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

• Tác giả: Nguyễn Tiến Dũng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quang Địch
• Trường học: Trường 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 tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 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 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. Đối với hệ tuyến tính tham số hằng
• 3.3.2. Đối với hệ không liên tục tuyến tính (ổn định)
• 3.3.3. Đối với hệ liên tục tuyến tính (ổn định)
• 3.3.4. Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng toán tử
• 3.3.5. 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 và động cơ nhiệt đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại. Đặc biệt, dầm chữ V là một trong những cấu trúc được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng vi cơ điện tử (MEMS). Việc phát triển các hệ điều khiển cho các loại động cơ này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực như y sinh, vi robot và tự động hóa. Đề tài này nhằm mục đích nghiên cứu và phát triển một mẫu vi động cơ mới dựa trên nguyên lý điện nhiệt, từ đó xây dựng một hệ thống điều khiển hiệu quả. Việc áp dụng công nghệ MEMS trong thiết kế và chế tạo động cơ sẽ giúp tối ưu hóa kích thước và hiệu suất hoạt động của thiết bị.

II. Tổng quan về vi động cơ và hệ điều khiển

Vi động cơ là một phần không thể thiếu trong các hệ thống tự động hóa hiện đại. Các loại động cơ điện và động cơ nhiệt có thể được sử dụng để tạo ra chuyển động chính xác trong các ứng dụng vi mô. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phân tích các loại hệ điều khiển hiện có, bao gồm điều khiển vòng hở và vòng kín. Đặc biệt, điều khiển học lặp (ILC) sẽ được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của vi động cơ. Các phương pháp điều khiển này sẽ được so sánh và đánh giá để tìm ra giải pháp tối ưu cho việc điều khiển động cơ điện và động cơ nhiệt trong các ứng dụng thực tế.

III. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của vi động cơ

Vi động cơ sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt để tạo ra chuyển động. Cấu tạo của dầm chữ V cho phép động cơ hoạt động hiệu quả với lực tác động lớn. Nghiên cứu sẽ đi sâu vào việc tính toán động học và động lực học của vi động cơ, từ đó xây dựng mô hình toán học chính xác. Các thông số như nhiệt độ, lực và chuyển vị sẽ được phân tích để tối ưu hóa thiết kế. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động của động cơ điện và động cơ nhiệt sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của thiết bị trong các ứng dụng thực tế.

IV. Thiết kế bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ

Bộ điều khiển học lặp (ILC) sẽ được thiết kế để điều khiển vi động cơ một cách hiệu quả. Mô hình toán học của động cơ sẽ được xây dựng dựa trên các nguyên lý vật lý và các thông số kỹ thuật. Việc áp dụng ILC sẽ giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất của động cơ trong quá trình hoạt động. Các thuật toán điều khiển sẽ được mô phỏng và kiểm chứng thông qua các thí nghiệm thực tế, từ đó đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trong việc điều chỉnh hoạt động của động cơ điện và động cơ nhiệt.

V. Đánh giá chất lượng bộ điều khiển ILC thông qua mô hình vật lý Simscape

Mô hình hóa bộ kích hoạt dạng dầm chữ V bằng Simscape sẽ giúp đánh giá chất lượng của bộ điều khiển ILC. Công cụ Simscape cho phép mô phỏng các quá trình vật lý phức tạp, từ đó đưa ra các kết quả chính xác về hiệu suất của động cơ. Việc mô phỏng sẽ giúp nhận diện các vấn đề tiềm ẩn trong thiết kế và điều khiển, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với các thí nghiệm thực tế để xác nhận tính chính xác và hiệu quả của bộ điều khiển.

VI. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu về động cơ điện và động cơ nhiệt dạng dầm chữ V đã chỉ ra tiềm năng lớn trong việc phát triển các ứng dụng vi cơ điện tử. Việc thiết kế và chế tạo các mẫu vi động cơ mới cùng với hệ thống điều khiển hiệu quả sẽ mở ra nhiều cơ hội trong các lĩnh vực công nghệ cao. Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc tối ưu hóa thiết kế và mở rộng ứng dụng của vi động cơ trong các lĩnh vực khác nhau.