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.
