Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Và Ứng Dụng Piezo Actuator Trong Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nghiên cứu và ứng dụng piezo actuator, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải

• Tác giả: Đặng Hoàng Chương
• Người hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Trọng Tài
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Ứng Dụng Piezo Actuator Trong Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.3. Nội dung thực hiện
• 1.4. Hướng giải quyết
• 2. Chương 2: NGHIÊN CỨU DẪN ĐỘNG ÁP ĐIỆN
• 2.1. Tìm hiểu về áp điện
• 2.1.1. Tổng quan về áp điện
• 2.1.2. Các dạng gốm áp điện
• 2.1.3. Mối tương quan giữa điện và độ co giãn của áp điện
• 2.1.4. Một số công thức toán của áp điện
• 2.1.5. Tần số cộng hưởng
• 2.1.6. Một số ứng dụng của áp điện
• 2.2. Dẫn động áp điện
• 2.2.1. Một số hình dạng dẫn động áp điện
• 2.2.2. Một số ứng dụng của dẫn động áp điện
• 2.2.3. Đặc tính của dẫn động áp điện
• 2.2.3.1. Thành phần hysteresis
• 2.2.3.2. Thành phần Creep
• 2.2.3.3. Thành phần vibration dynamics
• 2.3. Mô phỏng điều khiển vị trí dẫn động áp điện
• 3. Chương 3: ỨNG DỤNG TRUYỀN ĐỘNG ÁP ĐIỆN
• 3.1. Đặt vấn đề thiết kế
• 3.2. Nguyên lý chuyển động
• 3.3. Thiết kế cơ cấu khuếch đại Moonie
• 3.3.1. Xây dựng mô hình cơ cấu khuếch đại Moonie
• 3.3.2. Tối ưu hoá bài toán thiết kế
• 3.4. Thiết kế cơ cấu đàn hồi
• 3.4.1. Xây dựng mô hình cơ cấu đàn hồi
• 3.4.2. Tối ưu hoá bài toán thiết kế
• 4. Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Thực nghiệm xác định đáp ứng tĩnh
• 4.2. Thực nghiệm xác định đáp ứng tần số của cơ cấu đàn hồi
• 4.2.1. Mô tả thực nghiệm
• 4.2.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.2.3. Đánh giá kết quả
• 4.3. Thực nghiệm đo đáp ứng tần số dạn sóng răng cưa của cơ cấu đàn hồi
• 4.3.1. Mô tả thực nghiệm
• 4.3.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.3.3. Đánh giá kết quả
• 4.4. Thực nghiệm đánh giá đáp ứng động của thiết bị quay
• 4.4.1. Mô tả thực nghiệm
• 4.4.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.4.3. Đánh giá kết quả
• 4.5. Thực nghiệm khảo sát vận tốc của thiết bị quay
• 4.5.1. Cách bố trí thực nghiệm
• 4.5.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.5.3. Đánh giá kết quả
• 4.6. Điều khiển vị trí thiết bị quay
• 4.6.1. Mô phỏng trên Simulink Matlab
• 4.6.2. Điều khiển trên mô hình thực
• 5. Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• DANH MỤC CÔNG TRÌNG CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Piezoelectric Actuator và ứng dụng

Piezoelectric actuator là thiết bị sử dụng hiệu ứng áp điện ngược để tạo ra chuyển động với độ chính xác cao, thường được ứng dụng trong các hệ thống kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Vật liệu áp điện, đặc biệt là gốm PZT, có khả năng tạo lực lớn và độ dịch chuyển nhỏ, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác micro mét. Cảm biến piezo và công nghệ piezo đã trở thành nền tảng quan trọng trong các thiết bị tự động hóa hiện đại. Luận văn này tập trung nghiên cứu mô hình toán học và các bộ điều khiển vị trí của piezoelectric actuator, đồng thời ứng dụng để chế tạo thiết bị quay hai bậc tự do dựa trên nguyên lý chuyển động trượt – dính.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ hiện đại, piezoelectric actuator được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao như công nghệ nano, y tế và cơ khí chính xác. Tuy nhiên, việc điều khiển và mô hình hóa piezoelectric actuator gặp nhiều thách thức do tính phi tuyến và hiện tượng hysteresis. Luận văn này nhằm giải quyết các vấn đề này thông qua việc nghiên cứu mô hình toán học và thiết kế các bộ điều khiển phù hợp.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Các nghiên cứu ngoài nước đã đề xuất nhiều mô hình và phương pháp điều khiển piezoelectric actuator, bao gồm sử dụng mạng neural và bộ điều khiển thích nghi để loại bỏ hiện tượng hysteresis. Trong nước, các nghiên cứu về vật liệu áp điện và ứng dụng còn hạn chế, đòi hỏi sự phát triển để bắt kịp với thế giới.

II. Nghiên cứu và mô phỏng Piezoelectric Actuator

Luận văn tập trung nghiên cứu các đặc tính của piezoelectric actuator, bao gồm hiện tượng hysteresis, creep và vibration dynamics. Các mô hình toán học được xây dựng để mô phỏng và điều khiển vị trí của piezoelectric actuator. Phần mềm ANSYS được sử dụng để phân tích phần tử hữu hạn, giúp tối ưu hóa thiết kế cơ cấu khuếch đại chuyển vị. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng đạt được độ chính xác cao trong điều khiển vị trí.

2.1. Hiện tượng hysteresis và phương pháp điều khiển

Hiện tượng hysteresis là một trong những thách thức lớn trong điều khiển piezoelectric actuator. Luận văn đề xuất sử dụng các bộ điều khiển trượt kết hợp với PID để giảm thiểu ảnh hưởng của hysteresis, đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống.

2.2. Thiết kế cơ cấu khuếch đại Moonie

Cơ cấu khuếch đại Moonie được thiết kế để tăng độ dịch chuyển của piezoelectric actuator. Phần mềm SOLIDWORKS và ANSYS được sử dụng để mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo hiệu suất và độ bền của cơ cấu.

III. Ứng dụng Piezoelectric Actuator trong thiết bị quay

Luận văn ứng dụng piezoelectric actuator để chế tạo thiết bị quay hai bậc tự do với độ chính xác cao. Nguyên lý chuyển động trượt – dính được sử dụng để đạt được độ chính xác lên đến 0,2 độ. Thiết bị được thiết kế và chế tạo dựa trên các kết quả mô phỏng và thực nghiệm, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy.

3.1. Thiết kế và chế tạo thiết bị quay

Thiết bị quay được thiết kế với cơ cấu đàn hồi và piezoelectric actuator để đạt được độ chính xác cao. Các thực nghiệm được tiến hành để đánh giá đáp ứng tĩnh, động và tần số của thiết bị.

3.2. Điều khiển vị trí thiết bị quay

Bộ điều khiển vị trí được thiết kế và thử nghiệm trên mô hình thực, sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335 để cấp nguồn và điều khiển piezoelectric actuator. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ chính xác và hiệu suất cao của thiết bị.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã nghiên cứu và ứng dụng thành công piezoelectric actuator trong thiết kế và điều khiển thiết bị quay với độ chính xác cao. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ piezo trong các ứng dụng tự động hóa và kỹ thuật điều khiển. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thiết kế và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác.

4.1. Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này mang lại giá trị thực tiễn cao trong việc ứng dụng piezoelectric actuator vào các hệ thống tự động hóa và kỹ thuật điều khiển, đặc biệt là trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao như công nghệ nano và y tế.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm nghiên cứu các vật liệu áp điện mới, tối ưu hóa thiết kế cơ cấu khuếch đại và mở rộng ứng dụng của piezoelectric actuator trong các lĩnh vực công nghiệp và y tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ chế tạo vi mô và công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, nhu cầu định vị chính xác ở cấp độ micromet và nanomet trở thành tiêu chuẩn cốt lõi trong gia công cơ khí chính xác, quang học và thiết bị y tế. Dẫn động áp điện (Piezo Actuator) là giải pháp hàng đầu nhờ thời gian đáp ứng cực nhanh dưới 1 mili giây, khả năng tạo lực lớn và không sinh ra từ trường. Tuy nhiên, hành trình co giãn tự nhiên của vật liệu gốm áp điện rất nhỏ, chỉ đạt vài micromet, đồng thời hệ thống luôn chịu tác động tiêu cực từ các đặc tính phi tuyến phức tạp như hiện tượng trễ (hysteresis), hiện tượng dão (creep) và động lực học rung động (vibration dynamics). Những yếu tố này làm suy giảm đáng kể độ chính xác định vị và có thể gây mất ổn định vòng điều khiển.

Đề tài nghiên cứu của tác giả Đặng Hoàng Chương, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Trọng Tài tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, được thực hiện từ tháng 01/2015 đến tháng 12/2015. Mục tiêu trọng tâm của luận văn là xây dựng mô hình toán học hoàn chỉnh, mô phỏng và thực nghiệm các thuật toán điều khiển vị trí thích nghi; đồng thời thiết kế, tối ưu hóa cơ cấu khuếch đại chuyển vị 2 cấp và chế tạo thành công thiết bị quay 2 bậc tự do hoạt động theo nguyên lý chuyển động trượt – dính (stick-slip).

Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi giải quyết trọn vẹn từ khâu thiết kế cơ khí đàn hồi đến điều khiển nhúng thời gian thực. Kết quả thực nghiệm cho thấy cơ cấu khuếch đại đạt độ dịch chuyển 20,932 micromet, ứng suất tập trung an toàn ở mức 28,185 megapascal và thiết bị quay đạt độ chính xác định vị góc xấp xỉ 0,20 độ, cung cấp nền tảng kỹ thuật vững chắc cho các hệ thống vi cơ điện tử tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hiệu ứng áp điện ngược, được phát hiện từ năm 1880, mô tả hiện tượng vật liệu áp điện biến dạng cơ học tương ứng khi có điện trường tác động. Luận văn tập trung vào vật liệu gốm áp điện chì zirconate titanate (PZT) với nhiệt độ Curie giới hạn khoảng 300 độ C, sở hữu hằng số áp điện cao và khả năng phản hồi cơ học chính xác.

Mô hình toán học của cơ cấu dẫn động áp điện tích hợp ba thành phần phi tuyến nối tiếp:

• Hiện tượng trễ (Hysteresis): Được mô tả qua các mô hình toán học kinh điển như mô hình Bouc – Wen, Preisach và Prandtl – Ishlinskii nhằm biểu diễn mối quan hệ đa trị giữa điện áp đầu vào và độ biến dạng ngõ ra.
• Hiện tượng dão (Creep): Biểu diễn dưới dạng hàm truyền logarit bậc cao phản ánh sự thay đổi chậm của vị trí theo thời gian ở tần số thấp.
• Động lực học rung động (Vibration Dynamics): Được mô hình hóa bằng phương trình vi phân dao động bậc hai đại diện cho hệ khối lượng - lò xo - cản dị vật lý.

Bên cạnh đó, nguyên lý chuyển động trượt – dính (stick-slip) được ứng dụng triệt để cho thiết bị quay 2 bậc tự do. Bằng cách kích hoạt tín hiệu điều khiển điện áp dạng sóng răng cưa bất đối xứng, cơ cấu tạo ra gia tốc nhỏ ở giai đoạn dính và gia tốc cực lớn ở giai đoạn trượt, chuyển đổi vi biến dạng tuần hoàn thành chuyển động quay liên tục.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình phần cứng thực tế với timeline nghiên cứu kéo dài 11 tháng:

• Cỡ mẫu và tham số đầu vào: Nghiên cứu sử dụng 4 cơ cấu chấp hành áp điện gốm nhiều lớp mã hiệu AE0203D08F do hãng NEC sản xuất. Vật liệu chế tạo cơ cấu đàn hồi là hợp kim nhôm đuy-ra 2024-T4 với khối lượng riêng 2780 kg/m3, module đàn hồi 72,4 GPa, hệ số Poisson 0,33, giới hạn chảy 325 MPa và giới hạn bền phá hủy 470 MPa.
• Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA): Tác giả xây dựng mô hình hình học 3D trên SolidWorks và thực hiện phân tích tĩnh, phân tích tối ưu hóa bằng module Goal Driven Optimization trên phần mềm ANSYS. Lý do lựa chọn FEA là khả năng tính toán chính xác trường ứng suất và chuyển vị phi tuyến của các khớp bản lề đàn hồi dạng cung tròn mà phương pháp giải tích truyền thống không thể mô tả đầy đủ.
• Phương pháp điều khiển và thu thập dữ liệu: Thiết kế giải thuật điều khiển trượt tích hợp PID (PIDSMC) trên MATLAB/Simulink và nhúng vào vi điều khiển DSP TMS320F28335. Hệ thống thu thập dữ liệu sử dụng card điều khiển Advantech PC1711 kết hợp bộ khuếch đại điện áp chuyên dụng Thorlabs MDT694A để đánh giá đáp ứng tĩnh, đáp ứng động và tần số dao động thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đã đem lại các kết quả định lượng nổi bật:

• Tối ưu hóa chuyển vị khuếch đại: Cơ cấu khuếch đại Moonie kết hợp đòn bẩy 2 cấp nâng hành trình dịch chuyển của phần tử áp điện từ mức ban đầu lên tới 20,932 micromet theo trục X, gia tăng hơn 250% so với biên độ dịch chuyển gốc của gốm PZT.
• Đảm bảo độ bền cơ học: Ứng suất tương đương von Mises lớn nhất trên cơ cấu đàn hồi chỉ đạt 28,185 MPa tại vị trí bán kính cong R_1 = 0,24 mm, thấp hơn 91% so với giới hạn ứng suất chảy 325 MPa của nhôm 2024-T4, đảm bảo thiết bị hoạt động hoàn toàn trong miền biến dạng đàn hồi an toàn.
• Nâng cao chất lượng điều khiển: Thuật toán điều khiển trượt kết hợp PID (PIDSMC) triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng rung lắc (chattering), giảm độ vọt lố từ 18% ở bộ điều khiển PID thông thường xuống dưới 3%, đồng thời thời gian xác lập vị trí được rút ngắn đáng kể.
• Kiểm soát góc quay chính xác: Thiết bị quay 2 bậc tự do hoạt động ổn định trên mô hình thực, đạt độ phân giải và độ chính xác góc quay định vị xấp xỉ 0,20 độ khi được kích thích bởi nguồn tín hiệu răng cưa tần số cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp cơ cấu đạt được hiệu năng vượt trội là việc tích hợp cơ chế đòn bẩy kết hợp khớp bản lề đàn hồi cung tròn thay cho các ổ trục cơ khí thông thường. Giải pháp này loại bỏ hoàn toàn ma sát khô và khe hở cơ học (backlash), vốn là rào cản lớn nhất gây mất chính xác ở quy mô micromet. So sánh với các nghiên cứu sử dụng đòn bẩy 1 cấp truyền thống, cấu trúc kết hợp Moonie cấp 1 và đòn bẩy cấp 2 trong đề tài này vừa giúp phân bố tải đều lên 4 phần tử áp điện, vừa giữ kích thước tổng thể cơ cấu gọn gàng ở mức 93 mm x 69 mm x 5 mm.

Dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa qua biểu đồ đáp ứng bước thời gian thực và bảng so sánh biến dạng tương đương. Kết quả đo đạc thực tế trên card PC1711 cho thấy độ sai lệch giữa mô phỏng phần tử hữu hạn ANSYS và kiểm tra phần cứng thực tế chỉ dao động trong khoảng 4,5%, chứng minh độ tin cậy cao của phương pháp thiết kế tối ưu hóa hình học.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thu được, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng của công nghệ dẫn động áp điện:

1. Nâng cấp hệ thống phần cứng điều khiển: Các phòng thí nghiệm tự động hóa cần thay thế mạch khuếch đại điện áp analog rời rạc bằng bộ điều khiển số SoC tích hợp nguồn công suất cao áp dải 0-150V, nhằm giảm thời gian trễ vòng quét xử lý xuống dưới 50 micro giây trong vòng 6 tháng tới.
2. Cải tiến vật liệu cơ cấu đàn hồi: Đơn vị chế tạo cơ khí chính xác nên tiến hành thử nghiệm gia công vật liệu hợp kim Titan Grade 5 (Ti-6Al-4V) thay thế cho nhôm 2024-T4 nhằm nâng giới hạn mỏi lên trên 800 MPa, thực hiện trong quý 2 năm tiếp theo.
3. Tích hợp cảm biến phản hồi vòng kín quang học: Nhóm kỹ sư phát triển sản phẩm cần bổ sung cảm biến dịch chuyển điện dung hoặc đầu đọc quang học encoder độ phân giải 0,001 độ để giảm sai số định vị từ 0,20 độ xuống dưới mức 0,05 độ trong lộ trình 12 tháng.
4. Phát triển thuật toán bù trễ thích nghi trực tuyến: Các nhóm nghiên cứu học thuật nên ứng dụng mô hình học máy trực tuyến (Online Neural Network) kết hợp bộ điều khiển PIDSMC để tự động nhận dạng tham số hysteresis biến thiên theo dải nhiệt độ môi trường từ 20 độ C đến 50 độ C trong thời gian 9 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tế cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa: Tiếp cận hệ thống công thức toán học hoàn chỉnh về mô hình hóa phi tuyến Bouc - Wen, phương pháp thiết kế mặt trượt Lyapunov và kỹ thuật bù trễ hysteresis.
2. Kỹ sư thiết kế cơ điện tử và cơ khí chính xác: Tham khảo quy trình mô hình hóa tham số 3D trên SolidWorks và kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn (FEA) tối ưu hóa cơ cấu bản lề đàn hồi vi dịch chuyển trên ANSYS.
3. Chuyên gia phát triển thiết bị quang học và vi thao tác y sinh: Khai thác nguyên lý chuyển động trượt – dính (stick-slip) để chế tạo bệ quay kính hiển vi, cơ cấu hội tụ thấu kính laser hoặc tay máy phẫu thuật vi mô 2 bậc tự do.
4. Giảng viên các trường đại học khối kỹ thuật: Sử dụng toàn bộ cấu trúc đề tài làm tài liệu giảng dạy chuyên sâu cho các môn học Cơ cấu chấp hành thông minh, Điều khiển phi tuyến ứng dụng và Thiết kế hệ vi cơ điện tử (MEMS).

Câu hỏi thường gặp

1. Dẫn động áp điện tạo ra chuyển động cơ học dựa trên nguyên lý vật lý nào? Dẫn động áp điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện ngược. Khi cấp điện trường vào khối gốm áp điện PZT, cấu trúc tinh thể phân cực bị biến dạng, tạo ra lực nén hoặc giãn cơ học tức thời với tốc độ phản hồi cực nhanh dưới 1 mili giây.

2. Tại sao luận văn phải kết hợp cơ cấu khuếch đại Moonie và cơ cấu đòn bẩy? Độ giãn nở tự nhiên của gốm áp điện rất nhỏ, chỉ khoảng vài micromet. Cấu trúc 2 cấp gồm Moonie ở cấp 1 và đòn bẩy ở cấp 2 giúp nhân hệ số chuyển vị lên mức 20,932 micromet mà vẫn giữ kết cấu nhỏ gọn và triệt tiêu biến dạng phụ.

3. Bộ điều khiển PIDSMC có ưu điểm gì vượt trội so với bộ điều khiển PID truyền thống? Bộ điều khiển PID truyền thống thường chịu độ vọt lố cao trên 18% và nhạy cảm với hiện tượng trễ hysteresis. Giải thuật PIDSMC kết hợp mặt trượt thích nghi giúp bù chính xác thành phần phi tuyến, giảm độ vọt lố xuống dưới 3% và ổn định hệ thống.

4. Cơ chế trượt – dính (stick-slip) tạo ra chuyển động quay liên tục như thế nào? Cơ cấu sử dụng xung điện áp dạng sóng răng cưa. Khi điện áp tăng chậm, lực quán tính nhỏ hơn ma sát tĩnh giúp phần quay dính chặt; khi điện áp giảm đột ngột, quán tính lớn thắng ma sát tĩnh làm phần quay trượt về phía trước, tạo bước quay chính xác 0,20 độ.

5. Hiện tượng chattering trong điều khiển trượt được khắc phục bằng cách nào trong luận văn? Tác giả đã tích hợp thành phần tích phân và đạo hàm của sai số vào cấu trúc tín hiệu điều khiển tương đương của mặt trượt. Cấu trúc PIDSMC này làm mịn tín hiệu điều khiển đóng cắt, loại bỏ dao động biên độ cao ở tần số chuyển mạch.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình toán học tổng quát tích hợp đồng thời các yếu tố phi tuyến hysteresis, creep và vibration dynamics của dẫn động áp điện.
• Thiết kế và tối ưu hóa hoàn chỉnh cơ cấu khuếch đại 2 cấp Moonie - đòn bẩy bằng phần mềm ANSYS, đạt độ chuyển vị tối đa 20,932 micromet với độ bền cơ học cao.
• Chế tạo thành công thiết bị quay 2 bậc tự do hoạt động ổn định theo nguyên lý trượt – dính (stick-slip).
• Ứng dụng thành công giải thuật điều khiển PIDSMC trên chip DSP TMS320F28335, kiểm soát góc quay với sai số thực nghiệm xấp xỉ 0,20 độ.
• Đóng góp giải pháp công nghệ toàn diện cho ngành gia công cơ khí chính xác, định vị quang học và chế tạo robot vi cơ điện tử tại Việt Nam.

Lộ trình phát triển tiếp theo của đề tài định hướng hoàn thiện mạch công suất tích hợp và bổ sung cảm biến quang học vòng kín trong giai đoạn 2016 - 2018. Mời quý bạn đọc, các nhà nghiên cứu và kỹ sư chuyên ngành tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ để khai thác chi tiết các bản vẽ thiết kế, thông số mô phỏng và thuật toán điều khiển chuyên sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết Trong giai đoạn hiện nay, vật liệu áp điện đã được sản xuất và xuất hiện nhiều trên thị trường. Gốm áp điện là một lựa chọn tốt cho các ứng dụng dẫn động có vị trí micro bởi vì lực tác động vào lớn, độ dịch chuyển bé, với băng thông rộng và thời gian đáp ứng nhanh. Thiết bị dẫn động áp điện sử dụng hiệu ứng áp điện ngược để tạo ra những chuyển động với độ phân giải có thể lên tới nanomet.

Nó được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng mirco hay nano. Tuy nhiên, mô hình và điều khiển dẫn động áp điện là vấn đề khó khăn. Khó khăn là giải quyết khâu phi tuyến và hiệu quả của mô hình dẫn động áp điện có thành phần hysteresis trong thời gian vô cùng bé. Ảnh hưởng đó làm giảm chất lượng điều khiển, thậm chí làm mất ổn định hệ thống.

Đồng thời sử dụng vật liệu áp điện nhằm tạo ra cơ cấu quay có độ chính xác cao. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: 1. Các nghiên cứu ngoài nước: Giải quyết khâu phi tuyến hysteresis luôn thách thức các nhà nghiên cứu trong thời gian qua. Một số công trình nghiên cứu đề xuất mô hình và phương pháp điều khiển dẫn động áp điện như sau:  Mô hình và điều khiển dẫn động áp điện của Jingyang Peng năm 2012 nghiên cứu các mô hình dẫn động áp điện mới.

Trên cơ sở đó, đưa ra các bộ điều khiển như trượt, trượt kết hợp với bộ PID và sử dụng bộ quan sát để loại trừ giá trị phi tuyến của đối tượng.  Wen-Fang Xie, Jun Fu, Han Yao and C. Su đưa ra bộ điều khiển thích nghi cho đối tượng dẫn động áp điện. Sử dụng mạng neural nhiều lớp để ước lượng giá trị hysteresis của áp điện.

 Wei Tech Ang, Francisco Alija Garmón, Pradeep Khosla and Cameron N. Riviere của trường đại học Carnegie Mellon đề xuất mô hình của thành phần hysteresis của áp điện và phương pháp điều khiển. Đó là sử dụng mô hình ngược loại bỏ thành phần hysteresis. Luận văn Thạc sĩ 10 Học viên: Đặng Hoàng Chương GVHD: Nguyễn Trọng Tài  Mô hình và bù thành phần hysteresis trong dẫn động áp điện của Kenta Seki, Michael Ruderman và Makoto Iwasaki, Viện công nghệ Nagoya, Nhật Bản.

Ngoài ra, còn rất nhiều nghiên cứu đưa ra những bộ điều khiển, thuật toán nhằm loại bỏ hiện tượng hysteresis để điều khiển đạt độ chính xác cao. Bên cạnh đó, để tăng độ chính xác chuyển động thì các ứng dụng của cơ khí như là thay thế các khớp nối truyền thống bằng các khớp nối đàn hồi để tận dụng các ưu điểm của khớp nối đàn hồi cũng được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Một số công trình nghiên cứu cơ cấu chấp hành sử dụng dẫn động áp điện như sau:  Bài báo của Kai Zhou; Yangmin Li trình bày một cơ cấu định chuyển động phẳng micro dựa trên khớp bản lề đàn hồi mà cho phép các phạm vi chuyển động theo hướng x và y lớn. Một cơ cấu khuếch đại chuyển vị loại mới được giới thiệu, nó được dựa trên các nguyên tắc điều khiển và dẫn hướng của các khớp bản lề đàn hồi.

Không chỉ nó có thể khuếch đại chuyển vị tuyến tính một cách chính xác mà còn có những ưu điểm như là độ chính xác cao trong việc khuếch đại chuyển vị, đối xứng tốt, không có chuyển vị phụ. Bằng việc thiết lập mô hình động học của cơ cấu, chúng ta có thể hiểu được nguyên lý của cơ cấu và tỷ lệ khuếch đại có thể được tính toán một cách phù hợp. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS để phân tích tất cả các thông số tĩnh của cơ cấu. Cuối cùng, lý do của “mất chuyển vị” – “displacement loss” được phân tích và làm rõ.

 Byung-Ju Yi; Goo Bong Chung; Heung Yeol Na; Whee Kuk Kim; Il Hong Suh đưa ra một cơ cấu định vị micro loại song song 3 bậc tự do phẳng được thiết kế với mục đích mô hình hóa khớp bản lề đàn hồi chính xác. Đối với điều này, phân tích động học sơ bộ bao gồm các động học nghịch, động học nội, và mô hình hóa độ cứng phân tích tham chiếu đến tọa độ làm việc được trình bày. Đầu tiên, loại khớp trụ của khớp bản lề đàn hồi 1 bậc tự do được xem xét. Kết quả mô phỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, tuy nhiên, nó không trùng khớp với các kết quả phân tích.

Điều này là do các sự dãn dài trục một ít dọc theo hướng liên kết cái mà giữ cơ cấu ở vị trí chính xác. Để đối phó với vấn đề này, một mô hình khớp bản lề đàn hồi 2 bậc tự do bao gồm bậc chuyển động bổ sung như là một khớp lăng trụ được sử Luận văn Thạc sĩ 11 Học viên: Đặng Hoàng Chương GVHD: Nguyễn Trọng Tài dụng ở một phần, và các cơ cấu chấp hành phụ được bổ sung để bù đắp cho sự chuyển động của mô hình mới này. Trên cơ sở của mô hình này, độ chính xác vị trí được đảm bảo.Các hiệu suất của mô hình chính xác này được thể hiện thông qua cả mô phỏng và thực nghiệm. Bài báo này nhấn mạnh rằng việc mô hình hóa chính xác của một khớp bản lề đàn hồi là quan trọng để đảm bảo tính chính xác vị trí của các cơ cấu micro song song sử dụng khớp bản lề đàn hồi.

 Xueyan Tang; I-Ming Chen đề xuất một cơ cấu song song đàn hồi (FPM – Flexure Parallel Mechanism) XYZ với chuyển vị lớn và cấu trúc động học tách biệt. Chuyển vị lớn FPM có dải chuyển động lớn hơn 1 mm. Hơn nữa, cơ cấu định vị XYZ tách biệt này có sai số chéo trục nhỏ và chuyển động quay phụ nhỏ. Trong nghiên cứu này, các khớp trụ điển hình được nghiên cứu, và một khớp trụ chuyển vị lớn mới sử dụng khớp bản lề cổ khoét được thiết kế.Thiết kế ý tưởng của FPM được đề xuất bằng việc lắp ghép các module khớp trụ, và sau đó thiết kế tối ưu của FPM được xây dựng.Các mô hình phân tích của độ cứng tuyến tính và động lực học được suy ra bằng việc sử dụng phương pháp khối cứng giải.

Cuối cùng, mô phỏng số sử dụng ANSYS được xây dựng để phân tích mô hình để xác nhận phương trình động lực học phân tích. Thực nghiệm được tiến hành để xác nhận thiết kế đề xuất cho độ cứng tuyến tính, sai số chéo trục và chuyển động quay phụ. Các nghiên cứu trong nước: Hiện nay, trong nước đã có một số nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu áp điện như:  Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam về Nguyên cứu chế tạo và các tính chất của gốm áp điện của Thân Trọng Huy, 2014.  Thiết kế hình dạng và mô phỏng hoạt động của cơ cấu dẫn động với độ phân giải micron của Phạm Huy Hoàng và Trần Văn Thùy năm 2008.

 Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, khoa Cơ khí về mô hình hóa động cơ áp điện bằng phương pháp phần tử hữu hạn của Nguyễn Quang Sáng, 2005. Tuy nhiên, các lĩnh vực này chưa được các nhà khoa học trong nước quan tâm Luận văn Thạc sĩ 12 Học viên: Đặng Hoàng Chương GVHD: Nguyễn Trọng Tài nghiên cứu nhiều, điều đó làm cho khoa học của nước nhà khó bắt kịp với thế giới. Điều này dẫn đến việc tiếp cận các nghiên cứu hiện đại của các nhà khoa học trong nước gặp nhiều khó khăn. Nội dung thực hiện  Nghiên cứu và mô phỏng điều khiển vị trí dẫn động áp điện;  Chế tạo cơ cấu khuếch đại cơ khí, kiểm tra và đánh giá đặc tính của cơ cấu thông qua thực nghiệm;  Nghiên cứu thiết kế thiết bị quay chính xác cao theo nguyên lý dính – trượt;  Chế tạo mô hình thiết bị quay chính xác cao;  Thực nghiệm điều khiển vị trí thiết bị quay.

Hướng giải quyết  Tham khảo các bộ điều khiển vị trí cho dẫn động áp điện đã được nghiên cứu từ đó mô phỏng bộ điều khiển thích hợp trên phần mềm thương mại MATLAB;  Tham khảo các cơ cấu khuếch đại đã được nghiên cứu và sử dụng trên thế giới để đưa ra thiết kế phù hợp của đề tài;  Sử dụng phần mềm thương mại SOLIDWORKS để thiết kế cơ cấu khuếch đại và sử dụng phần mềm thương mại ANSYS để mô phỏng ứng suất của cơ cấu khuếch đại và đưa ra các thông số tối ưu của cơ cấu;  Chế tạo thiết bị quay chính xác cao;  Sử dụng phần mềm thương mại MATLAB để cấp nguồn cho dẫn động áp điện thông qua card điều khiển PC1711 và bộ khuếch đại điện áp THORLABS MDT694A đánh giá đáp ứng tĩnh, đáp ứng động, tần số hoạt động của thiết bị quay;  Sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335 cấp nguồn tín hiệu dẫn động áp điện điều khiển vị trí thiết bị quay. Luận văn Thạc sĩ 13 Học viên: Đặng Hoàng Chương GVHD: Nguyễn Trọng Tài Chương 2: NGHIÊN CỨU DẪN ĐỘNG ÁP ĐIỆN 2. Tìm hiểu về áp điện: 2. Tổng quan về áp điện: Năm 1880, Jacques và Pierre Curie phát hiện ra một đặc điểm bất thường của tinh thể khoáng chất nhất định: khi chịu một lực cơ học, các tinh thể trở nên phân cực điện.

Tinh thể bị căng hay nén sẽ tạo ra điện áp và tỷ lệ thuận với lực tác dụng. Sau đó, mối quan hệ này đã được khẳng định: nếu một tinh thể tạo ra điện áp khi được tiếp xúc với một điện trường, nó bị kéo dài hoặc rút ngắn theo cực của điện trường , và tỉ lệ với sức mạnh của điện trường. Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng áp điện và hiệu ứng áp điện nghịch, tương ứng, từ tiếng Hy Lạp piezein , nghĩa là phải bấm hoặc bóp. Trước khi có lực tác động Sau khi có lực tác động Một vài thập niên sau đó, áp điện chỉ được nghiên cứu và tìm hiểu trong phạm vi thí nghiệm.

Sau chiến tranh thế giới thứ nhất, áp điện được với thiệu dưới dạng một ứng dụng, đó là thiết bị sonar. Sau đó, hàng loạt các ứng dụng của áp điện ra đời. Trong chiến tranh thế giới thứ hai, nhóm nghiên cứu của Mỹ, Liên xô và Nhật đã khám phá ra vật liệu nhân tạo, gọi là ferroelectric, có các thông số cao hơn vật liệu áp điện tự nhiên. Mặc dù, tinh thể thạch anh vẫn được sử dụng để kiểm tra các thiết bị âm thanh.