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

• Tác giả: PGS. Nguyễn Quang Địch
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu động cơ điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỤC LỤC
• 2. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
• 3. DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 4. DANH MỤC HÌNH VẼ
• 5. MỞ ĐẦU
• 5.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 5.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 5.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 5.4. Phương pháp nghiên cứu
• 5.5. Những đóng góp mới của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN
• 1.1. Tổng quan về vi động cơ
• 1.1.1. Giới thiệu chung về vi động cơ (micro motor)
• 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.1.3. Nhận xét và định hướng nghiên cứu
• 1.2. Tổng quan về các bộ điều khiển cho vi động cơ
• 1.2.1. Điều khiển vòng hở
• 1.2.2. Điều khiển vòng kín
• 1.2.3. Điều khiển vòng kín phản hồi trên chíp
• 1.2.4. Tổng quan về điều khiển bộ kích hoạt điện nhiệt
• 1.2.5. Nhận xét và định hướng nghiên cứu
• 1.3. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: VI ĐỘNG CƠ QUAY SỬ DỤNG HIỆU ỨNG GIÃN NỞ NHIỆT
• 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 2.2. Tính toán động học và động lực học cho vi động cơ
• 2.2.1. Tính toán vận tốc góc trung bình
• 2.2.2. Tính toán nhiệt của dầm chữ V
• 2.2.3. Tính toán chuyển vị và lực nhiệt của hệ dầm chữ V
• 2.2.4. Phân tích lực trong quá trình hoạt động của vi động cơ
• 2.3. Cải tiến cơ cấu dẫn động của vi động cơ
• 2.4. Xây dựng quy trình và chế tạo thử nghiệm vi động cơ
• 2.4.1. Tổng quan về công nghệ MEMS
• 2.4.2. Thiết kế chế tạo vi động cơ bằng công nghệ vi cơ khối
• 2.5. Kết quả chế tạo bước đầu
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO VI ĐỘNG CƠ
• 3.1. Mô hình toán học của vi động cơ
• 3.1.1. Mô hình Điện - Nhiệt
• 3.1.2. Mô hình Nhiệt - Cơ
• 3.1.3. Mô hình toán học bộ kích hoạt dạng dầm chữ V
• 3.2. Giới thiệu về điều khiển học lặp
• 3.3. Nguyên lý học và điều khiển học
• 3.3.1. Khả năng tồn tại của hàm học
• 3.3.1.1. Đối với hệ tuyến tính tham số hằng
• 3.3.1.2. Đối với hệ không liên tục tuyến tính (ổn định)
• 3.3.1.3. Đối với hệ liên tục tuyến tính (ổn định)
• 3.3.1.4. Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng toán tử
• 3.3.1.5. Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng phương trình trạng thái
• 3.5. Thiết kế bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ
• 3.5.1. Bộ điều khiển ILC cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V
• 3.5.2. Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ
• 3.6. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ILC THÔNG QUA MÔ HÌNH VẬT LÝ SIMSCAPE
• 4.1. Giới thiệu công cụ Simscape
• 4.2. Mô hình hóa bộ kích hoạt dạng dầm chữ V bằng Simscape
• 4.3. Mô phỏng bộ điều khiển học lặp với mô hình Simscape
• 4.3.1. Mô phỏng bộ điều khiển ILC cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V
• 4.3.2. Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ
• 4.3.3. Kết luận chương 4
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1: Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ
• Phụ lục 2: Giới thiệu một số trang thiết bị cơ bản tại viện ITIMS
• Phụ lục 3: Hệ thống cấp nguồn

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của đề tài

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.

II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

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.

III. Mục tiêu nghiên cứu

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.

IV. Phương pháp nghiên cứu

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.

V. Những đóng góp mới của luận án

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.