CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN 1.1 Tổng quan về vi động cơ 1.1 Giới thiệu chung về vi động cơ (micro motor) Động cơ là một thiết bị cung cấp năng lượng và dẫn động hệ thống. Động cơ được sử dụng rộng rãi trong các máy móc như ô tô, máy công cụ gia công, thiết bị văn phòng…Vi động cơ là loại động cơ có kích thước từ vài micro-mét đến vài mili-mét chuyển đổi tín hiệu vật lý (nhiệt, điện, từ…) thành tín hiệu cơ học (lực, chuyển vị, vận tốc…) dùng trong dẫn động các vi hệ thống. Hiện nay vi động cơ đã và đang được nghiên cứu với nhiều tiềm năng ứng dụng trong vi vận chuyển, y sinh, robot sinh học, thiết bị y tế, máy quét chất lượng cao, thiết bị chuyển mạch quang học cho mạng cáp quang, … 1.2 Phân loại Có nhiều cách phân loại vi động cơ và cũng đã có nhiều tác giả đưa ra các quan điểm, tiêu chí khác nhau để phân loại [1]. Tuy nhiên đại đa số các tác giả đồng ý phân loại theo các tiêu chí cơ bản như [2]: + Theo hiệu ứng kích hoạt ta có vi động cơ tĩnh điện, áp điện, điện từ, giãn nở nhiệt, sử dụng hợp kim nhớ hình hoặc phối hợp nhiều hiệu ứng khác nhau.
+ Theo chuyển động ta có vi động cơ tuyến tính (chuyển động thẳng), vi động cơ quay (chuyển động quay một chiều hoặc hai chiều) và động cơ phối hợp các chuyển động trên.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Lần đầu tiên vi động cơ tĩnh điện (Electrostatic motor) được công bố vào năm 1967 [3]. Nhưng những động cơ này đã không thu hút được sự nghiên cứu của các nhà khoa học cho đến thập niên 80 của thế kỷ XX, khi họ bắt đầu chế tạo các thiết bị với kích thước cỡ micro-mét. Trong khoảng 20 năm trở lại đây, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS - Micro-Electro-Mechanical System), các bộ vi kích hoạt, vi động cơ đã được nghiên cứu, khai thác và ứng dụng rất rộng rãi. Kích thước và kết cấu ngày càng nhỏ gọn, đơn giản trong khi lực tác động, vận tốc và hiệu suất ngày càng được nâng cao.
Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện Các vi động cơ ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện được phát triển sớm và chiếm ưu thế trong lĩnh vực thiết kế, ứng dụng trong giai đoạn đầu phát triển của thiết bị MEMS. Động cơ bước tĩnh điện truyền thống với rotor chuyển động tự do quanh trục stator là các điện cực cố định đã được đề cập đến trong các tài liệu [4]-[6]. Một kiểu kích hoạt tĩnh điện khác, đó là tạo các dao động điều hòa được sử dụng trong các động cơ lắc (rung) [7], [8], ở đó rotor liện hệ (tiếp xúc) với stator bởi các điểm lăn (điểm tỳ). Năm 1989, Tang công bố một nghiên cứu về bộ kích hoạt răng lược (ECA - comb-driver actuator) [9].
Cho đến nay, đã có số lượng lớn các vi động cơ cũng như vi cơ cấu sử dụng bộ kích hoạt răng lược. Bộ kích hoạt răng lược có thể sử dụng cho cả vi động cơ tuyến tính [9]-[11] và vi động cơ quay [12]-[17]. Nói chung, các cơ cấu sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và dễ tích hợp với các cơ cấu silíc khác. Nhược điểm cơ bản là điện áp làm việc lớn nên vấn đề cách điện cũng như tích hợp các nguồn nuôi gặp nhiều khó khăn.
Một vài mẫu vi động cơ điển hình có thể kể đến như trong [13]- [20]. Nhiều động cơ tĩnh điện tuyến tính được thiết kế dựa vào nguyên lý hoạt động của bộ kích hoạt kiểu răng lược. Bộ kích hoạt này gồm nhiều răng đặt song song và cách đều nhau giống như các bản tụ điện nối song song nhau, chúng gồm phần cố định và phần chuyển động. Khi đặt điện áp vào các điện cực, lực tiếp tuyến hoặc pháp tuyến giữa các bản tụ tạo ra chuyển động tịnh tiến của động cơ.1 thể hiện ứng dụng của của bộ kích hoạt này trong dẫn động các chuyển động thẳng [13].1 Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng [13] 6 N.
Tas [14] đã đề xuất một loại vi động cơ bước dựa trên hiệu ứng tĩnh điện, nguyên lý hoạt động được thể hiện trên Hình 1. Trong pha chuyển động đầu tiên, bộ kích hoạt kẹp (clamp actuator) chuyển động ngược chiều trục OY kẹp thanh trượt (rotor). Sau đó bộ kích hoạt kéo (pull actuator) kéo thanh trượt chuyển động sang phải (theo phương OX). Trong pha chuyển động tiếp theo, cặp kích hoạt kẹp-đẩy phía dưới phối hợp nhau tạo ra chuyển vị tịnh tiến tiếp theo sang phải.
Cứ như vậy thanh trượt chuyển động từng bước nhỏ trên đường thẳng nên gọi là động cơ bước tuyến tính (hay động cơ sâu đo).2 Hoạt động của vi động cơ bước tuyến tính [14] Năm 2010, tác giả Edin Sarajlic và các đồng nghiệp đã thiết kế, chế tạo thành công loại động cơ tĩnh điện 3 pha dạng động cơ bước, ứng dụng trong các đầu đĩa đọc ghi, ổ đĩa cứng, máy ghi âm [18] … Cấu tạo và nguyên lý của loại động cơ này cũng sử dụng hiệu ứng tĩnh điện tương tự như các động cơ đã trình bày ở trên. Rotor và stator đều có kết cấu dạng cực lồi, vị trí cực của rotor và stator được sắp xếp lệch nhau và số cực được tính toán theo một tỉ lệ nhất định. Các cực phía rotor được nối với điện cực âm, hệ thống điện cực phía stator được thiết kế là 3 pha đối xứng. Khi cấp nguồn điện áp lần lượt vào các pha, lực điện từ giữa các điện cực sẽ kéo rotor quay, tùy theo thứ tự cấp nguồn cho các pha mà rotor có thể quay thuận hoặc ngược.3 Nguyên lý làm việc của động cơ bước 3 pha [18] Vi động cơ được chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối và ăn mòn sâu khô (Hình 1.4), đường kính động cơ là 1,4 mm có thể quay 2 chiều với góc quay là ±130 và có thể điều khiển chính xác tới 1/480.
Loại vi động cơ này đã được ứng dụng rộng rãi trong các ổ đĩa đọc ghi, thiết bị ổ cứng, máy ghi âm… Ưu điểm của động cơ này là có thể điều khiển quay 2 chiều chính xác, nguyên lý và luật điều khiển tương đối đơn giản. Nhưng nhược điểm là điện áp sử dụng tương đối cao (75V), góc quay hẹp (±130 ) nên việc mở rộng khả năng ứng dụng còn hạn chế.4 Hình ảnh chế tạo của động cơ bước 3 pha [18] Một thời gian sau nhóm tác giả đã cải tiến loại động cơ này để mở rộng góc quay (±150 ) và giảm thấp điện áp làm việc (60 V) [19]. Năm 2012, tác giả Phạm Hồng Phúc cùng các đồng nghiệp đã đưa ra thiết kế vi động cơ quay truyền động dạng răng cóc (micro Ratcheting Transmission Systems) sử dụng cơ cấu răng cóc truyền động một chiều [15], [20].5 là cấu hình của động cơ này, trong đó phần cố định (1) và (2) được đặt làm hai điện cực khi vi động cơ làm việc. Do tích chất của bộ kích hoạt răng lược dạng răng cong, lực tiếp tuyến giữa các bản điện cực sẽ đẩy bốn thanh dầm dẫn động quay 8 theo chiều kim đồng hồ quanh điểm đàn hồi có bề dày nhỏ (4µm) nối giữa thanh dầm dẫn động và cực (2).
Thông qua hệ thống truyền động (4) mà chuyển động này được truyền sang vành răng (5) và chuyển động được dẫn động ra ngoài. Chú ý rằng khi thanh dầm dẫn động chuyển động ngược lại vị trí ban đầu thì hệ thống cóc hãm (3) lúc ấy đóng vai trò cản trở sự di chuyển ngược chiều kim đồng hồ của vành răng ngoài. Động cơ này có ưu điểm chế tạo đơn giản (một lớp), mạch điều khiển đơn giản. Tuy nhiên động cơ chỉ quay một chiều và có trượt khi tần số hoạt động tăng lên, dải tần số làm việc tin cậy là từ 030 Hz.5 Cấu tạo vi động cơ quay một chiều sử dụng hiệu ứng tĩnh điện [15] b.
Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng điện từ Bộ kích hoạt điện từ có thể cho tỷ trọng công suất cao hơn và chuyển động trơn hơn các bộ kích hoạt tĩnh điện. Phần lớn các bộ kích hoạt điện từ sử dụng để tạo chuyển động thẳng [21], [22] vì nó phù hợp với các hệ thống vi cơ dài và cũng đã có một số nghiên cứu về các loại vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng điện từ [23]-[25]. Ưu điểm của những loại động cơ này là có kết cấu, nguyên lý điều khiển giống với các động cơ điện thông thường, có thể áp dụng nhiều luật điều khiển khác nhau cho chất 9 lượng và độ chính xác cao. Nhược điểm là khó có thể đạt được kích thước nhỏ gọn do phải tuân thủ kết cấu và các vật liệu cơ bản của một động cơ điện.6 trình bày nguyên lý một vi động cơ từ tuyến tính được nghiên cứu và phát triển bởi M.
Trong động cơ này, (1) là phần nền, (2) là thanh thẳng chứa các lõi dẫn từ 3 pha. Khi kích từ cho phần (2), từ trường theo đường zic-zac trên thanh sẽ tương tác với từ tính vĩnh cửu trên phần động (rotor-3) tạo ra lực dẫn nó chuyển động theo đường ray định hướng. Ưu điểm của loại động cơ này là có kết cấu và mạch điều khiển tương đối đơn giản. Song nhược điểm là tốc độ chuyển động và độ lớn lực phụ thuộc vào bản chất của vật liệu từ và chịu ảnh hưởng nhiều của bão hòa mạch từ.
Hơn nữa kích thước lớn và khó có thể đạt tốc độ cao Hình 1.6 Một loại vi động cơ điện từ tuyến tính [26] Một trong những ứng dụng tiêu biểu của hiệu ứng điện từ đó là động cơ từ trở. Chúng có kết cấu đơn giản và cấu tạo chắc chắn được sử dụng nhiều ở những ứng dụng với nhiều mức điện áp, nhiều cấp tốc độ dưới nhiều loại có hình dáng và kết cấu hình học khác nhau. Tại hội nghị VCCA-2013, tác giả Đặng Phước Vinh- Đại học Bách khoa Đà Nẵng và các đồng nghiệp đã đưa ra thiết kế một số mẫu vi động cơ từ trở có tích hợp cảm biến dòng Eddy (dòng xoáy) để lấy phản hồi trong quá trình giám sát và điều khiển [23]. Kết cấu và nguyên lý làm việc được mô tả trên Hình 1.
Nhóm tác giả 10 đã thiết kế, mô phỏng và chế tạo thành công mẫu vi động cơ 4 pha, đường kính 6 mm và mẫu vi động cơ 2 pha, đường kính 1 mm.