Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ v và hệ điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU VI ĐỘNG CƠ THEO NGUYÊN LÝ ĐIỆN NHIỆT DẠNG DẦM CHỮ V VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Tiến Dũng NGHIÊN CỨU VI ĐỘNG CƠ THEO NGUYÊN LÝ ĐIỆN NHIỆT DẠNG DẦM CHỮ V VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Nguyễn Quang Địch 2. Phạm Hồng Phúc Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ.

Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 14 tháng 7 năm 2020 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. Nguyễn Quang Địch PGS. Phạm Hồng Phúc Nguyễn Tiến Dũng i LỜI CẢM ƠN Trải qua một thời gian dài, khó khăn và nhiều thử thách tác giả cũng đã hoàn thành bản luận án của mình.

Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia đình và đồng nghiệp. Qua đây tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS. Nguyễn Quang Địch, PGS. Phạm Hồng Phúc, những người đã định hướng, tận tình hướng dẫn chuyên môn và bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan.

Xin chân thành cám ơn các giảng viên, các nhà khoa học thuộc viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, bộ môn Điều khiển tự động (viện Điện), bộ môn cơ sở thiết kế máy và Robot (viện Cơ khí) trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chuyên môn quý báu và cung cấp tài liệu tham khảo để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin cám ơn Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ trợ về thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả có thể hoàn thành một số quy trình thực nghiệm của luận án. Tác giả cũng xin cám ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình. Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cám ơn tới vợ, hai con và toàn thể gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu này.

Tác giả luận án ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .vi DANH MỤC BẢNG BIỂU .ix DANH MỤC HÌNH VẼ. Tính cấp thiết của đề tài. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Mục tiêu nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Những đóng góp mới của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Bố cục và nội dung của luận án. 5 TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN .1 Tổng quan về vi động cơ .1 Giới thiệu chung về vi động cơ (micro motor).3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .4 Nhận xét và định hướng nghiên cứu .2 Tổng quan về các bộ điều khiển cho vi động cơ .1 Điều khiển vòng hở .2 Điều khiển vòng kín .3 Điều khiển vòng kín phản hồi trên chíp .4 Tổng quan về điều khiển bộ kích hoạt điện nhiệt .5 Nhận xét và định hướng nghiên cứu .3 Kết luận chương 1. 29 VI ĐỘNG CƠ QUAY SỬ DỤNG HIỆU ỨNG GIÃN NỞ NHIỆT .1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động .2 Tính toán động học và động lực học cho vi động cơ .1 Tính toán vận tốc góc trung bình .2 Tính toán nhiệt của dầm chữ V .3 Tính toán chuyển vị và lực nhiệt của hệ dầm chữ V .4 Phân tích lực trong trong quá trình hoạt động của vi động cơ .3 Cải tiến cơ cấu dẫn động của vi động cơ .4 Xây dựng quy trình và chế tạo thử nghiệm vi động cơ .1 Tổng quan về công nghệ MEMS .2 Thiết kế chế tạo vi động cơ bằng công nghệ vi cơ khối .5 Kết quả chế tạo bước đầu .6 Kết luận chương 2. 66 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO VI ĐỘNG CƠ .1 Mô hình toán học của vi động cơ .1 Mô hình Điện - Nhiệt .2 Mô hình Nhiệt - Cơ .3 Mô hình toán học bộ kích hoạt dạng dầm chữ V .2 Giới thiệu về điều khiển học lặp .3 Nguyên lý học và điều khiển học .4 Khả năng tồn tại của hàm học .1 Đối với hệ tuyến tính tham số hằng .2 Đối với hệ không liên tục tuyến tính (ổn định) .3 Đối với hệ liên tục tuyến tính (ổn định) .4 Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng toán tử .5 Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng phương trình trạng thái .5 Thiết kế bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ .1 Bộ điều khiển ILC cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V .2 Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ .6 Kết luận chương 3.

91 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ILC THÔNG QUA MÔ HÌNH VẬT LÝ SIMSCAPE .1 Giới thiệu công cụ Simscape .2 Mô hình hóa bộ kích hoạt dạng dầm chữ V bằng Simscape .3 Mô phỏng bộ điều khiển học lặp với mô hình Simscape .1 Mô phỏng bộ điều khiển ILC cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V .2 Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ .3 Kết luận chương 4 .106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 119 Phụ lục 1: Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ.

119 Phụ lục 2: Giới thiệu một số trang thiết bị cơ bản tại viện ITIMS. 124 Phụ lục 3: Hệ thống cấp nguồn. 126 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Danh mục các từ viết tắt STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt 1 D-RIE Deep Reactive Ion Etching Công nghệ ăn mòn ion hoạt hóa sâu 2 ECA Electrostatic Comb-drive Bộ kích hoạt răng lược tĩnh Actuator điện 3 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn 4 GCA Gap Closing Actuator Bộ kích hoạt khe hở kín 5 IC Intergrated-Circuit Mạch điện tử 6 ILC Iterative learning control Điều khiển học lặp 7 MEMS Micro-electro-mechanical Hệ thống vi cơ điện tử System 8 LIGA Lithgraphie Galvanofruning und Công nghệ chế tạo vi cơ sử Abformung dụng tia X 9 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét 10 SOI Silicon-on-Insulator Phiến silic kép 11 SMA Shape Memory Alloy Hợp kim nhớ hình 12 PD Proportional Derivative Bộ điều khiển PD 13 PI Proportional Integral Bộ điều khiển PI 14 PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển PID 2.

Danh mục các ký hiệu Ký STT Đơn vị Ý nghĩa hiệu 1 cp J/g.0C Nhiệt dung riêng 2 d µm Chuyển vị của thanh răng cóc 3 D Kg/m3 Khối lượng riêng 4 E Pa Modul Yuong của vật liệu silic vi 5 F mN Lực dẫn động 6 Fel mN Lực đàn hồi của dầm (quanh điểm đàn hồi). 7 Ff 2 mN Lực ma sát giữa răng cóc dẫn và nền silic 8 Ff 3 mN Lực ma sát giữa bánh răng dẫn và nền silic 9 Fa mN Lực đàn hồi của cơ cấu chống đảo 10 Lực ma sát giữa đỉnh của dầm chống đảo và bề mặt răng Ff 5 mN cóc 11 g m/s2 Gia tốc trọng trường 12 g0 µm Khe hở không khí nhỏ nhất giữa các cấu trúc 13 ga µm Khe hở không khí giữa lớp cấu trúc và nền 14 h µm Chiều cao răng cóc 15 i răng Số răng cóc dịch chuyển được sau 1 chu kỳ điện áp nguồn 16 ib mA Dòng điện chạy trong dầm đơn 17 ka W/m.0C Hệ số dẫn nhiệt của không khí 18 kl µN/µm Độ cứng của lò xo phản 19 kp µN/µm Độ cứng của dầm quay cổ đàn hồi 20 kr µN/µm Độ cứng của cơ cấu chống đảo 21 ks W/m.