Bài giảng Thiết kế hệ thốn cơ điện tử - Nguyễn Minh Tuấn

g phần đưới đây (theo sách Mechatronic 
System Design của Shetty).
™ Từ nhiều năm trước đây người ta đã thiết kế và ứng dụng thành 
công những hệ thống đa lĩnh vực. Một trong các hệ thống được sử 
dụng phổ biến nhất là hệ thốngcơ điện. Hệ thống này thường sử 
dụng thuật toán máy tính để điều khiển hoạt động chấp hành của hệ 
thống cơ và điện tử làm nhiệm vụ giao tiếp thông tin qua lại giữa 
máy tính và hệ thống cơ khí.
™ Như vậy hệ thống đa lĩnh vực cũng có cấu trúc giống như hệ thống 
cơ điện tử mà ta đã đề cập. Vậy sự khác nhau giữa hệ thống cơ điện 
tử và hệ thống đa lĩnh vực là gì? 
™ ¾ Điểm khác nhau giữa hệ thống cơ điện tử và hệ thống đa lĩnh 
vực không phải ở các thành phần cấu tạo nên chúng mà là ở trình tự 
mà chúng được thiết kế [Shetty]. Trước đây những hệ thống đa 
ngành sử dụng phương thức thiết kế trình tự, theo từng lĩnh vực riêng 
biệt. Ví dụ như thiết kế một hệ thống cơ điện thì người ta luôn thực 
hiện theo trình tự sau: đầu tiên là thiết kế hệ thống cơ, khi hệ thống 
cơ đã hoàn tất người ta mới thiết kế các mạch điều khiển và mạch 
công suất ở phần điện và cuối cùng là thiết kế thuật toán điều khiển 
cho hệ thống. Mặt hạn chế lớn nhất của phương pháp thiết kế này là 
việc cố định các quá trình thiết kế ở từng lĩnh vực riêng biệt đã tạo 
nên những ràng buộc mới (ràng buộc phát sinh), kết quả là phần 
thiết kế trước luôn ảnh hưởng áp đặt lên phần thiết kế phía sau. 
Nhiều kỹ sư hệ thống đã quen thuộc với câu nói dí dỏm sau:
™ “Thiết kế và xây dựng hệ thống cơ, sau đó mang nó đến cho người 
thợ sơn sơn nó và người kỹ sư hệ thống điều khiển sẽ lắp bộ điều 
khiển cho nó”. 
¾ Phương pháp thiết kế cơ điện tử được đặc trên 
kỹ thuật đồng thời thay cho kỹ thuật trình tự. 
™ Trong ngành kỹ thuật hệ thống thì kỹ thuật đồng thời được ứng dụng 
trong các giai đoạn thiết kế cơ sở (thiết kế sơ bộ). Ở một khía cạnh 
nào đó thì cơ điện tử chính là sự mở rộng của ngành kỹ thuật hệ 
thống, nhưng nó được bổ xung thêm hệ thống thông tin nhằm tạo sự 
thuận lợi trong quá trình thiết kế và kỹ thuật đồng thời được áp 
dụng ở tất cả các giai đoạn thiết kế chứ không phải chỉ ở giai đoạn 
thiết kế cơ sở.
Nhìn chung hệ thống Cơ Điện Tử được cấu thành 
bởi các yếu tố sau:
Sự hình thành và phát triển hệ thống cơ điện tử
1.3 SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ
™ Sản phẩm của cơ điện tử là sản phẩm của nền công nghệ 
kỹ thuật cao, là kết quả của sự vận dụng thành công từ 
khái niệm cơ bản của hệ thống cơ điện tử. Sản phẩm cơ 
điện tử luôn thể hiện những đặc tính vượt trội hơn các 
sản phẩm truyền thống khác. Các đặt tính đó có thể là 
một hay nhiều hơn các đặc tính sau:
+ Thể hiện sự tác động qua lại giữa cơ khí với điện tử và kỹ thuật thông tin
trong các chức năng làm việc.
+ Thể hiện tính linh hoạt và thích ứng cao với các điều kiện môi trường khác
nhau.
+ Là kết quả của chức năng điều khiển một cách thông minh.
+ Thể hiện tính chính xác và kinh tế cao mà không phải với bất cứ sản phẩm
nào cũng có được.
+ Mang tính đồng bộ và đồng loạt cao, được thiết kế theo cấu trúc nên dể
dàng mở rộng và phát triển lên mức cao hơn.
™ Ngày nay, với yêu cầu ngày càng cao của xã hội như 
sản phẩm phải thể tính linh hoạt, an toàn, tiện dụng, có 
tính năng hoạt động thông minh, độ tin cậy cao và giá 
thành hạ thì cơ điện tử chính là giải pháp hoàn hảo cho 
các yêu cầu trên.
™ Sản phẩm cơ điện tử luôn hướng đến yêu cầu đơn 
giản hóa trong sử dụng, thực hiện các chức năng thay thế 
con người và điều này chính là độ phức tạp trong quá 
trình thiết kế. Vì vậy việc thiết kế các sản phẩm hay tiến 
trình xử lý cơ điện tử là kết quả của sự rèn luyện trí óc ở 
nhiều khía cạnh.
™ Các sản phẩm cơ điện tử tiêu biểu bao gồm: 
ƒ camara điện tử, ổ đĩa cứng ở máy tính, các robot công 
nghiệp, máy đo tọa độ 3 chiều, máy hát CD, máy 
photocopy, máy Fax, Mouse, robo chiếu sáng, robo 
dịch chuyển, camara tự động 
™ Những loại xe trước đây đơn thuần chỉ là các kết cấu cơ 
khí chính xác và mọi hoạt động của xe phụ thuộc hồn 
tồn vào người điều khiển. Khi lái xe, người điều khiển 
phải tập trung cao độ dẫn đến tình trạng mệt mỏi, mất tập 
trung dễ gây tai nạn, mặt khác tình trạng ơ nhiễm khĩi bụi 
từ xe hơi cũng đáng để quan tâm. Chính vì vậy các nhà sản 
xuất ơ tơ cố gắng giảm bớt căng thẳng và tạo tiện lợi cho 
người điều khiển ơ tơ, họ kết hợp khéo léo các hệ thống 
điện, điện tử, cơng nghệ tin học, kỹ thuật lập trình, các 
thuật tốn điều khiển lại với nhau. Kết quả là các loại ơ tơ 
ngày càng thơng minh, tiết kiệm nhiên liệu, gon gàng và 
đẹp mắt, và cơng việc phối hợp và đưa các cơng nghệ mới 
vào các loại ơ tơ đã hình thành nên một ngành mới: "Cơ 
điện tử ơ tơ".
™ hệ thống phanh chống bó(ABS)ở nhiều phương tiện di động mục 
đích của động cơ này là nhằm ngăn chặn việc bó cứng một bánh xe 
và như vậy sẽ tránh cho lái xe mất điều khiển hướng lái do bị trượt.
Chương 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ 
THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Chúng ta cần phải nhận thức rõ rằng :
Thiết kế cơ điện tử là một thách thức rất lớn bởi vì nó mang
tính kỹ thuật liên ngành.
Một trong những trở ngại đáng chú ý là tính thống nhất giữa
các lĩnh vực riêng trong quá trình thiết kế.
Thứ hai nữa là khả năng hiểu sai ý tưởng của nhau giữa các
nhà thiết kế thuộc các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau.
Những trở ngại như vậy sẽ dẫn đến sự chậm trể trong quá 
trong quá trình thiết kế. 
A B
C
D
SẢN PHẨM CƠ 
ĐIỆN TỬ
BC
D
Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật điện tử cũng như công
nghệ máy tính đã tạo nên một tiềm năng to lớn trong giao tiếp
và phối hợp thông tin. Có thể nói đây là môi trường giao tiếp
không thể thiếu trong các dự án thiết kế cơ điện tử.
2.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM VÀ CÁC YẾU TỐ HÌNH THÀNH NÊN 
CƠ ĐIỆN TỬ
2.1.1Các Đặc Điểm Đặc Thù Trong Cơ Điện Tử:
Trong cơ điện tử, có một số đặc điểm rất khác nhau bởi các điểm đặc
thù riêng của các thành phần trong nó. Chẳng hạn như để đánh giá bản thiết
kế của một kỹ sư cơ khí thì người ta phải xét trên 300 thông số còn kỹ sư
điện tử thì chỉ khoảng 10% số lượng trên và kỹ sư phần mềm thì chỉ có
khoảng 5-10 thông số để đánh giá trong cả quá trình thiết kế một sản phẩm.
Bởi lý do này nên kinh nghiệm và tuổi tác của các nhà lãnh đạo thiết kế có
sự chênh lệch tiêu biểu như sau: 50 tuổi cho lĩnh vực cơ khí, 40 tuổi cho lĩnh
vực điện-điện tử và 30 cho lĩnh vực phần mềm. Những điểm khác nhau này
cũng có ảnh hưởng không tốt đáng kể cho việc phối hợp trong quá trình
thiết kế.
¾ Nói cách khác, khi yêu cầu ở phần thiết kế cơ khí là
phức tạp, ở phần mềm là tốc độ thực thi thì cơ điện tử sẽ
gồm cả hai yếu tố phức tạp này.
Cơ điện tử là “một cái gì đó” ưu việt hơn nhiều so với sự kết hợp
đơn thuần của cơ khí, điện-điện tử và công nghệ máy tính. 
Những đặc điểm vượt trội của có thể là gồm một hay hơn trong các
đặc điểm sau:
1. Sản phẩm mang những đặc tính kỹ thuật mới mà không thể có
được với công nghệ truyền thống. (Camera, robotics)
2. Phát triển những chức năng thông minh mang tính “nhân bản” 
vào bộ điều khiển máy. 
3. Tăng mức độ linh hoạt cả trong thiết kế, sử dụng và khả năng
thực hiện những chức năng phức tạp. 
4. Sử dụng bộ điều khiển điện tử để tăng cường chất lượng hoạt
động hệ thống, bù lại cho những yếu kém trong thiết kế cơ. 
5. Tích hợp điện tử và thiết bị cơ trong một khối làm giảm kích
thước và giá thành sản xuất ..v.v. (Sensor technologies).
“Linh Hồn” Của Cơ Điện Tử
Có một đặc tính chung không thể thiếu trong các hệ thống cơ điện tử đó là 
sự phối hợp, tác động lẩn nhau giữa cơ khí, điện -điện tử và hệ thống 
thông tin. Sự phối hợp này không chỉ được thực hiện trong phương diện kỹ 
thuật mà còn ở nhiều phương diện khác, chẳng hạn như trong phân tích các 
nhu cầu của thị trường về sản phẩm, các yếu tố tài nguyên, môi trường  
Sự phối hợp ở đây mang một ý nghĩa toàn diện. 
Những đặc điểm khác nhau đặc trưng giữa cơ điện tử và hệ thống cơ khí, 
giữa cơ điện tử và điện tử/phần mềm sẽ được thể hiện rõ trong bảng dưới 
đây:
Cơ điện tử so với thiết kế cơ khí Cơ điện tử so với thiết kế
điện tử/phần mềm
1. Một trong các đặc tính quan trọng của cơ điện
tử là tính vận hành theo logic. Sự vận hành theo
logic này thường khá phức tạp và rất khó để có
thể quan sát được. Để thiết kế hiệu quả các đáp
ứng dạng này đòi hỏi phải có phương pháp mô
hình hoá thích hợp.
2. Về phương diện sản xuất thì cơ điện tử đơn giản
và hiệu quả hơn nhiều so với sản xuất trong hệ
thống cơ truyền thống. Mức độ linh hoạt trong
cơ điện tử rất cao nhờ hiệu quả điều khiển bằng
phần mềm.
3. Các sản phẩm cơ điện tử luôn phong phú về
chủng loại và đáp ứng nhanh chóng nhu cầu thị
trường hơn các sản phẩm truyền thống.
4. Điện tử và phần mềm trong cơ điện tử luôn
được cải tiến và ngày càng cung cấp một giao
tiếp tiện lợi giữa người sử dụng và máy móc.
5. Cơ điện tử có nhiều khả năng thiếu sót và rủi ro
trong thiết kế.
1. Trong cơ điện tử luôn có một loại hình hệ
thống cơ trong nó và hoạt động đáp ứng của
nó thì không giống như trong điện tử và phần
mềm.
2. Thiết kế điều khiển các quá trình cơ là một
khía cạnh quan trọng trong cơ điệ tử. Để thiết
kế tốt phần này đòi hỏi phải có kiến thức cơ
bản về kết cấu và các nguyên lý điều khiển.
3. Trong cơ điện tử có một thành phần kết nối
giữa hệ thống cơ và điện tử/phần mềm, đó là
giao tiếp thời gian thực. Đây là điểm đặc thù
quan trọng của cơ điện tử.
4. Các quan hệ sản xuất trong cơ điện tử thì
quan trọng hơn.
5. Các quan hệ giữa hệ thống và môi trường
(nhiệt độ, rung động ) có yêu cầu cao hơn.
2.1.2 CÁC YẾU TỐ HÌNH THÀNH CƠ ĐIỆN TỬ
1. Cơ Điện Tử -Một Giải Pháp Cho Chiến Lược Cạnh Tranh
2. Cơ Điện Tử Từ Quan Điểm Phát Triển Sản Phẩm
3. Cơ Điện Tử Từ Quan Điểm Công Nghệ
Cơ Điện Tử -Một Giải Pháp Cho Chiến Lược Cạnh Tranh
Như là một kết quả của sự gia tăng tính cạnh tranh toàn bộ, các nhà sản
xuất liên tục cố gắng cực lực để hoạt động của công ty mình ngày càng
hiệu quả hơn. Họ luôn đặc ra các tiêu chuẩn, các thách thức mới chẳng
hạn như : làm thế nào để thiết kế sản phẩm trong thời gian ngắn hơn? làm
thế nào để giảm chi phí sản xuất, năng cao chất lượng và thiết kế các đặc
tính ưu việt riêng cho sản phẩm của mình. Và giải pháp cho các yêu cầu
này chính là cơ điện tử.
Ngày nay với xu hướng cạnh tranh, vòng đời sản phẩm ngày càng được rút
ngắn ở tất cả các loại hình kinh doanh. Các nhà sản xuất mong muốn có những
sản phẩm mà thời gian “sống” trên thị trường của nó phải ngắn hơn cả thời gian
ngiên cứu và phát triển nó. Đây là thách thức lớn cho các nhà thiết kế. Như vậy
yêu cầu đặc ra là cần phải bắt đầu một dự án phát triển mới trước khi các nhà
thiết kế có kinh nghiệm từ dự án trước đó.
Thời điểm sản phẩm xuất hiện trên thị trường là một trong những “vũ khí”
quan trọng nhất trong cuộc chiến cạnh tranh. Hiệu quả của các sản phẩm mà
không có sự thâm nhập thị trường theo định kỳ đã được tiến hành ngiên cứu ở
những sản phẩm kỹ thuật cao. Những nghiên cứu cho biết sự chậm trể mổi 6
tháng để một sản phẩm mới thâm nhập thị trường sẽ làm giảm 33% lợi nhuận,
50% vượt ngăn sách cho công tác ngiên cứu. Và nếu nghiên cứu theo định kỳ
tung sản phẩm ra thị trường thì hiệu quả cũng không cao (xắp xỉ 4% lợi nhuận
trong khoảng thời gian hơn năm năm).
Trong lĩnh vực kinh doanh, nhà sản xuất bị tác động bởi nhiều yếu 
tố. Dưới đây là các tếu tố tác động chính được quan tâm nhiều 
nhất trong thập niên này:
• Giảm thời gian và chi phí phát triển.
• Tận dụng hiệu quả từ sự phối hợp-hổ trợ giữa các 
ngành kỹ thuật để tăng cường lợi thế cạnh tranh bằng cách cải 
tiến tính năng sản phẩm, thiết lập các tính năng đặc trưng riêng 
cho sản phẩm.
• Định hướng thị trường (tập trung khách hàng).
• Đáp ứng nhanh chóng theo nhu cầu thay đổi trên thị 
trường, đặc biệt là các thay đổi tác động mạnh đến khả năng cạnh 
tranh.
Các yếu tố trên liên tục vận động và như thế các nhà sản xuất cần phải ở phía trước 
các yêu cầu này nếu như muốn thực hiện cạnh tranh hiệu quả. Tiếp cận theo phương 
pháp cơ điện tử sẽ cung cấp các phương pháp hiệu quả cho các vấn đề này. 
Các yếu tố đã trình bày ở trên cho thấy các quá trình nghiên cứu triển khai sản phẩm 
theo kế hoạch dài hạn có thể là rất mạo hiểm bởi yếu tố thời gian
Mối quan hệ giữa tỉ lệ % R & D (nghiên cứu và phát triển) với vòng đời sản 
phẩm ở các lĩnh vực [Ottoson].
™Một trong các yếu tố quyết định của giải pháp cơ
điện tử là yếu tố thời gian.
™Yêu cầu đặt ra là phải vận dụng và kết hợp những
phát triển tiên tiến của lĩnh vực điện-điện tử/thông
tin cho các sản phẩm trong thời gian nhanh nhất.
™Điều này ngoài đem lại hiệu quả trong chất lượng,
giá thành sản xuất mà còn là yếu tố quyết định để
sản phẩm có thể nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường.
™Đây là một lợi thế to lớn trong cuộc chiến cạnh
tranh.
Cơ Điện Tử Từ Quan Điểm Phát Triển
Sản Phẩm
™ Ngày nay điện tử là lĩnh vực được ứng dụng vô cùng mạnh mẽ trong 
hầu hết các hệ thống sản xuất. Nó là sự gia tăng lớn nhất trong tính 
năng sản phẩm so với bất kỳ lĩnh vực nào khác. Một yếu tố động lực 
chính hình thành nên cơ điện tử là các công ty cần phải cung cấp các 
tính năng sản phẩm theo yêu cầu khách hàng mà phải bảo đãm tính 
kinh tế nhất trong các quyết định có sự phối hợp giữa các giải pháp 
cơ và điện. 
™ Những biên giới truyền thống giữa các lĩnh vực là trở ngại chính 
trong vấn đề phối hợp trong quá trình phát triển sản phẩm. Giải 
pháp đề ra là cần phải có một phương pháp quản lý tốt để bảo đãm 
tính chặt chẽ, hiệu quả trong suốt quá trình hợp tác. 
™ Theo [Hildre 96] thì có năm thành phần liên quan chính trong quá 
trình phát triển sản phẩm cơ điện tử, đó là: 
Các thành phần then chốt trong phát triển sản phẩm cơ điện tử
1. Interdisciplinary (tương tác liên ngành): Thành phần này yêu cầu cần phải có những
kiến thức tổng quát về các sản phẩm, các nguyên tắc sản xuất trong từng lĩnh vực
riêng gồm cơ khí, điện-điện tử và công nghệ thông tin.
2. System thinking (hệ thống tư duy): Thành phần này nhằm bảo đãm khả năng làm
việc của toàn hệ thống, nơi mà có nhiều công nghệ khác nhau trong nó.
3. Communication (giao tiếp): Là thành phần phục vụ giao tiếp thông tin trong môi
trường thiết kế đa lĩnh vực.
4. Creativity (sáng tạo): Thành phần thúc đẩy tính sáng tạo trong các đề xuất kỹ thuật,
các giải pháp mới mà trước đó không có.
5. Business viewpoint (Quan điểm kinh doanh): thành phần này nhằm đãm bảo định
hướng kinh doanh để cho phép đánh giá các ý tưởng trong một môi trường cạnh tranh
nhất định.
Cơ Điện Tử Từ Quan Điểm Công Nghệ 
™ Sự phát triển nhanh chóng của các sản phẩm cơ điện tử luôn gắn liền với những
tiến bộ trong lĩnh vực điện tử. Các mạch tích hợp được sản xuất hàng khối với
giá rẻ đã tạo nên một sự thu hút trong vấn đề thay thế các cơ cấu cơ và một số
chức năng con người bằng điện tử. Giờ đây các thiết bị, các mạch điện đã đủ
chất lượng để có thể chịu được rung động, nhiệt độ và các yếu tố gây nhiểu khác
do sự phát sinh khi tích hợp chúng vào hệ thống cơ. Công nghệ này (điện tử) đã
tạo nên một khả năng to lớn để sản xuất nhanh chóng các sản phẩm theo nhu cầu
thị trường.
™ Công nghệ cảm biến là một ví dụ về sản phẩm cơ điện tử như thế. Vào một vài
thập niên về trước, các xe hơi chỉ được trang bị một vài cảm biến như cảm biến
nhiên liệu, cảm biến tốc độ. Ngày nay các hãng xe hơi trang bị đến hàng trăm
cảm biến trong mổi xe, không chỉ là các cảm biến về mức độ mà nó còn thực
hiện được những tính toán phức tạp và ghi được dử liệu. Ví dụ như một vài cảm
biến có khả năng nhận dạng được đặc điểm hình dáng của người điều khiển xe
và sau đó chúng gởi tín hiệu cho bộ phận xử lý làm nhiệm vụ tự động hiệu chỉnh
lại vị trí ngồi, góc gương quan sát
™ Lựa chọn ý tưởng thiết kế
™ • Người vận hành cung cấp thông tin đầu vào so với hệ thống “tự 
tìm” ra đáp ứng thích hợp.
™ • Thực hiện số hoá tín hiệu ngay ở nguồn so với số hoá ở khối xử lý tín 
hiệu.
™ • Thiết kế hệ thống theo cấu trúc modun (mở rộng theo kết nối song song) 
so với hệ thống nối tiếp.
™ • Điều khiển đồng bộ so với điều khiển độc lập
™ • Sử dụng thiết bị chuyển đổi tín hiệu bằng cơ cấu cơ so với sử dụng cảm 
biến và cơ cấu chấp hành có thiết kế đặc biệt.
2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
™Các Phần Tử Cơ Bản Cấu Thành Nên Hệ Thống
Cơ Điện Tử:
1. • Hệ thống thông tin
2. • Hệ thống điện
3. • Hệ thống cơ khí
4. • Hệ thống máy tính
5. • Cảm biến
6. • Cơ cấu tác động
7. • Giao tiếp thời gian thực
Sự cần thiết của cơ điện tử:
Nâng cao năng suất
Chi phí nhân công cao
Sự thiếu lao động
Xu hướng dịch chuyển lao động
về thành phần dịch vụ
Sự an toàn
Giá nguyên vật liệu cao
Nâng cao chất lượng sản phẩm
Rút ngắn thời gian sản xuất
Giảm bớt phôi liệu sản xuất
Nếu không tự động hóa sẽ trả giá đắt
CÁC BIỆN PHÁP ĐẢM BẢO SỰ PHÁT TRIỂN 
BỀN VỮNG CƠ ĐIỆN TỬ
¾Nguyên nhân:
Do các chất thải trong quá trình sản xuất, ý 
thức của con người đối ới mơi trường....làm ơ 
nhiểm nước và đất đai.
¾Trách nhiệm: 
Các nhà sản xuất và mơi cơng nhân phải co 
ý thức bảo vệ mơi trường
1. Ơ nhiểm mơi trường sản xuất :
2 Các biện pháp đảm bảo sự phát triển bền
vững trong tự cơ điện tử:
™ Khái niệm:
- Cách phát triển nhằm thoả mãn các nhu
cầu hiện tại.
- Khơng ảnh hưởng đến các nhu cầu của
thế hệ tương lai.
- Phát triển hệ thống sản xuất xanh - sạch.
™ Biện pháp:
+ Sử dụng cơng nghệ cao trong sản xuất
+ Xử lí chất thải trước khi đưa vào mơi
trường.
+ Giáo dục ý thức bảo vệ mơi trường.