Luận án nghiên cứu động cơ điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển

Nghiên cứu về động cơ điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn trong thời gian gần đây. Sự phát triển của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) đã mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như y sinh, vi robot và tự động hóa. Các vi động cơ và bộ kích hoạt kích cỡ micro đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển và phân loại các mẫu vi. Hiệu ứng giãn nở nhiệt được sử dụng để tạo ra chuyển động với lực tác động lớn, mặc dù tốc độ hoạt động có thể thấp. Tuy nhiên, nghiên cứu về động cơ điện nhiệt tại Việt Nam vẫn còn hạn chế. Việc phát triển các vi động cơ và hệ điều khiển phù hợp sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác của các hệ thống vi cơ điện tử.

Đối tượng nghiên cứu chính của luận án là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển học lặp (ILC) cho vi động cơ sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học cho động cơ điện nhiệt dạng dầm chữ V, đồng thời khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong dầm. Phạm vi nghiên cứu cũng bao gồm việc tìm hiểu các công nghệ gia công MEMS và lựa chọn quy trình chế tạo phù hợp với điều kiện thực tiễn tại Việt Nam. Mục tiêu là phát triển ít nhất một mẫu vi động cơ có đường kính khoảng 2-3 mm với công suất từ 2 đến 50 mW.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là chế tạo một mẫu vi động cơ quay với đường kính khoảng 2-3 mm dựa trên nguyên lý giãn nở nhiệt. Nghiên cứu sẽ xây dựng mô hình toán học cho động cơ điện nhiệt và thiết kế bộ điều khiển phù hợp với lớp đối tượng nghiên cứu. Việc thực hiện mô phỏng thuật toán điều khiển trên mô hình vật lý sẽ giúp kiểm chứng tính khả thi của thiết kế. Đặc biệt, nghiên cứu sẽ khảo sát và phân tích các phương pháp điều khiển cơ bản, từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển học lặp để áp dụng cho các đối tượng khó xây dựng mô hình toán đầy đủ.

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận án bao gồm sự kết hợp giữa phân tích lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Nghiên cứu tổng quan sẽ giúp xác định vấn đề cần giải quyết, từ đó triển khai các giải pháp và kiểm chứng các lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm. Việc sử dụng mô hình Simscape để mô phỏng bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu suất và khả năng hoạt động của hệ thống. Kết quả từ mô phỏng sẽ được so sánh với các kết quả thực nghiệm để đánh giá tính chính xác và hiệu quả của các phương pháp điều khiển đã lựa chọn.

Luận án đã phát triển thành công hai mẫu vi động cơ quay với đường kính 2,5 mm, có khả năng quay toàn vòng với dải vận tốc từ 0,08 đến 5 vòng/phút. Các mẫu này được chế tạo từ phiến silic kép (SOI) theo quy trình gia công vi cơ khối. Đặc biệt, việc phân tách các dầm đơn thành nhiều phân tố đã giúp đưa mô hình bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V về dạng mô hình song tuyến, thuận lợi cho việc phân tích và thiết kế bộ điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai thuật toán PD và PID đều cho đáp ứng tốt, khẳng định tính khả thi của phương pháp điều khiển học lặp trong ứng dụng thực tế.