nó sẽ hút rôto ở vị trí như trên hình vẽ. Bây giờ nếu cuộn 1 được nạp điện lại và cuộn 2 được nạp điện, rôto sẽ quay góc 30o. Bằng việc chọn dòng điện thích hợp qua cuộn dây 2, rôto có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Bằng việc kích thích theo thứ tự hai cuộn dây, động cơ có thể quay với tốc độ mong muốn một cách liên tục.

Cơ cấu chấp hành điện từ

Solenoid là cơ cấu chấp hành điện từ thông dụng nhất. Một cơ cấu chấp hành solenoid một chiều bao gồm một lõi sắt từ nằm trong một cuộn dây mang điện. Khi cuộn dây có điện, từ trường sinh ra lực đẩy hoặc kéo lõi sắt. Các cuộn kim loại xoay chiều cũng có thể xem như rơle kích thích xoay chiều.

Một solenoid điều khiển một van định hướng được đưa ra trên Hình 10. Thông thường, do lực lò xo, lõi sắt mềm được đẩy sang vị trí tận cùng bên trái. Khi solenoid được kích thích, lõi sắt từ sẽ chuyển sang vị trí tận cùng bên phải nhờ đó sinh ra sự khởi động điện từ.

Một dạng quan trọng khác là nam châm điện. Các nam châm điện được dùng rộng rãi trong các ứng dụng cần lực lớn.

Cơ cấu chấp hành thủy lực và khí nén

Các cơ cấu chấp hành thủy lực và khí nén thường là động cơ quay hoặc pít-tông/xy lanh hay van điều khiển. Chúng phù hợp cho các ứng dụng cần lực cùng với dịch chuyển lớn. Cơ cấu chấp hành khí nén dùng khí nén, thích hợp cho các ứng dụng lực thấp và trung bình, hành trình ngắn và tốc độ cao. Các cơ cấu chấp hành dùng dầu áp lực không được nén. Chúng có thể sinh ra lực rất lớn cùng với dịch chuyển lớn một cách hiệu quả. Nhược điểm của các cơ cấu chấp hành này là phức tạp và phải bảo dưỡng nhiều.

Các động cơ quay thường được dùng trong các ứng dụng vận tốc thấp và mômen lớn. Các cơ cấu chấp hành xy lanh/pít-tông thích hợp cho ứng dụng chuyển động tịnh tiến như điều khiển cánh máy bay. Van điều khiển ở dạng van điều khiển định hướng được dùng kết hợp với động cơ quay và xy lanh để điều khiển hướng dòng chất lỏng như Hình 10. Trong các van điều khiển định hướng điều khiển bởi solenoid, vị trí van quyết định hướng dịch chuyển của xy lanh/pít-tông.

 H10-3.2017.GIF

Hình 10. Van điều hướng được hoạt động solenoid

 H11-3.2017.GIF

Hình 11. Thay đổi pha của hợp kim nhớ hình thù

 H12-3.2017.GIF

Hình 12. Cơ cấu chấp hành áp điện

Các cơ cấu chấp hành vật liệu thông minh

Không giống như các cơ cấu chấp hành truyền thống, các cơ cấu chấp hành vật liệu thông minh thường trở thành một phần của cấu trúc mang tải. Chúng được  nhúng trong các cơ cấu chấp hành theo cách phân tán và tích hợp trong một cấu trúc mang tải có thể được dùng để khử dao động, loại bỏ nhiễu và thay đổi hình dạng. Trong số rất nhiều loại cơ cấu chấp hành vật liệu thông minh, hợp kim tạo hình, áp điện (PZT), từ giảo, dòng lưu biến điện,hợp chất cao phân tử trao đổi iôn là thông dụng nhất.

Hợp kim tạo hình (SMA) là hợp kim của niken và titan chịu chuyển pha khi đặt trong trường nhiệt. Các SMA cũng được biết đến là NITINOL ở Phòng thí nghiệm hậu cần hải quân về Niken và Titan của Mỹ. Khi được làm lạnh dưới nhiệt độ tới hạn, cấu trúc tinh thể của chúng sẽ vào pha mactensit như thấy trên Hình 11. Trong trạng thái này, hợp kim là chất dẻo và có thể tạo hình dễ dàng. Khi hợp kim được nung trên nhiệt độ tới hạn (trong khoảng 50-80oC), nó sẽ chuyển thành pha austenitic. Ở đây, hợp kim phục hồi hình dạng mà nó có ở nhiệt độ cao hơn. Ví dụ, một dây dẫn thẳng tại nhiệt độ phòng có thể được làm thành hình dạng bán nguyệt định trước, khi nung nóng, được thấy trong các ứng dụng trong nha khoa và các thiết bị áp lực khác. Các dây này thông thường được nung nóng bằng cách cho dòng điện chạy qua (lên tới cỡ vài ampe), giá trị 0 tại điện áp rất thấp (thông thường 2-10 V).

Cơ cấu chấp hành PZT chủ yếu là các áp tinh thể với các tấm dẫn trên và dưới được thấy trên Hình 13. Khi dẫn một điện áp dọc hai tấm dẫn, tinh thể mở rộng theo chiều ngang được biểu diễn bằng nét chấm. Khi đảo cực điện áp, tinh thể co lại nhờ đó sinh ra dịch chuyển hai chiều. Mối quan hệ giữa điện và cơ của vật liệu áp điện có thể biểu diễn như sau: T = cES-eE

ở đây T là ứng suất, cE là hệ số đàn hồi tại điện trường không đổi, S là biến dạng, e là điện dung của điên môi, và E là điện trường.

 H13-3.2017.GIF

Hình 13. Dao động của dầm sử dụng cơ cấu chấp hành áp điện

 H14-3.2017.GIF

Hình 14. Cơ cấu chấp hành từ giảo dạng thanh

Một ứng dụng của các cơ cấu chấp hành này được đưa ra trên Hình 13. Hai miếng áp điện được kích thích ở cực dương để tạo dao động ngang ở dầm công xô. Các cơ cấu chấp hành này có dải tần rộng (thông thường 0–10 kHz) với dịch chuyển nhỏ. Do không có các bộ phận chuyển động trong cơ cấu chấp hành nên chúng gọn và thích hợp cho các chấp hành cỡ micro và nano. Không giống hoạt động hai chiều của cơ cấu chấp hành áp điện, hiệu ứng điện giảo là hiệu ứng bậc hai, nghĩa là, nó phản ứng lại một điện trường với việc mở rộng vô hướng không xét cực.

Vật liệu từ giảo là một hợp kim của tecbi, đyprosi, và sắt tạo các biến dạng cơ học lên tới 2000 vi biến dạng hưởng ứng từ trường. Chúng có sẵn dưới dạng thanh, tấm, vòng đệm, và bột. Hình 14 cho thấy một cơ cấu chấp hành dạng thanh từ giảo thông thường được đặt trong một cuộn từ tính. Khi cuộn dây được kích thích, thanh dài ra theo tỷ lệ với mật độ từ trường sinh ra. Quan hệ điện từ được cho như sau: ε = SHσ+dH

ở đây, ε là biến dạng, SH là độ thuận tại từ trường không đổi, σ là ứng suất, d là hằng số từ giảo, và H là mật độ từ trường.

Hợp chất cao phân tử trao đổi iôn lợi dụng hiện tượng thấm điện của các chất dẻo iôn hóa tự nhiên dùng cho mục đích chấp hành. Khi cấp một điện thế vào mạngđiện phân liên kết ngang, các cụm có khả năng iôn tạo thành một mạng điện tích sinh ra biến dạng cơ học. Các dạng cơ cấu chấp hành này đã được dùng để phát triển cơ nhân tạo và chi nhân tạo. Ưu điểm cơ bản là khả năng tạo ra biến dạng lớn với kích thích điện áp tương đối thấp.

Vi cơ cấu chấp hành và nano cơ cấu chấp hành

Các vi cơ cấu chấp hành, hay còn được gọi là các vi máy, hệ vi cơ điện tử (MEMS), và vi hệ thống là các thiết bị di động cỡ nhỏ đang được phát triển nhờ qui trình vi điện tử chuẩn với sự tích hợp các bán dẫn và các thành phần vi cơ. Một định nghĩa khác phát biểu rằng bất kỳ thiết bị nào được sản xuất bằng cách lắp ráp các bộ phận chức năng cực nhỏ trong khoảng 1 – 15 mm được gọi là vi máy.

Trong các động cơ tĩnh điện, lực tĩnh điện chiếm ưu thế, không giống như trong các động cơ truyền thống dựa trên các lực từ. Với hệ thống vi cơ nhỏ hơn, lực tĩnh điện đóng vai trò là lực tác động. Hình 15 cho thấy một dạng của động cơ tĩnh điện. Động cơ này là một đĩa hình khuyên với hằng số dẫn suất và điện môi đồng nhất. Khi hoạt động, điện áp đặt vào hai mặt dẫn song song ngăn bởi một lớp cách ly. Động cơ quay với vận tốc không đổi giữa hai lớp đồng tâm, đồng phẳng của các điện cực tĩnh.

 H15-3.2017.GIF

Hình 15. Động cơ tĩnh điện: 1-rôto, 2-cực điện stato

Tiêu chuẩn lựa chọn

Việc chọn lựa cơ cấu chấp hành thích hợp còn khó hơn việc chọn cảm biến, cơ bản do ảnh hưởng của chúng đến động lực học của toàn bộ hệ thống. Hơn nữa, việc chọn cơ cấu chấp hành chi phối bởi công suất và cơ cấu ghép nối của hệ thống. Cơ cấu ghép nối đôi khi không cần nếu đầu ra của cơ cấu chấp hành có thể giao tiếp trực tiếp với hệ vật lý. Ví dụ, việc chọn động cơ tuyến tính thay cho động cơ quay có thể loại trừ việc cần thiết phải có cơ cấu ghép nối để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.

Nói chung, các thông số dưới đây cần xem xét trước khi lựa chọn cơ cấu chấp hành:

Công suất đầu ra liên tục – Lực/mômen lớn nhất có thể đạt được một cách liên tục không vượt quá giới hạn nhiệt độ

Khoảng dịch chuyển – Khoảng dịch chuyển tịnh tiến/quay

Độ phân giải – Số gia lực/mômen nhỏ nhất có thể đạt được

Độ chính xác – Độ tuyến tính hóa của mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra

Lực/mômen đỉnh – Lực/mômen lúc cơ cấu chấp hành dừng

Tổn hao  nhiệt –  Lượng điện năng lớn nhất tổn hao do nhiệt khi hoạt động liên tục

Đặc tính tốc độ Quan hệ lực/mômen và tốc độ

Tốc độ không tải – Tốc độ/vận tốc hoạt động bình thường khi không có tải

Đáp ứng tần số – Dải tần số mà đầu ra đáp ứng chính xác với đầu vào, áp dụng cho các cơ cấu chấp hành tuyến tính

Yêu cầu về công suất – Dạng năng lượng (AC hoặc DC), số pha, cấp điện áp, và công suất dòng điện.

Ngoài các tiêu chuẩn kể trên, còn nhiều thông số khác cũng quan trọng tuỳ theo yêu cầu dạng năng lượng và cơ cấu ghép nối. Ví dụ, nếu chọn cơ cấu ghép nối thanh răng/bánh răng, khe hở và ma sát sẽ ảnh hưởng đến độ phân giải của phần chấp hành.

 


Tin mới
Đăng ký môn học trực tuyến