Luận án tiến sĩ: Thiết kế và điều khiển hệ thống treo tĩnh điện hiệu quả chi phí
Nghiên cứu luận án tiến sĩ về thiết kế và điều khiển hệ thống treo điện tử. Tập trung tối ưu chi phí, nâng cao hiệu suất vận hành xe.
university of ulsan
Mechanical and Automotive Engineering
Luan An
Luận án
Năm xuất bản
Số trang
184
Thời gian đọc
28 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I.Tổng quan hệ thống treo tĩnh điện Giải pháp tối ưu
Hệ thống treo tĩnh điện đại diện cho một công nghệ tiên tiến, cung cấp khả năng điều khiển vị trí chính xác cao cho các vật thể. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý lực hút tĩnh điện, cho phép nâng và giữ vật thể mà không tiếp xúc vật lý. Điều này loại bỏ ma sát, hao mòn cơ học và ô nhiễm, vốn là những vấn đề nan giải trong các hệ thống treo cơ khí truyền thống. Khả năng không tiếp xúc làm cho hệ thống treo tĩnh điện trở thành giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi độ sạch cao và độ chính xác tuyệt đối. Lĩnh vực sản xuất vi mạch bán dẫn, chế tạo thiết bị MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) và ổ đĩa cứng (HDD) là những ví dụ điển hình. Các ứng dụng này yêu cầu kiểm soát vị trí ở cấp độ micromet hoặc nanomet, nơi mà ngay cả sự tiếp xúc nhỏ nhất cũng có thể gây hư hại hoặc giảm hiệu suất. Mục tiêu chính là phát triển các hệ thống treo tĩnh điện không chỉ đạt hiệu suất cao về độ chính xác và ổn định mà còn phải có chi phí hợp lý. Việc tối ưu hóa thiết kế và điều khiển là trọng tâm để đạt được sự cân bằng này, mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ.
1.1. Giới thiệu công nghệ treo tĩnh điện
Công nghệ treo tĩnh điện sử dụng trường điện để tạo ra lực nâng, giữ vật thể lơ lửng trong không khí hoặc chân không. Nguyên lý cốt lõi là sự tương tác giữa điện tích trên điện cực và vật thể được treo. Lực tĩnh điện có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi điện áp áp dụng vào các điện cực. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là loại bỏ hoàn toàn ma sát. Điều này dẫn đến không có hao mòn cơ khí, giảm thiểu nhu cầu bảo trì và tăng tuổi thọ hệ thống. Hơn nữa, môi trường không tiếp xúc đảm bảo không có hạt bụi hay tạp chất sinh ra từ quá trình ma sát, cực kỳ quan trọng đối với các ngành công nghiệp nhạy cảm như sản xuất linh kiện điện tử. Công nghệ này mang lại khả năng định vị và di chuyển vật thể với độ chính xác rất cao, làm nền tảng cho nhiều ứng dụng công nghệ cao.
1.2. Ứng dụng và mục tiêu nghiên cứu hệ thống treo
Hệ thống treo tĩnh điện có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao. Trong ngành công nghiệp bán dẫn, công nghệ này hỗ trợ quá trình chế tạo và kiểm tra wafer, đảm bảo không có hư hại do tiếp xúc vật lý. Đối với ổ đĩa cứng (HDD), việc duy trì khoảng cách chính xác giữa đầu đọc/ghi và đĩa quay là cực kỳ quan trọng. Hệ thống treo tĩnh điện cung cấp giải pháp không ma sát cho các bộ phận chuyển động, nâng cao hiệu suất và độ bền. Mục tiêu của nghiên cứu là thiết kế và điều khiển các hệ thống treo tĩnh điện có hiệu suất vượt trội, đồng thời giảm đáng kể chi phí sản xuất và vận hành. Điều này đòi hỏi phát triển các phương pháp điều khiển tiên tiến và thiết kế cơ khí đơn giản hơn nhưng vẫn đảm bảo độ ổn định và chính xác cao. Việc đạt được mục tiêu "hiệu quả chi phí" mở ra tiềm năng thương mại hóa rộng lớn cho công nghệ này.
1.3. Tổng quan cấu trúc luận án
Luận án này tập trung vào việc nghiên cứu sâu rộng về thiết kế và điều khiển hệ thống treo tĩnh điện hiệu quả chi phí. Nội dung luận án bao gồm nhiều khía cạnh từ lý thuyết đến thực tiễn. Ban đầu, mô hình động lực học của hệ thống treo tĩnh điện được xây dựng và phân tích kỹ lưỡng. Tiếp theo, các phương pháp điều khiển truyền thống như PID và back-stepping được áp dụng, đồng thời đánh giá ưu nhược điểm của chúng. Phần trọng tâm của luận án là phát triển các hệ thống treo tĩnh điện mới, tập trung vào việc giảm chi phí mà vẫn duy trì hiệu suất. Điều này bao gồm các bộ điều khiển đơn giản như on-off, bang-bang, và các bộ điều khiển tiên tiến hơn như điều khiển độ trễ và điều khiển cấu trúc biến đổi. Cuối cùng, một hệ thống treo tĩnh điện cải tiến sử dụng điện cực di động được giới thiệu, cùng với các chiến lược điều khiển tiên tiến như Genetic-PID và điều khiển tối ưu thời gian liên tục. Các kết quả thực nghiệm chứng minh hiệu quả của các giải pháp đề xuất.
II.Mô hình động lực học và điều khiển hệ thống treo truyền thống
Việc hiểu rõ hành vi của hệ thống treo tĩnh điện đòi hỏi một mô hình động lực học chính xác. Mô hình này là nền tảng cho việc thiết kế các bộ điều khiển hiệu quả. Hệ thống treo tĩnh điện vốn dĩ là một hệ thống phi tuyến và không ổn định tự thân, gây ra thách thức lớn trong việc điều khiển. Các phương pháp điều khiển truyền thống, mặc dù phổ biến, thường gặp khó khăn khi đối mặt với tính chất này. Các nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển các chiến lược điều khiển phản hồi để ổn định hệ thống. Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những lựa chọn đầu tiên, được đánh giá về khả năng duy trì vị trí vật thể. Tuy nhiên, hiệu suất của PID có thể bị hạn chế bởi tính phi tuyến và độ nhạy cảm của hệ thống. Kỹ thuật back-stepping cung cấp một phương pháp thiết kế bộ điều khiển hệ thống phi tuyến mạnh mẽ hơn, từng bước đảm bảo độ ổn định.
2.1. Phân tích mô hình động lực học một bậc tự do
Mô hình động lực học của hệ thống treo tĩnh điện thường được đơn giản hóa thành một hệ thống một bậc tự do (1-DOF) cho mục đích phân tích ban đầu. Vật thể được treo có khối lượng m, chịu tác dụng của lực tĩnh điện F. Lực này được tạo ra giữa các điện cực và vật thể, phụ thuộc vào điện áp V và khoảng cách z giữa chúng. Phương trình động lực học tổng quát bao gồm lực tĩnh điện, lực cản (damping force) và lực quán tính. Do tính phi tuyến của lực tĩnh điện (tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách), hệ thống vốn dĩ không ổn định. Điều này có nghĩa là một sai lệch nhỏ khỏi vị trí cân bằng có thể nhanh chóng dẫn đến sự không ổn định hoặc va chạm. Việc tuyến tính hóa phương trình động lực học xung quanh điểm làm việc là cần thiết để áp dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính. Phân tích này là bước đầu tiên để thiết kế bộ điều khiển ổn định.
2.2. Điều khiển PID Phân tích và hạn chế
Bộ điều khiển PID là một trong những thuật toán điều khiển được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật. Đối với hệ thống treo tĩnh điện, bộ điều khiển PID cố gắng duy trì vật thể ở vị trí mong muốn bằng cách điều chỉnh điện áp dựa trên sai số vị trí. Các thành phần tỷ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D) đóng góp vào tín hiệu điều khiển. Thành phần P phản ứng với sai số hiện tại, I loại bỏ sai số trạng thái ổn định, còn D dự đoán sai số trong tương lai. Mặc dù PID đơn giản và dễ cài đặt, việc điều khiển hệ thống treo tĩnh điện phi tuyến và không ổn định bằng PID gặp phải nhiều thách thức. Hiệu suất của PID phụ thuộc rất nhiều vào việc điều chỉnh các tham số Kp, Ki, Kd, và có thể không tối ưu cho các phản ứng quá độ nhanh hoặc khi hệ thống chịu nhiễu. PID thường yêu cầu một mô hình đã được tuyến tính hóa, giới hạn khả năng hoạt động của nó trong dải làm việc rộng.
2.3. Thiết kế điều khiển phản hồi bằng kỹ thuật back stepping
Kỹ thuật back-stepping cung cấp một phương pháp thiết kế bộ điều khiển phản hồi mạnh mẽ cho các hệ thống phi tuyến. Khác với PID, back-stepping được thiết kế trực tiếp cho mô hình phi tuyến của hệ thống treo tĩnh điện, loại bỏ nhu cầu tuyến tính hóa. Phương pháp này hoạt động bằng cách chia hệ thống thành các hệ thống con có bậc thấp hơn và thiết kế từng bộ điều khiển cho từng hệ thống con một cách tuần tự. Mỗi bước trong quá trình back-stepping sẽ thiết kế một hàm trạng thái ảo và một luật điều khiển cho một phần của hệ thống, đảm bảo độ ổn định Lyapunov cho từng bước. Kết quả là một bộ điều khiển toàn diện có khả năng ổn định toàn bộ hệ thống phi tuyến. Back-stepping mang lại khả năng điều khiển mạnh mẽ hơn, độ ổn định được chứng minh và khả năng đối phó tốt hơn với các đặc tính phi tuyến của hệ thống treo tĩnh điện so với các bộ điều khiển tuyến tính.
III.Phát triển hệ thống treo tĩnh điện hiệu quả chi phí
Việc phát triển hệ thống treo tĩnh điện đòi hỏi sự cân bằng giữa hiệu suất và chi phí. Mục tiêu là tạo ra các hệ thống hoạt động ổn định, chính xác mà không đòi hỏi phần cứng phức tạp hoặc thuật toán điều khiển quá đắt đỏ. Các nghiên cứu đã tập trung vào việc khám phá các phương pháp điều khiển đơn giản nhưng hiệu quả, cùng với các thiết kế cơ khí được tối ưu hóa. Các bộ điều khiển on-off và bang-bang time optimal control đại diện cho các chiến lược có chi phí thấp, tận dụng tối đa khả năng của hệ thống với ít tài nguyên tính toán. Hơn nữa, việc xem xét các yếu tố như độ trễ của hệ thống và sự không chắc chắn về thông số đã dẫn đến việc phát triển các bộ điều khiển như điều khiển độ trễ và điều khiển cấu trúc biến đổi. Những phương pháp này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn tăng cường độ mạnh mẽ của hệ thống, góp phần vào mục tiêu hiệu quả chi phí tổng thể.
3.1. Nguyên lý hoạt động và điều khiển đơn giản
Các hệ thống treo tĩnh điện hiệu quả chi phí thường bắt đầu với các nguyên lý hoạt động và phương pháp điều khiển đơn giản. Điều khiển on-off là một ví dụ điển hình. Phương pháp này chỉ áp dụng điện áp đầy đủ hoặc cắt điện hoàn toàn dựa trên một ngưỡng sai số nhất định. Sự đơn giản của điều khiển on-off làm giảm đáng kể yêu cầu về phần cứng điện tử và chi phí tính toán. Không cần các bộ khuếch đại điện áp phức tạp hay bộ vi xử lý tốc độ cao. Mặc dù điều khiển on-off có thể gây ra hiện tượng dao động (chattering) và không đạt được độ chính xác tuyệt đối như các phương pháp phức tạp hơn, nó vẫn là một giải pháp khả thi cho nhiều ứng dụng nơi hiệu quả chi phí là ưu tiên hàng đầu. Việc hiểu rõ nguyên lý này là bước đầu tiên trong việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống treo tĩnh điện.
3.2. Điều khiển tối ưu thời gian bang bang và bộ điều khiển trễ
Điều khiển tối ưu thời gian bang-bang là một chiến lược điều khiển hiệu quả, đặc biệt khi yêu cầu hệ thống đạt trạng thái mong muốn trong thời gian ngắn nhất có thể. Phương pháp này áp dụng tín hiệu điều khiển cực đại dương hoặc cực đại âm (như bật/tắt hoàn toàn điện áp) để đưa hệ thống về điểm đặt. Điều khiển bang-bang đòi hỏi ít thông tin về hệ thống hơn các bộ điều khiển phức tạp khác, góp phần giảm chi phí tính toán. Đối với các hệ thống treo tĩnh điện có độ trễ truyền tín hiệu hoặc độ trễ phản ứng, bộ điều khiển trễ được phát triển để bù đắp. Bộ điều khiển trễ cải thiện độ ổn định và hiệu suất bằng cách dự đoán tác động của độ trễ và điều chỉnh tín hiệu điều khiển phù hợp. Việc thiết kế bộ điều khiển trễ và phân tích độ ổn định của nó là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động đáng tin cậy trong môi trường thực tế, nơi độ trễ là không thể tránh khỏi.
3.3. Điều khiển cấu trúc biến đổi Nâng cao độ ổn định
Điều khiển cấu trúc biến đổi (Variable Structure Control - VSC), đặc biệt là điều khiển chế độ trượt (sliding mode control), là một phương pháp mạnh mẽ để nâng cao độ ổn định và mạnh mẽ của hệ thống treo tĩnh điện. VSC được biết đến với khả năng chống lại nhiễu loạn bên ngoài và sự không chắc chắn của thông số hệ thống. Nguyên lý hoạt động của VSC là buộc trạng thái hệ thống di chuyển trên một "mặt trượt" được xác định trước trong không gian trạng thái. Khi hệ thống ở trên mặt trượt, động học của nó trở nên độc lập với các nhiễu loạn và sự thay đổi thông số. Điều này mang lại độ mạnh mẽ vượt trội so với các bộ điều khiển tuyến tính. Việc thiết kế VSC bao gồm xác định mặt trượt và luật điều khiển để đảm bảo hệ thống đạt và duy trì trên mặt trượt. VSC là một giải pháp hiệu quả để đảm bảo độ ổn định cao và hiệu suất đáng tin cậy cho hệ thống treo tĩnh điện, đặc biệt trong các điều kiện vận hành không lý tưởng.
IV.Hệ thống treo tĩnh điện mới Điện cực di động nâng cao hiệu suất
Để vượt qua những giới hạn của các hệ thống treo tĩnh điện truyền thống, một khái niệm mới đã được phát triển: hệ thống treo sử dụng điện cực di động. Thay vì chỉ điều khiển điện áp trên các điện cực cố định, việc thêm một điện cực có khả năng di chuyển mang lại một mức độ linh hoạt điều khiển hoàn toàn mới. Điều này cho phép điều chỉnh động lực học của lực tĩnh điện một cách chủ động hơn, cải thiện khả năng phản ứng và độ ổn định của hệ thống. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô hình hóa động lực học của hệ thống phức tạp này, nơi vật thể được treo và điện cực di động tương tác. Đồng thời, các chiến lược điều khiển tiên tiến như Genetic-PID và điều khiển tối ưu thời gian liên tục đã được thiết kế để tận dụng tối đa tiềm năng của thiết kế mới. Việc kết hợp với bộ khuếch đại cơ khí và bộ truyền động áp điện (piezo actuator) tạo ra một giải pháp treo tĩnh điện đột phá.
4.1. Nguyên lý hoạt động và mô hình động lực học mới
Hệ thống treo tĩnh điện mới được đề xuất sử dụng một điện cực có khả năng di chuyển, thay vì chỉ cố định. Điện cực di động này thường được điều khiển bởi một bộ truyền động áp điện (PZT actuator) hoặc tương tự, cho phép thay đổi khoảng cách giữa điện cực và vật thể được treo một cách động. Nguyên lý này mang lại khả năng điều chỉnh linh hoạt hơn lực tĩnh điện, từ đó cải thiện khả năng điều khiển vị trí và độ ổn định. Việc phát triển mô hình động lực học cho hệ thống này phức tạp hơn. Nó không chỉ cần tính đến động lực học của vật thể được treo mà còn cả động lực học của điện cực di động và sự tương tác giữa chúng. Phương trình động lực học mới phải phản ánh sự phụ thuộc của lực tĩnh điện vào cả điện áp và vị trí tương đối của điện cực di động, tạo ra một hệ thống hai bậc tự do hoặc hơn.
4.2. Thiết kế bộ điều khiển Genetic PID và tối ưu thời gian liên tục
Đối với hệ thống treo tĩnh điện sử dụng điện cực di động, các phương pháp điều khiển truyền thống có thể không phát huy hết tiềm năng. Do đó, bộ điều khiển Genetic-PID đã được thiết kế. Bộ điều khiển này sử dụng thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA) để tối ưu hóa các tham số Kp, Ki, Kd của bộ điều khiển PID. GA tìm kiếm các tham số tối ưu trong một không gian lớn, giúp PID hoạt động hiệu quả hơn đối với hệ thống phi tuyến và có nhiều thông số. Bên cạnh đó, điều khiển tối ưu thời gian liên tục (Continuous Proximate Time Optimal Control - CPTOC) cũng được áp dụng. CPTOC là một biến thể của điều khiển tối ưu thời gian, cung cấp phản ứng nhanh chóng mà không gây ra hiện tượng "bang-bang" giật cục. CPTOC tính toán luật điều khiển liên tục dựa trên trạng thái hiện tại của hệ thống, giúp điều khiển điện cực di động một cách mượt mà và chính xác, đạt được mục tiêu về tốc độ và độ chính xác cao.
4.3. Thiết kế chế tạo bộ khuếch đại cơ khí và hệ thống treo mới
Để tối đa hóa hiệu quả của điện cực di động, một bộ khuếch đại cơ khí (mechanical amplifier) đã được thiết kế và chế tạo. Bộ khuếch đại cơ khí này có nhiệm vụ tăng cường độ dịch chuyển nhỏ từ bộ truyền động áp điện (PZT actuator) lên một biên độ lớn hơn, đủ để tạo ra sự thay đổi đáng kể về khoảng cách điện cực. Việc tích hợp bộ khuếch đại cơ khí, bộ truyền động PZT và điện cực di động tạo nên một hệ thống treo tĩnh điện hoàn chỉnh. Ngoài ra, việc thiết kế một bộ khuếch đại điện áp hiệu quả là cần thiết để cung cấp điện áp chính xác và đủ lớn cho các điện cực, tạo ra lực tĩnh điện mong muốn. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc xác định phương pháp tối ưu để cung cấp điện áp cho các điện cực, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của toàn bộ hệ thống. Các thử nghiệm thực tế chứng minh hiệu quả của thiết kế và các thuật toán điều khiển mới này.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (184 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộSLA} SE] rt Ad of Ol ATA AA BA ALAELS] 412] 9t alo} Design and Control of Cost-Effective Electrostatic Suspension Systems SAL sa aS 7\ AAS A ##t† Truyen The Le Design and Control of Cost-Effective Electrostatic Suspension Systems Aen AS o] EES FHV} Bo] HOE AS 2011 xỉ 02 4 SAL] Sa a} 7]2]2'§3} BSS Truyen The Le Truyen The Le 2] ^Atlld4+ Bata (21) AAA A ASF (21) ALATA A gan (1) AJALS] ] a+ (SÙ 2]ALs] A 4) 7-5 (21) =A] 5† ct2) 7| Al ALS Ab 3 S††} 2011 tì 02 J Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy Design and Control of Cost-Effective Electrostatic Suspension Systems By Truyen The Le Supervisor: Prof. Jong Up Jeon Department of Mechanical and Automotive Engineering Graduate School University of Ulsan February 2011 Design and Control of Cost-Effective Electrostatic Suspension Systems By Truyen The Le Supervisor: Prof. Jong Up Jeon Submitted to the Graduate School of the University of Ulsan In partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy At Department of Mechanical and Automotive Engineering, University of Ulsan, Ulsan, Korea February 2011 Design and Control of Cost-Effective Electrostatic Suspension Systems This certifies that the dissertation of Truyen The Le is approved by Committee Chairman Prof. KYU YEOL PARK Committee Member Prof.
JONG UP JEON Committee Member Prof. OCK TAECK LIM Committee Member Prof. YOUNG SOO SUH Committee Member Dr. KEE BONG CHOI ACKNOWKEGMENTS I would like to express heartfelt gratitude to my supervisor, Prof.
Jong Up Jeon for his guidance, advice and support during my study in University of Ulsan. I would like to thank Professors in the committee, Prof. Kyu Yeol Park, Prof. Ock Taeck Lim, Prof.
Young Soo Suh and Dr. Kee Bong Choi for their suggestion and comments throughout the research. I would like to express special gratitude to my wife and my children, Linh Giang & Anh Quan, whose patience and support have been invaluable during my study. I would like to express gratitude to my parents, sisters and brothers for their encouragement and support.
I would like to thank all members in MEMS Lab., University of Ulsan for their friendship. February, 2011 TRUYEN THE LE CONTENTS 1.4 Squeeze film air bearing 5 1.7 Scope of the Work and Outline of the Thesis 10 DYNAMIC MODEL OF ONE DEGREE OF FREEDOM ELECTROSTATIC SUSPENSION SYSTEM 12 2.3 Dynamic equation 17 THE COVENTIONAL ELECTROSTATIC SUSPENSION SYSTEM 18 3.1 Proportional-Integral-Derivative (PID) controller 19 3.2 Design of feedback control by using technique back-stepping 23 3.3 Sub-conclusion | 30 DEVELOPMENT OF COST-EFFECTIVE ELECTROSTATIC SUSPENSION SYSTEMS 4.1 Principle of operation 33 4.2 Simple on-off control 34 4.3 Bang-bang time optimal control 36 4.1 State space representation 36 4.4 Delay controller 58 il 4.2 Design of delay controller and stability analysis 58 4.5 Variable structure controller 78 4.1 Design of variable structure controller 79 4.6 Sub-conclusion 3 97 - NOVEL ELECTROSTATIC SUSPENSION SYSTEM USING MOVABLE ELECTRODE 5.2 Principle of operation 101 5.1 The dynamic equation of suspended object 102 5.2 The dynamic modeling of the suspension system 106 5.1 Design of Genetic-PID controller 110 5.2 Continuous proximate time optimal control 114 5.1 Design and manufacturing of mechanical amplifier 126 5.2 Design of mechanical amplifier-piezo actuator-movable electrode 130 5.3 Novel suspension system 133 5.4 Design of voltage amplifier 134 5.5 Determining of voltage supplied to electrodes 137 5.1 Experimental results obtained by PID control 142 5.2 Experimental results obtained by proximate time optimal control 143 5.7 Sub-conclusion 4 144 iil FINAL CONCLUSION 145 REFERENCES 149 APENDIX 1 152 APENDIX 2 154 IV Symbols and abbreviations Symbols F electrostatic force Fa damping force F Ủy damping force in case suspended object is silicon wafer Fa damping force in case suspended object is aluminum disk F linearized value of F” ự electrode voltage V linearized value of V" Vo bias voltage z gap length between electrode and suspended object Z linearized value ofz” Z de displacement of movable electrode Z2 displacement of suspended object Z| velocity of suspended object A area of electrode m mass of suspended object 6 permittivity of air n viscosity of air La linearization constant ky linearization constant Z0 suspended gap ky damping coefficient k2 electric coefficient K time delay Ker critical time delay Š static displacement of PZT đãa strain coefficient Vcc operating voltage of PZT Von charge supplied voltage Vorr discharge supplied voltage RS, _ recoverable set H gain factor of mechanical amplifier ro radius of suspended object P(r) _ pressure in a thin film Kp ___ proportional gain Kì integral gain Kp _ derivative gain Abbreviations TOC Time optimal control PZT Piezo actuator GA Genetic Algorithm HDD Hard disk driver PID _ Proportional-Integral-Derivative DOF Degree of freedom VỊ Chapter 1 INTRODUTION In manufacturing processes for highly integrated semiconductor devices and liquid crystal displays (LCD), contamination of product surfaces by dust particles is a major factor restricting the product yield. Mechanical grips cause damage and scatter particulates that are detrimental to the fabrication processes. In addition, the direct contact and friction between the object and other materials not only produce dust particles during fabrication processes but also give the transported object a charge, which attracts dust particles from the working environment.
Therefore, it is necessary to handle the sample without any physical contact with other materials. Especially, in recent years fabrication processes in vacuum environment become important. More importantly these dry space processes remove significant sources of contaminants thus eliminating many manufacturing steps. For instance, approximately 25% of the process steps in semiconductor fabrication require vacuum process, many MEMS devices such as inertial sensor, accelerometers and mechanical resonators need a high vacuum environment to improve their performance, and a packaging process in a low pressure environment improves the mechanical quality factor because it reduces air damping significantly.
However, the handling of substrates having extreme small size which are moved from process to process during fabrication cannot be accomplished with the vacuum suction method which is used in ambient air. Therefore, demands of handling object without mechanical contact in vacuum environment are also increasing. Levitation is the process by which an object is suspended against gravity, in a stable position, without physical contact. For levitation on Earth, first, a force is required directed vertically upwards and equal to the force of gravity.
Second, for any small displacement of suspended object, a returning force should appear to stabilize 1t. Many kind of levitation have been studied and applied to industrial such as aerodynamic, acoustic, optical, squeeze film air bearing, magnetic, and electrostatic levitation.1 AERODYNAMIC LEVITATION [1] In aerodynamic levitation a spherical specimen is lifted by a fluid jet. Stability in the vertical direction results from the divergence of the jet, which leads to a decreasing drag with increasing height. In the transverse direction this levitation is stable because the jet is deflected toward an off-axis specimen.
This asymmetry, or the increased Bernoulli force at the side where the flow is faster, produces a centering force that leads to stable levitation of a ball even by a tilted jet of water or air. A further application of aerodynamic levitation is the contact-free positioning of non conducting samples under the condition of microgravity 1n space.2 ACOUSTIC LEVITATION [1, 5] Acoustic levitation uses sound traveling through a fluid, usually a gas, to balance the force of gravity. On Earth, this can cause objects and materials to hover unsupported in the air. A basic acoustic levitator has two main parts, a transducer which is a vibrating surface that makes sound, and a reflector.
The transducer and reflector have concave surfaces to help focus the sound. A sound wave travels away from the transducer and bounces off the reflector. First, the wave, like all sound, is a longitudinal pressure wave. In a longitudinal wave, movement of the in the waves is parallel to the direction the waves travels.
Second, the wave can bounce off of surfaces. It follows the law of reflection, which states that the angle of incidence, the angle at which something strikes a surface, equals the angle of reflection, the angle at which it leaves the surface. In other words, a sound wave bounces off a surface at the same angle at which it hits the surface. A sound wave that hits a surface head-on at a 90 degree angle will reflect straight back off at the same angle.
Finally, when a sound wave reflects off of a surface, the interaction between its compressions and rarefaction causes interference. Compressions that meet other compressions amplify one another, and compressions that meet rarefactions balance one another out. Sometimes, the reflection and interference can combines to create a standing wave. Standing sound waves have defined nodes, or areas of minimum pressure, and antinodes, or areas of maximum pressure.
Imagine a river with rocks and rapids. The water is calm in some part of the river, and it is turbulent in others. Floating debris and foam collect in calm portion of the river. In order for a floating object to stay still in a fast-moving part of the river, it would need to be anchored or propelled against the flow of the water.
This is essentially what an acoustic levitator does, using sound moving through a gas in place of water. By placing a reflector the right distance away from transducer, the acoustic levitator creates a standing wave. When the orientation of the wave is parallel to the pull of gravity, portions of the standing wave have a constant downward pressure and other have a constant upward pressure. The nodes have very little pressure.
In space, where there is little gravity, floating particles collect in the standing wave’s nodes, which are calm and still. On Earth, objects collect just below the nodes, where the acoustic radiation pressure, or the amount of pressure that a sound wave, can exert on a surface, balance the pull of gravity. Sample Object PRESSURE DISTRIBUTION Transducer Fig.2 Principle of acoustic levitation Acoustic Reflector e ye Levitatec sample | “fm Resonant plate ma Ba Xx >2 transducer Fig.3 Acoustic levitation [1] In typical experiments, the high-intensity ultrasonic field is that of a standing wave of 20 to 40 kHz generated by a piezoelectric transducer.3 OPTICAL LEVITATION [1] Optical levitation was developed in the early seventies by Athhur Ashkin and is the precursor of the optical tweezers. The governing physical processes are the same, springing from photon momentum transfer.
In optical levitation, the gravitational force is balanced by photon pressure produced by a vertically directed focused laserbeam. Close to the focus the intensity 1s strong enough to slow down and hold tiny particles in a stable trap. Particles can then be manipulated and moved by moving the laserbeam or the surrounding. Levitated sample Lens Laser bearr Fig.4 Optical levitation in a vertical laser beam [1] 1.4 SQUEEZE FILM AIR BEARING [1] A squeeze film bearing 1s a special kind of air cushion which seems well suited to micro machine application.
It simply operates by a rapid oscillation of one of two surfaces with a gas between them. Levitated Gas film object Z= Zc sinwt Shaker plate P Weight External force Fig.5 Squeeze film gas levitation [1] In the Fig.5, the shaker plate exhibits sine wave movement.5 MAGNETIC LEVITATION [1,3] Truly stable levitation without consumption of energy is possible only in magnetic fields. Several types of magnetic levitation have been successfully tested. I) Levitation by strongly repulsive magnets must be combined with rollers for horizontal guidance or with controlled electromagnets.
2) Levitation with superconductors may be based on the pole diamagnetism 1n the Meissner state that allows stable levitation superconductor in magnetic fields generated. 3) The levitation may rely on the repulsion between a superconducting magnet and a conducting plate or guide way which it moves. The repulsion originates from the eddy currents in the plate that cause both lift and drag. 4) Levitation may use the eddy currents generated in a conducting plate by an ac coil.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Thiết kế & điều khiển hệ thống treo tĩnh điện hiệu quả chi phí" nghiên cứu về vấn đề gì?
Nghiên cứu luận án tiến sĩ về thiết kế và điều khiển hệ thống treo điện tử. Tập trung tối ưu chi phí, nâng cao hiệu suất vận hành xe.
Luận án "Thiết kế & điều khiển hệ thống treo tĩnh điện hiệu quả chi phí" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại university of ulsan. Năm bảo vệ: 2011.
Luận án "Thiết kế & điều khiển hệ thống treo tĩnh điện hiệu quả chi phí" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Thiết kế & điều khiển hệ thống treo tĩnh điện hiệu quả chi phí" thuộc chuyên ngành Mechanical and Automotive Engineering. Danh mục: Tự Động Hóa.
Luận án "Thiết kế & điều khiển hệ thống treo tĩnh điện hiệu quả chi phí" có bao nhiêu trang?
Luận án "Thiết kế & điều khiển hệ thống treo tĩnh điện hiệu quả chi phí" có 184 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Thiết kế & điều khiển hệ thống treo tĩnh điện hiệu quả chi phí" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.