Nghiên cứu và ứng dụng Piezo Actuator

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết

Trong thời đại hiện nay, vật liệu áp điện, đặc biệt là gốm áp điện, ngày càng phổ biến trên thị trường và là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng dẫn động vi mô nhờ vào lực tác động lớn và độ dịch chuyển nhỏ Thiết bị dẫn động áp điện tận dụng hiệu ứng áp điện ngược để tạo ra chuyển động với độ phân giải lên tới nanomet, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực micro và nano Tuy nhiên, việc mô hình hóa và điều khiển dẫn động áp điện gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc xử lý phi tuyến và hiệu ứng hysteresis trong khoảng thời gian rất ngắn, điều này có thể làm giảm chất lượng điều khiển và gây mất ổn định cho hệ thống Bên cạnh đó, việc sử dụng vật liệu áp điện cũng nhằm tạo ra các cơ cấu quay với độ chính xác cao.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước:

Giải quyết vấn đề phi tuyến hysteresis là thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu Nhiều nghiên cứu đã đề xuất các mô hình và phương pháp điều khiển cho hệ thống dẫn động áp điện nhằm cải thiện hiệu suất và độ chính xác.

Mô hình và điều khiển dẫn động áp điện do Jingyang Peng nghiên cứu vào năm 2012 tập trung vào các mô hình dẫn động áp điện mới Nghiên cứu này đã phát triển các bộ điều khiển như bộ điều khiển trượt, bộ điều khiển trượt kết hợp với PID, và áp dụng bộ quan sát để loại bỏ ảnh hưởng của giá trị phi tuyến trong hệ thống.

Wen-Fang Xie, Jun Fu, Han Yao và C.-Y Su đã phát triển một bộ điều khiển thích nghi cho đối tượng dẫn động áp điện Họ áp dụng mạng neural nhiều lớp để ước lượng giá trị hysteresis của áp điện, giúp nâng cao hiệu suất điều khiển trong các ứng dụng liên quan.

Researchers Wei Tech Ang, Francisco Alija Garmón, Pradeep Khosla, and Cameron N Riviere from Carnegie Mellon University have proposed a model addressing the hysteresis component of piezoelectric materials and a control method that employs an inverse model to eliminate hysteresis effects.

Học viên: Đặng Hoàng Chương GVHD: Nguyễn Trọng Tài

Mô hình và bù thành phần hysteresis trong dẫn động áp điện được nghiên cứu bởi Kenta Seki, Michael Ruderman và Makoto Iwasaki tại Viện công nghệ Nagoya, Nhật Bản Nhiều nghiên cứu khác cũng đã phát triển các bộ điều khiển và thuật toán nhằm loại bỏ hiện tượng hysteresis, giúp nâng cao độ chính xác trong điều khiển.

Để nâng cao độ chính xác trong chuyển động, các nhà khoa học đang nghiên cứu việc thay thế các khớp nối truyền thống bằng khớp nối đàn hồi, nhằm tận dụng những ưu điểm của chúng Nhiều công trình nghiên cứu đã tập trung vào cơ cấu chấp hành sử dụng dẫn động áp điện để cải thiện hiệu suất hoạt động.

Bài báo của Kai Zhou và Yangmin Li trình bày một cơ cấu định chuyển động phẳng micro dựa trên khớp bản lề đàn hồi, cho phép chuyển động lớn theo hướng x và y Cơ cấu khuếch đại chuyển vị mới này không chỉ khuếch đại chính xác chuyển vị tuyến tính mà còn có độ chính xác cao, tính đối xứng tốt và không gây chuyển vị phụ Mô hình động học được thiết lập giúp hiểu nguyên lý hoạt động và tính toán tỷ lệ khuếch đại phù hợp Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được thực hiện bằng phần mềm ANSYS để đánh giá các thông số tĩnh của cơ cấu Cuối cùng, bài báo phân tích và làm rõ nguyên nhân của hiện tượng "mất chuyển vị".

Byung-Ju Yi, Goo Bong Chung, Heung Yeol Na, Whee Kuk Kim và Il Hong Suh đã phát triển một cơ cấu định vị micro loại song song 3 bậc tự do phẳng nhằm mô hình hóa khớp bản lề đàn hồi một cách chính xác Nghiên cứu bao gồm phân tích động học sơ bộ, trong đó có động học nghịch, động học nội và mô hình hóa độ cứng, với tham chiếu đến tọa độ làm việc Đặc biệt, khớp trụ của khớp bản lề đàn hồi 1 bậc tự do được xem xét, nhưng kết quả mô phỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn không trùng khớp với các kết quả phân tích do sự dãn dài trục một ít theo hướng liên kết, ảnh hưởng đến vị trí chính xác của cơ cấu Để giải quyết vấn đề này, một mô hình khớp bản lề đàn hồi đã được đề xuất.

2 bậc tự do bao gồm bậc chuyển động bổ sung như là một khớp lăng trụ được sử

Bài báo này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc mô hình hóa chính xác khớp bản lề đàn hồi để đảm bảo độ chính xác vị trí của các cơ cấu micro song song Mô hình mới được bổ sung các cơ cấu chấp hành phụ nhằm bù đắp cho chuyển động, đảm bảo độ chính xác vị trí Hiệu suất của mô hình này đã được kiểm chứng qua cả mô phỏng và thực nghiệm.

Xueyan Tang và I-Ming Chen đã đề xuất cơ cấu song song đàn hồi (FPM - Flexure Parallel Mechanism) XYZ với khả năng chuyển vị lớn hơn 1 mm và cấu trúc động học tách biệt Cơ cấu này có sai số chéo trục nhỏ và chuyển động quay phụ hạn chế Nghiên cứu tập trung vào các khớp trụ điển hình và thiết kế một khớp trụ chuyển vị lớn mới sử dụng khớp bản lề cổ khoét Ý tưởng thiết kế FPM được phát triển thông qua việc lắp ghép các module khớp trụ, tiếp theo là quá trình tối ưu hóa Các mô hình phân tích độ cứng tuyến tính và động lực học được xây dựng bằng phương pháp khối cứng giải Cuối cùng, mô phỏng số bằng ANSYS được thực hiện để xác nhận phương trình động lực học phân tích, và các thí nghiệm được tiến hành để kiểm tra độ cứng tuyến tính, sai số chéo trục và chuyển động quay phụ của thiết kế đề xuất.

1.2.2 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 của Thân Trọng Huy, năm 2014, tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, tập trung vào nghiên cứu chế tạo và khảo sát các tính chất của gốm áp điện Nghiên cứu này góp phần quan trọng vào lĩnh vực vật liệu và ứng dụng công nghệ trong sản xuất gốm áp điện.

 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 của Nguyễn Quang Sáng, năm 2005, tại Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, khoa Cơ khí, tập trung vào mô hình hóa động cơ áp điện thông qua phương pháp phần tử hữu hạn.

Tuy nhiên, các lĩnh vực này chưa được các nhà khoa học trong nước quan tâm

Học viên: Đặng Hoàng Chương GVHD: Nguyễn Trọng Tài

Sự thiếu hụt trong việc nghiên cứu luận văn Thạc sĩ tại Việt Nam đã gây ra khó khăn cho khoa học nước nhà trong việc theo kịp tiến bộ của thế giới Điều này đã dẫn đến việc các nhà khoa học trong nước gặp trở ngại trong việc tiếp cận các nghiên cứu hiện đại.

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

Nghiên cứu và tham khảo các bộ điều khiển vị trí cho dẫn động áp điện đã được thực hiện, từ đó tiến hành mô phỏng bộ điều khiển thích hợp trên phần mềm MATLAB thương mại.

 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 SOLIDWORKS để thiết kế cơ cấu khuếch đại, kết hợp với phần mềm ANSYS để mô phỏng ứng suất, nhằm tối ưu hóa các thông số của cơ cấu khuếch đại.

 Chế tạo thiết bị quay chính xác cao;

Sử dụng phần mềm MATLAB để điều khiển dẫn động áp điện thông qua card PC1711 và bộ khuếch đại THORLABS MDT694A, bài viết đánh giá các thông số quan trọng như đáp ứng tĩnh, đáp ứng động và 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.

NGHIÊN CỨU DẪN ĐỘNG ÁP ĐIỆN

Tìm hiểu về áp điện

2.1.1 Tổng quan về áp điện:

Vào năm 1880, Jacques và Pierre Curie phát hiện rằng một số tinh thể khoáng chất có khả năng phân cực điện khi chịu lực cơ học Cụ thể, khi tinh thể bị căng hoặc nén, chúng tạo ra điện áp tỷ lệ thuận với lực tác dụng Mối quan hệ này được khẳng định khi tinh thể không chỉ tạo ra điện áp khi tiếp xúc với điện trường mà còn bị kéo dài hoặc rút ngắn theo cực của điện trường, tỷ lệ với sức mạnh của nó Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện và hiệu ứng áp điện nghịch, với tên gọi xuất phát từ tiếng Hy Lạp "piezein", có nghĩa là bấm hoặc bóp.

Trước khi có lực tác động Sau khi có lực tác động

Sau một vài thập niên nghiên cứu trong phạm vi thí nghiệm, áp điện đã được ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là trong thiết bị sonar sau chiến tranh thế giới thứ nhất Trong chiến tranh thế giới thứ hai, các nhà nghiên cứu từ Mỹ, Liên Xô và Nhật Bản đã phát hiện ra vật liệu ferroelectric, với các thông số vượt trội hơn so với vật liệu áp điện tự nhiên Mặc dù tinh thể thạch anh vẫn được sử dụng để kiểm tra thiết bị âm thanh, nhưng những nghiên cứu này đã mở ra hướng đi mới cho sự phát triển của các vật liệu áp điện nhân tạo sau này.

Mặc dù điện áp và sự thay đổi của áp điện thường rất nhỏ, nhưng chúng cần được khuếch đại để sử dụng hiệu quả Các vật liệu áp điện đã được tối ưu hóa để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Học viên: Đặng Hoàng Chương GVHD: Nguyễn Trọng Tài

Hiệu ứng áp điện được ứng dụng rộng rãi trong các cảm biến lực và dịch chuyển, trong khi hiệu ứng áp điện nghịch được sử dụng cho các thiết bị dẫn động như động cơ và hệ thống kiểm soát vị trí chính xác, cũng như trong việc tạo ra âm thanh và tín hiệu siêu âm Vào thế kỷ 20, sự phát triển của gốm áp điện và vật liệu nhân tạo đã mở ra nhiều ứng dụng mới cho các hiệu ứng này, nhờ vào tính bền vững, độ trơ hóa học và chi phí sản xuất hợp lý Hơn nữa, thành phần, hình dạng và kích thước của gốm áp điện có thể được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

Các vật liệu có đặc tính áp điện:

 Trong tự nhiên: thạch anh, đường mía, Collagen, Topaz, DNA, muối Rochelle, gỗ và nhiều loại vật liệu khác…

 Tinh thể nhân tạo: Gallium orthophosphate (GaPO4), Langasite (La3Ga5SiO14)

 Barium titanate(BaTiO3) – Đây là vật liệu gốm áp điện được phát hiện đầu tiên

 Lead zirconate titanate ( , 0