Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:143

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu chế tạo ít nhất một mẫu vi động cơ quay đường kính khoảng 2/3 mm dựa trên nguyên lý giãn nở nhiệt, công suất cỡ vài mW. xây dựng mô hình toán học, khảo sát, phân tích hệ thống thông qua mô hình. Thiết kế bộ điều khiển phù hợp với lớp đối tượng nghiên cứu và những ràng buộc, hạn chế về công nghệ chế tạo, thực hiện mô phỏng thuật toán điều khiển trên mô hình vật lý có tính chất tương tự như mô hình thực.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU VI ĐỘNG CƠ THEO NGUYÊN LÝ ĐIỆN NHIỆT DẠNG DẦM CHỮ V VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Tiến Dũng NGHIÊN CỨU VI ĐỘNG CƠ THEO NGUYÊN LÝ ĐIỆN NHIỆT DẠNG DẦM CHỮ V VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Nguyễn Quang Địch 2. PGS.TS. Phạm Hồng Phúc Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 14 tháng 7 năm 2020 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Nguyễn Quang Địch PGS.TS. Phạm Hồng Phúc Nguyễn Tiến Dũng i
LỜI CẢM ƠN Trải qua một thời gian dài, khó khăn và nhiều thử thách tác giả cũng đã hoàn thành bản luận án của mình. Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia đình và đồng nghiệp. Qua đây tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Quang Địch, PGS.TS. Phạm Hồng Phúc, những người đã định hướng, tận tình hướng dẫn chuyên môn và bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan. Xin chân thành cám ơn các giảng viên, các nhà khoa học thuộc viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, bộ môn Điều khiển tự động (viện Điện), bộ môn cơ sở thiết kế máy và Robot (viện Cơ khí) trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chuyên môn quý báu và cung cấp tài liệu tham khảo để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin cám ơn Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ trợ về thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả có thể hoàn thành một số quy trình thực nghiệm của luận án. Tác giả cũng xin cám ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình. Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cám ơn tới vợ, hai con và toàn thể gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu này. Tác giả luận án ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... x MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 1 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................... 1 3. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Những đóng góp mới của luận án ....................................................................... 2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................ 2 7. Bố cục và nội dung của luận án .......................................................................... 3 CHƯƠNG 1 ................................................................................................................. 5 TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN............................................. 5 1.1 Tổng quan về vi động cơ .................................................................................. 5 1.1.1 Giới thiệu chung về vi động cơ (micro motor) .............................................. 5 1.1.2 Phân loại ...................................................................................................... 5 1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................... 5 1.1.4 Nhận xét và định hướng nghiên cứu ........................................................... 19 1.2 Tổng quan về các bộ điều khiển cho vi động cơ ............................................. 19 1.2.1 Điều khiển vòng hở .................................................................................... 20 1.2.2 Điều khiển vòng kín ................................................................................... 21 1.2.3 Điều khiển vòng kín phản hồi trên chíp ...................................................... 23 1.2.4 Tổng quan về điều khiển bộ kích hoạt điện nhiệt ........................................ 24 1.2.5 Nhận xét và định hướng nghiên cứu ........................................................... 27 iii
1.3 Kết luận chương 1 .......................................................................................... 27 CHƯƠNG 2 ............................................................................................................... 29 VI ĐỘNG CƠ QUAY SỬ DỤNG HIỆU ỨNG GIÃN NỞ NHIỆT ............................ 29 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động...................................................................... 29 2.2 Tính toán động học và động lực học cho vi động cơ ....................................... 33 2.2.1 Tính toán vận tốc góc trung bình ................................................................ 33 2.2.2 Tính toán nhiệt của dầm chữ V................................................................... 33 2.2.3 Tính toán chuyển vị và lực nhiệt của hệ dầm chữ V ................................... 38 2.2.4 Phân tích lực trong trong quá trình hoạt động của vi động cơ ..................... 45 2.3 Cải tiến cơ cấu dẫn động của vi động cơ......................................................... 52 2.4 Xây dựng quy trình và chế tạo thử nghiệm vi động cơ .................................... 53 2.4.1 Tổng quan về công nghệ MEMS ................................................................ 53 2.4.2 Thiết kế chế tạo vi động cơ bằng công nghệ vi cơ khối .............................. 54 2.5 Kết quả chế tạo bước đầu ............................................................................... 62 2.6 Kết luận chương 2 .......................................................................................... 64 CHƯƠNG 3 ............................................................................................................... 66 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO VI ĐỘNG CƠ .................................. 66 3.1 Mô hình toán học của vi động cơ .................................................................... 66 3.1.1 Mô hình Điện - Nhiệt ................................................................................. 66 3.1.2 Mô hình Nhiệt - Cơ .................................................................................... 70 3.1.3 Mô hình toán học bộ kích hoạt dạng dầm chữ V......................................... 70 3.2 Giới thiệu về điều khiển học lặp ..................................................................... 71 3.3 Nguyên lý học và điều khiển học .................................................................... 74 3.4 Khả năng tồn tại của hàm học......................................................................... 78 3.4.1 Đối với hệ tuyến tính tham số hằng ............................................................ 78 3.4.2 Đối với hệ không liên tục tuyến tính (ổn định) ........................................... 79 3.4.3 Đối với hệ liên tục tuyến tính (ổn định) ...................................................... 79 3.4.4 Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng toán tử ..................................................... 80 iv
3.4.5 Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng phương trình trạng thái ............................ 80 3.5 Thiết kế bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ ................................................ 80 3.5.1 Bộ điều khiển ILC cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V................................. 80 3.5.2 Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ .............................................................. 89 3.6 Kết luận chương 3 .......................................................................................... 90 CHƯƠNG 4 ............................................................................................................... 91 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ILC THÔNG QUA MÔ HÌNH VẬT LÝ SIMSCAPE .......................................................................................................... 91 4.1 Giới thiệu công cụ Simscape .......................................................................... 91 4.2 Mô hình hóa bộ kích hoạt dạng dầm chữ V bằng Simscape ............................ 94 4.3 Mô phỏng bộ điều khiển học lặp với mô hình Simscape ................................. 96 4.3.1 Mô phỏng bộ điều khiển ILC cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V ................ 96 4.3.2 Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ ............................................................ 103 4.3 Kết luận chương 4 ........................................................................................ 106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................... 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 111 PHỤ LỤC................................................................................................................. 119 Phụ lục 1: Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ ........................................................ 119 Phụ lục 2: Giới thiệu một số trang thiết bị cơ bản tại viện ITIMS ............................. 124 Phụ lục 3: Hệ thống cấp nguồn ................................................................................. 126 v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Danh mục các từ viết tắt STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt 1 D-RIE Deep Reactive Ion Etching Công nghệ ăn mòn ion hoạt hóa sâu 2 ECA Electrostatic Comb-drive Bộ kích hoạt răng lược tĩnh Actuator điện 3 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn 4 GCA Gap Closing Actuator Bộ kích hoạt khe hở kín 5 IC Intergrated-Circuit Mạch điện tử 6 ILC Iterative learning control Điều khiển học lặp 7 MEMS Micro-electro-mechanical Hệ thống vi cơ điện tử System 8 LIGA Lithgraphie Galvanofruning und Công nghệ chế tạo vi cơ sử Abformung dụng tia X 9 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét 10 SOI Silicon-on-Insulator Phiến silic kép 11 SMA Shape Memory Alloy Hợp kim nhớ hình 12 PD Proportional Derivative Bộ điều khiển PD 13 PI Proportional Integral Bộ điều khiển PI 14 PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển PID 2. Danh mục các ký hiệu Ký STT Đơn vị Ý nghĩa hiệu 1 cp J/g.0C Nhiệt dung riêng 2 d µm Chuyển vị của thanh răng cóc 3 D Kg/m3 Khối lượng riêng 4 E Pa Modul Yuong của vật liệu silic vi
5 F mN Lực dẫn động 6 Fel mN Lực đàn hồi của dầm (quanh điểm đàn hồi). 7 Ff 2 mN Lực ma sát giữa răng cóc dẫn và nền silic 8 Ff 3 mN Lực ma sát giữa bánh răng dẫn và nền silic 9 Fa mN Lực đàn hồi của cơ cấu chống đảo 10 Lực ma sát giữa đỉnh của dầm chống đảo và bề mặt răng Ff 5 mN cóc 11 g m/s2 Gia tốc trọng trường 12 g0 µm Khe hở không khí nhỏ nhất giữa các cấu trúc 13 ga µm Khe hở không khí giữa lớp cấu trúc và nền 14 h µm Chiều cao răng cóc 15 i răng Số răng cóc dịch chuyển được sau 1 chu kỳ điện áp nguồn 16 ib mA Dòng điện chạy trong dầm đơn 17 ka W/m.0C Hệ số dẫn nhiệt của không khí 18 kl µN/µm Độ cứng của lò xo phản 19 kp µN/µm Độ cứng của dầm quay cổ đàn hồi 20 kr µN/µm Độ cứng của cơ cấu chống đảo 21 ks W/m.0C Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu silic 22 kv µN/µm Độ cứng của dầm chữ V 23 lb µm Chiều dài dầm đơn 24 lb lk  µm Chiều dài mỗi phân tố dầm đơn k 25 ls µm Chiều dài thanh đẩy (Shuttle) 26 ls ln  µm Chiều dài mỗi phân tố thanh đẩy ứng với 1 dầm đơn n vii
27 m1 g Khối lượng dầm đàn hồi 28 m2 g Khối lượng của thanh răng cóc 29 m3 g Khối lượng của bánh răng dẫn 30 m4 g Khối lượng của bánh răng bị dẫn 31 n - Chỉ số tính toán khi khai triển các chuỗi 32 nb Cặp Số cặp dầm của hệ dầm dạng chữ V 33 p µm Bước răng cóc 34 qv W/m3 Nhiệt lượng khối sinh ra trong mỗi phân tố dầm 35 qb(k) W Nhiệt lượng sinh ra trong phân tố thứ k của dầm đơn 36 qs W Nhiệt lượng sinh ra trong phân tố thanh trượt (shuttle) 37 r µm Khoảng cách từ điểm đàn hồi đến răng cóc 38 Khoảng cách từ điểm đàn hồi đến đỉnh dầm bộ kích hoạt r1 µm hình chữ V 39 r2 µm Khoảng cách từ điểm đàn hồi đến tâm vành bánh răng dẫn 40 Khoảng cách từ điểm đàn hồi (cổ đàn hồi) đến điểm tiếp r3 µm xúc giữa bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn 41 t s Biến thời gian 42 T s Chu kỳ hoạt động của quỹ đạo đặt 43 Ta s Chu kỳ trích mẫu trong quá trình chạy mô phỏng 44 tb µm Chiều cao của dầm đơn 45 ts µm Chiều cao của thanh trượt (Shuttle) 46 u V Điện áp 47 x µm Biến không gian theo phương OX 48 wb µm Chiều rộng dầm đơn 49 ws µm Chiều rộng thanh trượt (Shuttle) viii
50 ∆d µm Chuyển vị của đỉnh hệ dầm theo phương OY 51 ∆dy µm Chuyển vị của dầm đơn theo phương OY 52 ∆lb µm Sự giãn nở dài của dầm đơn 53 ∆lk µm Sự giãn nở dài của mỗi phân tố dầm đơn ứng với lk 54 ∆ln µm Sự giãn nở dài của mỗi phân tố thanh trượt ứng với ln 55 ∆rb Ω Điện trở của mỗi phân tố dầm đơn ứng với lk 56 ∆rb Ω Điện trở của mỗi phân tố thanh trượt ứng với ln 57  Độ Góc nghiêng của hệ dầm so với phương OX 58 l 1/0C Hệ số giãn nở dài 59  1/0C Hệ số nhiệt của điện trở suất 60  Độ Góc nghiêng của răng cóc (=300) 61 0 Ωmm Điện trở suất tại nhiệt độ 200C 62 t Ωmm Điện trở suất của vật liệu silic 0 63  C Biến nhiệt độ 0 64 0 C Nhiệt độ môi trường 0 65 b(k) C Nhiệt độ của phân tố thứ k trên dầm đơn 66 ∆rb(k) Ω Điện trở của phân tố thứ k trên dầm đơn 67 ∆rs Ω Điện trở của các phân tố thanh đẩy ứng với 1 dầm đơn DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh các thông số của một số vi động cơ................................................ 16 Bảng 2.1 Các thông số hình học và tính chất vật liệu cơ bản của bộ kích hoạt ............ 41 Bảng 2.2 Kết quả tính toán nhiệt độ và chuyển vị đỉnh dầm chữ V ............................. 42 Bảng 2.3 Các thông số cơ bản của vi động cơ được thiết kế, chế tạo........................... 64 ix
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng [13] ................................................ 6 Hình 1.2 Hoạt động của vi động cơ bước tuyến tính [14] ............................................ 7 Hình 1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ bước 3 pha [18]........................................... 8 Hình 1.4 Hình ảnh chế tạo của động cơ bước 3 pha [18] ............................................... 8 Hình 1.5 Cấu tạo vi động cơ quay một chiều sử dụng hiệu ứng tĩnh điện [15] .............. 9 Hình 1.6 Một loại vi động cơ điện từ tuyến tính [26] ................................................. 10 Hình 1.7 Vi động cơ 4 pha ứng dụng hiệu ứng điện từ [23] ........................................ 11 Hình 1.8 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ X [40] ............................................. 12 Hình 1.9 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ Z [34] ............................................... 13 Hình 1.10 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V (V-shaped actuator) [30] ........... 14 Hình 1.11 Vi động cơ tuyến tính sử dụng bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V [31] ................................................................................................................................... 14 Hình 1.12 Sơ đồ mô tả các bộ điều khiển vòng hở ...................................................... 20 Hình 1.13 Sơ đồ mô tả các bộ điều khiển vòng kín ..................................................... 21 Hình 1.14 Sơ đồ điều khiển cảm biến gia tốc [59] ...................................................... 22 Hình 1.15 Hình ảnh chụp SEM của vi công tắc chuyển mạch cáp quang [62] ............. 23 Hình 1.16 Sơ đồ cấu trúc và mạch điều khiển của bộ chuyển đổi tần số vô tuyến (RF) (a) và các lớp cấu trúc tích hợp của thiết bị (b) [66]. ................................................... 24 Hình 1.17 Nguyên lý hoạt động và cơ chế phản hồi của bộ kích hoạt dạng dầm chữ V [5] .............................................................................................................................. 25 Hình 1.18 Bộ kích hoạt điện nhiệt tích hợp cảm biến điện dung và sơ đồ mạch điều khiển PI [72]............................................................................................................... 26 Hình 1.19 Nguyên lý phản hồi (a) và ảnh chụp SEM bộ kích hoạt (b) [73] ................. 26 Hình 2.1 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V ...................................................... 29 Hình 2.2 Cấu tạo vi động cơ quay sử dụng các bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V ................................................................................................................................... 30 Hình 2.3 Cơ cấu truyền chuyển động .......................................................................... 30 Hình 2.4 Cấu tạo cơ cấu chống đảo chiều ................................................................... 31 x
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý cấp nguồn cho vi động cơ .................................................. 32 Hình 2.6 Mô hình đơn giản hóa dầm chữ V để xác định nhiệt độ phân bố trên dầm .... 33 Hình 2.7 Mô tả tính toán chuyển vị của đỉnh hệ dầm chữ V ........................................ 40 Hình 2.8 Sự phân bố của nhiệt độ trên dầm theo thời gian và không gian ................... 42 Hình 2.9 Nhiệt độ phân bố trên dầm ứng với điện áp U=20V khi mô phỏng bằng ANSYS ...................................................................................................................... 43 Hình 2.10 Đồ thị so sánh nhiệt độ của đỉnh dầm chữ V giữa tính toán và mô phỏng ANSYS ...................................................................................................................... 43 Hình 2.11 Chuyển vị của hệ dầm ứng với biên độ điện áp U=20V khi mô phỏng ANSYS ...................................................................................................................... 44 Hình 2.12 Đồ thị so sánh chuyển vị của đỉnh dầm chữ V giữa tính toán và mô phỏng bằng ANSYS .............................................................................................................. 44 Hình 2.13 Sơ đồ tính lực dẫn động ............................................................................. 45 Hình 2.14 Mô hình xác định chuyển vị tương đương của một dầm đơn ...................... 46 Hình 2.15 Sơ đồ tính chuyển vị d ' ........................................................................... 47 Hình 2.16 Phân tích lực chu kỳ dẫn động.................................................................... 47 Hình 2.17 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị............................................................. 50 Hình 2.18 Sơ đồ cấu tạo vi động cơ cải tiến ................................................................ 52 Hình 2.19 Kích thước của thiết bị MEMS trong tương quan đơn vị mét [74] .............. 54 Hình 2.20 Chíp tích hợp các thiết bị MEMS [74] ........................................................ 54 Hình 2.21 Thiết kế tổng thể mặt nạ và các mẫu vi động cơ ......................................... 55 Hình 2.22 Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ .......................................................... 56 Hình 2.23 Phiến silic kép SOI..................................................................................... 57 Hình 2.24 Quá trình quang khắc - www.bs.ac/physics/fabrication .............................. 57 ................................................................................................................................... 58 Hình 2.25 Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI .............................................. 58 Hình 2.26 Quá trình ăn mòn khô D-RIE ..................................................................... 60 Hình 2.27 Quá trình ăn mòn trong hơi axit HF............................................................ 61 Hình 2.28 Linh kiện thu được sau quá trình ăn mòn trong hơi axit HF ........................ 62 xi
Hình 2.29 Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 1................................................. 63 Hình 2.30 Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 2 (cải tiến) .................................. 63 Hình 3.1 Mô hình bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V ................................................ 66 Hình 3.2 Mô tả nguyên lý hoạt động của dầm đơn ...................................................... 67 Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển học lặp (ILC)........................................................ 74 Hình 3.4 Ví dụ về thuật toán xác định tín hiều điều khiển trong ILC .......................... 75 Hình 3.5 Trình tự quá trình xây dựng bộ điều khiển ILC ............................................ 76 Hình 3.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V ........................ 81 Hình 3.7 Quá trình học đối với thuật học PD khi không có nhiễu ............................... 82 Hình 3.8a Đáp ứng đầu ra sau 80 lần học đối với thuật học PD khi không có nhiễu ... 82 Hình 3.8b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 80 lần học đối với thuật học PD khi không có nhiễu ..................................................................................................... 83 Hình 3.9 Quá trình học đối với thuật học PD khi có tác động của nhiễu đầu ra với biên độ khoảng 10% giá trị đặt ........................................................................................... 84 Hình 3.10a Đáp ứng đầu ra sau 84 lần học đối với thuật học PD, nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% ................................................................................................... 84 Hình 3.10b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 84 lần học đối với thuật học PD, nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% ................................................................... 85 Hình 3.11 Quá trình học đối với thuật học PID khi không có nhiễu ........................... 86 Hình 3.12a Đáp ứng đầu ra sau 65 lần học đối với thuật học PID khi không có nhiễu. 86 Hình 3.12b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 65 lần học đối với thuật học PID khi không có nhiễu tác động ................................................................................ 87 Hình 3.13 Quá trình học đối với thuật học PID khi không có tác động của nhiễu đầu ra với biên độ khoảng 10% giá trị đặt ............................................................................. 87 Hình 3.14a Đáp ứng đầu ra sau 48 lần học đối với thuật học PID, nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% ................................................................................................... 88 Hình 3.14b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 48 lần học đối với thuật học PID, nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% ........................................................... 88 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiên vi động cơ....................................................... 89 Hình 4.1 Giao diện thư viên Simscape trong Simulink................................................ 92 xii
Hình 4.2 Các phần tử cơ bản thuộc lĩnh vực điện của thư viện Simscape .................... 93 Hình 4.3 Các phần tử mô tả quá trình điện nhiệt trong hệ dầm.................................... 94 Hình 4.4 Mô hình hóa một phân tố dầm trong Simscape ............................................. 94 Hình 4.5 Mô hình Simscape của hệ dầm chữ V .......................................................... 95 Hình 4.6 Đáp ứng nhiệt độ lớn nhất và nhiệt độ trung bình của hệ dầm chữ V với điện áp 1 chiều biên độ 20V ............................................................................................... 96 Hình 4.7 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PD khi không có nhiễu tác động........................................................................................................ 97 Hình 4.8a Đáp ứng đầu ra sau 100 lần học đối với thuật học PD không có nhiễu tác động. .......................................................................................................................... 97 Hình 4.8b Sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và giá trị đặt sau 100 lần học đối với thuật học PD không có nhiễu tác động. ...................................................................................... 98 Hình 4.9 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PD khi có nhiễu tác động với biên độ khoảng10% giá trị đặt. ..................................................... 98 Hình 4.10a Đáp ứng đầu ra sau 85 lần học đối với thuật học PD nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10%. .................................................................................................. 99 Hình 4.10b Sai lệch giữa tín hiệu đầu ra với giá trị đặt sau 85 lần học đối với thuật học PD nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10%. ............................................................ 99 Hình 4.11 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PID khi không có nhiễu tác động ........................................................................................... 100 Hình 4.12a Đáp ứng đầu ra sau 62 lần học đối với thuật học PID không có nhiễu tác động. ........................................................................................................................ 100 Hình 4.12b Kết quả và sai lệch sau 62 lần học đối với thuật học PID, tín hiệu đặt dạng hình thang, không có nhiễu tác động......................................................................... 101 Hình 4.13 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PID khi có nhiễu tác động .......................................................................................................... 101 Hình 4.14a Đáp ứng đầu ra sau 54 lần học đối với thuật học PID khi có tác động của nhiễu ngẫu nhiên, biên độ khoảng 10%..................................................................... 102 Hình 4.14b Sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đặt sau 54 lần học đối với thuật học PID nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10%. ......................................................... 102 xiii
Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiên vi động cơ..................................................... 103 Hình 4.16 Giả thiết sự sai khác đáp ứng đầu ra giữa các bộ kích hoạt khi chung tác động đầu vào. ........................................................................................................... 104 Hình 4.17 Đáp ứng đầu ra của 4 bộ kích hoạt sau 50 lần học đối với thuật học PID .. 105 Hình 4.18 Sai số giữa đáp ứng đầu ra của 4 bộ kích hoạt với tín hiệu đặt sau 50 lần học đối với thuật học PID................................................................................................ 105 xiv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong khoảng 30 năm trở lại đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS – Micro-Electro-Mechanical System) các nghiên cứu về công nghệ y sinh, vi robot đang phát triển và mang lại nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Các bộ kích hoạt/chấp hành kích cỡ micro (micro actuator), các vi động cơ (micro motor) cùng với các vi robot là những thành phần quan trọng không thể thiếu trong hệ thống vận chuyển, phân loại và lắp ghép những vi mẫu trong các hệ vi vận tải, hệ vi phân tích tổng hợp, hệ phân tích sinh hóa hay các vi chuyển động trong nhiều lĩnh vực khác. Để tạo ra chuyển động có thể sử dụng nhiều hiệu ứng khác nhau như hiệu ứng điện từ, giãn nở nhiệt, áp điện hay tĩnh điện... Trong đó, hiệu ứng giãn nở nhiệt (điện nhiệt) có thể cho chuyển động với tốc độ thấp, hoạt động trong phạm vi hẹp nhưng lại có lực tác động và mô men lớn. Đã có khá nhiều công trình khoa học được công bố trên thế giới về các vi động cơ ứng dụng hiệu ứng này và ứng dụng của chúng, tuy nhiên ở Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu về các hệ vi cơ điện tử nói chung và các vi động cơ nói riêng mới chỉ bắt đầu phát triển trong một vài năm gần đây. Một trong những xu hướng phát triển tất yếu trong thế kỷ XXI là đưa các thiết bị, máy móc, hệ thống kỹ thuật với kích thước nhỏ tính theo đơn vị micro-mét hoặc nano-mét vào sản xuất cũng như ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Việc nghiên cứu, phát triển các vi động cơ và vi cơ cấu đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng như độ chính xác của các hệ thống. Cho đến nay, đại đa số các nghiên cứu chỉ tập trung vào phân tích, lựa chọn vật liệu, công nghệ gia công, tính toán, mô phỏng và thiết kế chế tạo nhằm phục vụ cho các đối tượng với những ứng dụng cụ thể. Rất ít các đối tượng MEMS được thiết kế, chế tạo và giải quyết triệt để các bài toán trong ứng dụng, đặc biệt bài toán điều khiển đối với các vi kết cấu này chưa nhận được những quan tâm thích đáng. Với đề tài “Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển”, tác giả sẽ giải quyết trọn vẹn việc tính toán thiết kế mẫu vi động cơ hoàn toàn mới; xây dựng quy trình chế tạo dựa trên các trang thiết bị và điều kiện thí nghiệm tại Việt Nam; xây dựng mô hình toán học và lựa chọn thiết kế bộ điều khiển phù hợp với lớp đối tượng nghiên cứu. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Thiết kế bộ điều khiển học lặp (ILC - Iterative Learning Control) cho vi động cơ sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt được chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ khối. 1
Nghiên cứu về lý thuyết giãn nở nhiệt và các thông số ảnh hưởng tới quá trình truyền nhiệt trong dầm mảnh. Tìm hiểu các công nghệ gia công MEMS và lựa chọn quy trình chế tạo phù hợp với các trang thiết bị, điều kiện thực tiễn của một số phòng thí nghiệm, viện nghiên cứu tại Việt Nam. Phân tích các phương pháp điều khiển cơ bản, tìm hiểu và lựa chọn phương pháp điều khiển học lặp áp dụng cho lớp các đối tượng khó xây dựng mô hình toán đầy đủ, chính xác đồng thời khó xác định các tín hiệu phản hồi trực tiếp. 3. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo ít nhất một mẫu vi động cơ quay đường kính khoảng 23 mm dựa trên nguyên lý giãn nở nhiệt, công suất cỡ vài mW. Xây dựng mô hình toán học, khảo sát, phân tích hệ thống thông qua mô hình. Thiết kế bộ điều khiển phù hợp với lớp đối tượng nghiên cứu và những ràng buộc, hạn chế về công nghệ chế tạo, thực hiện mô phỏng thuật toán điều khiển trên mô hình vật lý có tính chất tương tự như mô hình thực. 4. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa phân tích lý thuyết với mô phỏng kiểm chứng và thực nghiệm. Thông qua nghiên cứu tổng quan để tìm ra vấn đề cần giải quyết, triển khai giải quyết vấn đề, kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm. 5. Những đóng góp mới của luận án - Đề tài đã phát triển được 02 mẫu vi động cơ quay có đường kính cơ bản 2,5mm. Động cơ có thể quay toàn vòng với dải vận tốc từ 0,08÷5 vòng/phút - tương ứng với tần số từ 1÷30 Hz. Công suất đầu ra từ 2÷50 mW. Mỗi vi động cơ được được đặt trên các chíp 5 mm x5 mm x484 µm và được chế tạo từ phiến silic kép (SOI) theo quy trình gia công vi cơ khối (Bulk – micromachining) sử dụng 1 mặt nạ (single mask) phù hợp với các trang thiết bị tại Việt Nam. - Bằng việc phân tách các dầm đơn thành nhiều phân tố giống nhau dọc theo chiều dài dầm, tác giả đã đưa mô hình bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V về dạng mô hình song tuyến (bilinear). Với mô hình dạng này rất thuận lợi cho việc phân tích hệ thống, thiết kế bộ điều khiển và khảo sát các đặc tính của bộ kích hoạt chữ V cũng như của vi động cơ. - Luận án đã xây dựng bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ. Khảo sát mô phỏng đối với 2 thuật toán (PD và PID) cho cả trường hợp có nhiễu và khi không có nhiễu tác động. Kết quả mô phỏng cho thấy cả 2 thuật toán đều cho đáp ứng tốt, tín 2
hiệu ra “bám” sát tín hiệu đặt sau một số hữu hạn lần học. - Thực hiện mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển trên mô hình Simscape cho kết quả tốt. Điều đó có thể khẳng định phương pháp này phù hợp với đối tượng nghiên cứu và hoàn toàn có tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn *) Ý nghĩa khoa học Từ cách tiếp cận phân tích tổng quan những công bố trong khoảng 30 năm trở lại đây về các loại vi động cơ, đánh giá ưu nhược điểm của từng loại và định hướng nghiên cứu thiết kế các mẫu vi động cơ mới, khắc phục một số khó khăn, hạn chế của các vi động cơ trước đó. Vi động cơ được thiết kế, chế tạo thành công mở ra một hướng nghiên cứu mới về tính toán ứng dụng vi động cơ vào các hệ thống vi dẫn động, vi robot, hệ vi phân tích tổng hợp, hệ phân tích sinh hóa… Kết quả luận án đã giải quyết tương đối đầy đủ các bước thiết kế, phân tích hệ thống (Từ tính toán thiết kế, chế tạo, mô hình hóa, phân tích và thiết kế bộ điều khiển). Luận án sẽ là một tài liệu tham khảo rất ý nghĩa cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng tương tự. Đồng thời các kết quả nghiên cứu của luận án cũng góp phần mang lại những nhận thức mới về các phương pháp mô hình hóa, áp dụng điều khiển học lặp trong các hệ thống vi cơ. *) Ý nghĩa thực tiễn Trong giai đoạn hiện nay, Việc nghiên cứu, phát triển các vi động cơ và vi cơ cấu đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng như độ chính xác của các hệ thống vi cơ. Trên thế giới đã có khá nhiều công trình khoa học được công bố về các vi động cơ và ứng dụng của chúng, tuy nhiên ở Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu về các hệ vi cơ điện tử nói chung và các vi động cơ nói riêng vẫn còn nhiều hạn chế. Do vậy, luận án sẽ bổ sung thêm những kết quả mới trong lĩnh vực nghiên cứu về vi cơ điện tử tại Việt Nam. 7. Bố cục và nội dung của luận án Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung có các nội dung chính như sau: Chương 1: Đánh giá tình hình nghiên cứu, chế tạo, tiềm năng ứng dụng của các vi động cơ trong nước và trên thế giới. Dự báo xu hướng phát triển trong thời gian tới và năng lực thích ứng, khả năng ứng dụng các vi động cơ sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt trong tương lại gần. Phân tích ưu nhược điểm, khả năng áp dụng các phương pháp điều khiển đối với các linh kiện MEMS qua đó lựa chọn phương pháp điều khiển 3
học lặp cho các đối tượng MEMS làm việc ổn định và có tính chu kỳ lặp lại trong thời gian hữu hạn. Chương 2: Tính toán thiết kế một mẫu vi động cơ quay một chiều, sử dụng bộ kích hoạt dạng chữ V. Đưa ra sơ đồ nguyên lý, các tính toán cơ bản, phân tích các ưu nhược điểm và đề xuất mẫu vi động cơ cải tiến. Xây dựng quy trình chế tạo dựa trên quy trình chế tạo các thiết bị MEMS tiêu chuẩn và các trang thiết bị hiện có tại Viện Đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS), Đại học Bách khoa Hà Nội. Chương 3: Xây dựng mô hình toán học cho vi động cơ với đầy đủ các tham số ảnh hưởng, làm cơ sở để phân tích, thiết kế hệ điều khiển và tiếp tục khảo sát các đặc tính của vi động cơ. Giới thiệu về điều khiển học lặp và thiết kế bộ điều khiển cho vi động cơ. Chương 4: Tìm hiểu và kiểm nghiệm mô phỏng thuật toán điều khiển trên mô hình Simscape tương tự như mô hình thực tế. Phần kết luận đưa ra những nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được của luận án. Bình luận về ý nghĩa khoa học, thực tiễn của các kết quả nghiên cứu. Đồng thời cũng chỉ ra những khó khăn, hạn chế và đề xuất, định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo. 4