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.
