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

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong khoảng 30 năm trở lại với phát triển mạnh mẽ công nghệ vi điện tử (MEMS – Micro-electro-mechanical System) nghiên cứu công nghệ y sinh, vi robot phát triển mang lại nhiều tiềm ứng dụng thực tế Để tạo chuyển động sử dụng nhiều hiệu ứng khác như: hiệu ứng điện từ, giãn nở nhiệt, áp điện hay tĩnh điện Trong đó, hiệu ứng giãn nở nhiệt (điện nhiệt) cho chuyển động với tốc độ thấp, phạm vi hoạt động hẹp lại có lực tác động mơ men lớn Đã có nhiều cơng trình khoa học cơng bố giới vi động ứng dụng hiệu ứng ứng dụng chúng, nhiên Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu hệ vi điện tử nói chung vi động nói riêng bắt đầu phát triển vài năm gần Một xu hướng phát triển tất yếu kỷ XXI đưa thiết bị, máy móc, hệ thống kỹ thuật với kích thước nhỏ tính theo đơn vị micro-mét nano-mét vào sản xuất ứng dụng sống hàng ngày Việc nghiên cứu, phát triển vi động vi cấu đóng vai trị quan trọng, ảnh hưởng định đến hiệu suất, tuổi thọ độ xác hệ thống Với đề tài “Nghiên cứu vi động theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V hệ điều khiển”, tác giả giải trọn vẹn việc tính tốn thiết kế mẫu vi động hoàn toàn mới, xây dựng quy trình chế tạo, xây dựng mơ hình tốn học lựa chọn thiết kế điều khiển phù hợp với lớp đối tượng nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Thiết kế điều khiển học lặp (ILC - Iterative learning control) cho vi động sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt, chế tạo dựa công nghệ vi khối Nghiên cứu lý thuyết giãn nở nhiệt thông số ảnh hưởng tới trình truyền nhiệt dầm mảnh Tìm hiểu cơng nghệ gia cơng MEMS lựa chọn quy trình chế tạo phù hợp với trang thiết bị, điều kiện thực tiễn số phịng thí nghiệm, viện nghiên cứu Việt Nam Phân tích phương pháp điều khiển bản, tìm hiểu lựa chọn phương pháp điều khiển học lặp áp dụng cho lớp đối tượng khó xây dựng mơ hình tốn đầy đủ, xác đồng thời khó xác định tín hiệu phản hồi trực tiếp Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo mẫu vi động quay đường kính khoảng 23 mm dựa nguyên lý giãn nở nhiệt, công suất cỡ vài mW Xây dựng mơ hình tốn học, khảo sát, phân tích hệ thống thơng qua mơ hình Thiết kế điều khiển phù hợp với lớp đối tượng nghiên cứu ràng buộc, hạn chế công nghệ chế tạo, thực mơ thuật tốn điều khiển mơ hình vật lý có tính chất tương tự mơ hình thực Phương pháp nghiên cứu Kết hợp phân tích lý thuyết với mơ kiểm chứng thực nghiệm Thơng qua nghiên cứu tổng quan để tìm vấn đề cần giải quyết, triển khai giải vấn đề, kiểm chứng nghiên cứu lý thuyết mơ thực nghiệm Những đóng góp ý nghĩa khoa học luận án - Đề tài tính tốn, thiết kết 02 mẫu vi động quay có đường kính 2,5mm, đặt chíp mm x5 mm x484 µm, quay tồn vịng với dải vận tốc từ 0,085 vịng/phút, tương ứng với tần số từ 130 Hz, dải công suất đầu từ 250 mW - Các mẫu vi động chế tạo từ phiến silic kép (SOI), quy trình gia cơng vi khối (Bulk – micromachining), sử dụng mặt nạ (single mask) phù hợp với điều kiện trang thiết bị Việt Nam - Bằng việc phân tách dầm đơn thành nhiều phân tố giống dọc theo chiều dài dầm, tác giả đưa mơ hình kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V dạng mơ hình song tuyến (bilinear) Với mơ hình thuận lợi cho việc phân tích hệ thống, thiết kế điều khiển khảo sát đặc tính kích hoạt chữ V vi động - Luận án xây dựng điều khiển học lặp cho vi động Khảo sát mô thuật tốn (PD PID) cho trường hợp có nhiễu khơng có nhiễu tác động Kết mơ cho thấy thuật tốn cho đáp ứng tốt, tín hiệu “bám” sát tín hiệu đặt sau số hữu hạn lần học - Thực mơ kiểm chứng thuật tốn điều khiển mơ hình Simscape cho kết tốt Điều khẳng định phương pháp phù hợp với đối tượng nghiên cứu hồn tồn có tiềm ứng dụng thực tiễn Ý nghĩa khoa học thực tiễn *) Ý nghĩa khoa học: Vi động thiết kế, chế tạo thành công mở hướng nghiên cứu tính tốn ứng dụng vi động vào hệ thống vi dẫn động, vi robot, hệ vi phân tích tổng hợp, hệ phân tích sinh hóa… Luận án tài liệu tham khảo ý nghĩa cho việc nghiên cứu, phân tích đối tượng tương tự Đồng thời kết nghiên cứu luận án góp phần mang lại nhận thức phương pháp mơ hình hóa, áp dụng điều khiển học lặp hệ thống vi *) Ý nghĩa thực tiễn: Trong giai đoạn nay, Việc nghiên cứu, phát triển vi động vi cấu đóng vai trị quan trọng, ảnh hưởng định đến hiệu suất, tuổi thọ độ xác hệ thống vi Trên giới có nhiều cơng trình khoa học công bố vi động ứng dụng chúng, nhiên Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu hệ vi điện tử nói chung vi động nói riêng nhiều hạn chế Do vậy, luận án bổ sung thêm kết lĩnh vực nghiên cứu vi điện tử Việt Nam Bố cục luận án: Gồm chương phần kết luận chung Chương 1: Tổng quan vi động hệ điều khiển Chương 2: Vi động quay sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt Chương 3: Thiết kế điều khiển cho vi động Chương 4: Đánh giá chất lượng điều khiển thơng qua mơ hình vật lý Simscape Phần kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN 1.1 Tổng quan vi động Vi động loại động có kích thước từ vài micro-mét đến vài mili-mét chuyển đổi tín hiệu vật lý (nhiệt, điện, từ…) thành tín hiệu học (lực, chuyển vị, vận tốc…) dùng dẫn động vi hệ thống Vi động có nhiều tiềm ứng dụng vi vận chuyển, y sinh, robot sinh học, thiết bị y tế, máy quét chất lượng cao, thiết bị chuyển mạch quang học cho mạng cáp quang, … Các hiệu ứng chủ yếu sử dụng thiết kế, chế tạo vi động hiệu ững tĩnh điện, điện từ giãn nở nhiệt Trong hiệu ứng tĩnh điện lợi dụng lực hút tĩnh điện cực trái dấu để tạo chuyển vị Điều cho thấy lực tác động kích hoạt kiểu nhỏ, điện áp làm việc cao; Hiệu ứng điện từ cho phép tạo lực tác động lớn so với tĩnh điện, trình hoạt động linh hoạt nhiên phải tuân thủ kết cấu động điện truyền thống khó cho kích thước nhỏ gọn; Hiệu ứng giãn nở nhiệt làm việc điện áp thấp, lực tác động lực nhiệt lớn nhiều so với lực tĩnh điện điện từ Phần lớn công bố trước chủ yếu đưa cấu trúc vi động tịnh tiến, lắc góc nhỏ (đặc biệt hiệu ứng giãn nở nhiệt) Trong luận án này, tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu, thiết kế chế tạo thử nghiệm vi động quay tồn vịng sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt 1.2 Tổng quan điều khiển cho vi động Các thiết bị MEMS thường có kích thước nhỏ q trình biến đổi lượng tương đối phức tạp, việc đo đạc, xử lý tín hiệu lại gặp nhiều khó khăn Do tốn điều khiển ln thách thức lớn nhà thiết kế Việc lựa chọn kỹ thuật điều khiển phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác yêu cầu công nghệ, mạch điện tử cần thiết, động lực học thiết bị, khả thu thập xử lý tín hiệu, đặc biệt tín hiệu phản hồi Điều khiển vịng hở: Trong giai đoạn đầu phát triển công nghệ MEMS, hầu hết thiết bị điều khiển vòng hở cách áp dụng đầu vào điều khiển đơn giản Điều chủ yếu hạn chế kích thước khó khăn việc lựa chọn cảm biến để thu thập, xử lý tín hiệu Đối tượng Bộ biến đổi Hình 1.1 Sơ đồ mơ tả điều khiển vịng hở Về mặt bản, sơ đồ nguyên lý điều khiển mơ tả hình 1.1 Trong đối tượng tính tốn, mơ tả phương trình cân lượng, xác định mối quan hệ vào u(t )  y(t ) , điều khiển thực chất biến đổi tín hiệu đặt r (t ) thành tín hiệu đầu vào u(t) cho có tín hiệu y(t ) theo u cầu tính tốn Điều khiển vịng hở có ưu điểm hệ thống tương đối đơn giản giá thành thấp, việc lựa chọn tham số điều khiển chủ yếu dựa vào kết tính toán mối quan hệ vào đối tượng Do phương pháp địi hỏi mơ hình tốn học đối tượng đầy đủ, xác, bao gồm tham số tác động bên ngồi Trong thực tế, u cầu khơng phải lúc thỏa mãn Điều khiển vịng kín: Một số tác giả nhà sản xuất cố gắng tích hợp cảm biến, trực tiếp gián tiếp xử lý tín hiệu phản hồi thực điều khiển vịng kín, hình 1.2 Các cảm biến chủ yếu lợi dụng thay đổi giá trị điện dung tụ điện, hỗ cảm mạch điện từ để xác định tín hiệu phản hồi điều khiển PD PID Các điều khiển tương đối đơn giản cho chất lượng điều khiển phạm vi chấp nhận Tuy nhiên, phương pháp tác giả thường đưa số giả thiết giới hạn điều kiện biên tốn để đưa mơ hình tốn học dạng hàm truyền hệ phương trình vi phân trạng thái Điều dẫn tới việc tính tốn lý thuyết, mơ cho kết sai khác với thực tế Nói cách khác, chất lượng điều khiển phụ thuộc nhiều vào độ xác mơ hình tốn học mà điều lúc thực trình chuyển đổi lượng phức tạp thiết bị MEMS Bộ điều khiển Đối tượng (-) Bộ xử lý tín hiệu Hình 1.2 Sơ đồ mơ tả điều khiển vịng kín Điều khiển vịng kín phản hồi chíp: Với phát triển nhanh chóng cơng nghệ MEMS cho phép tích hợp phận truyền động, chuyển đổi lượng, thiết bị đo đạc, mạch điều khiển chíp dẫn đến thiết bị MEMS nhỏ gọn hơn, hiệu suất cao Một số tác giả tính tốn, thiết kế cấu tự lựa, mạch tự động điều chỉnh nhờ thay đổi thông số phần tử bán dẫn, điện dung ký sinh, nhiệt điện trở… Nhận xét: Trong thực tế, đại đa số thiết bị MEMS hoạt động dải vận tốc, chuyển vị tương đối hẹp, nhiều tác giả lựa chọn phương án điều khiển vịng hở, số khác cố gắng tích hợp hệ thống cảm biến nhằm thu thập tín hiệu phản hồi thiết kết điều khiển có mức độ ổn định độ xác cao (PD, PI, PID, Feed forward…) Với phương án điều khiển cần thiết phải xây dựng mô hình tốn tương đối xác, điều thường khó khăn tính đa trường, phức tạp hiệu ứng MEMS Hơn việc cố gắng tích hợp cảm biến làm cho kết cấu linh kiện trở nên phức tạp hơn, khó khăn chế tạo kích thước tăng lên đáng kể Điều khiển học lặp (Iterative Learning Control- ILC) biết đến điều khiển thơng minh (có khả học) áp dụng cho đối tượng làm việc có tính chu kỳ lặp lại ổn định hóa Với tính chất này, nhiều đối tượng MEMS phù hợp với điều khiển ILC Trong luận án này, tác giả định hướng nghiên cứu điều khiển ILC, thực điều khiển vịng hở cho kết tin cậy chất lượng điều khiển tốt CHƯƠNG VI ĐỘNG CƠ QUAY SỬ DỤNG HIỆU ỨNG GIÃN NỞ NHIỆT 2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Hình 2.1 Kết cấu vi động Kết cấu vi động hình 2.1, điện áp nguồn có dạng xung chữ nhật nửa hình sin Ở kỳ dẫn động (nửa chu kỳ đầu) điện áp đặt vào điện cực cố định (1), dòng điện chạy qua hệ thống bốn dầm chữ V (2) (được xếp đối xứng), nhiệt sinh làm hệ thống dầm chữ V giãn nở sinh lực nhiệt đẩy hệ thống dẫn động (3) (Gồm dầm quay cổ đàn hồi (4) cấu truyền chuyển động cóc lò xo đàn hồi (5)) lắc sang phải Hệ thống dẫn động kéo vành (6) quay thuận chiều kim đồng hồ Ở nửa chu kỳ (hồi vị), điện áp dẫn có biên độ 0, hệ thống dầm chữ V làm nguội trở vị trí cũ, nhờ lực đàn hồi hệ dầm chữ V dầm quay cổ đàn hồi (4), hệ thống dẫn động trở vị trí ban đầu, vành (6) giữ ngun vị trí có cấu chống đảo (7) Để định vị vành khỏi lệch tâm, ta sử dụng vấu định vị (8) Với kết cấu này, để rotor quay nửa chu kỳ dẫn chuyển vị (9) (cơ cấu truyền chuyển động) phải lớn bước cóc Để tính tốn q trình hoạt động vi động cơ, ta xuất phát từ phương trình vi phân truyền nhiệt dầm mảnh, xác định phân bố nhiệt, giãn nở dài lực nhiệt, tiếp viết phương trình cân mơ men xác định biên độ điện áp dẫn tối thiểu, điều kiện dẫn động vi động 2.2 Cải tiến cấu dẫn động vi động Hình 2.2 Vi động cải tiến Đối với vi động có thiết kế (Hình 2.1), cấu dẫn động ngồi phần cóc, có sử dụng lị xo nhằm ép chặt cóc dẫn với vành bên ngồi (rotor), nhiên với cấu trúc cấu dẫn động phức tạp, lò xo đàn hồi làm tăng khe hở giảm vận tốc thực động Để khắc phục điều này, tác giả đề xuất thiết kế cải tiến cấu dẫn động, giảm số khe hở, lực dẫn động truyền trực tiếp từ kích hoạt đến vành bên ngồi qua cóc giúp giảm độ trễ khe hở lò xo, tức giảm trượt vận tốc góc thực tế vi động cơ, hình 2.2 Đồng thời với kết cấu ta tăng chiều dài dầm chữ V cấu dẫn động, điều làm tăng chuyển vị giảm biên độ điện áp dẫn 2.3 Xây dựng quy trình chế tạo thử nghiệm vi động Hình 2.3 Tóm tắt quy trình chế tạo vi động Vi động chế tạo từ phiến silic kép (Silicon On Insulator–SOI wafer) sử dụng mặt nạ (single mask) dựa công nghệ MEMS tiêu chuẩn Trên hình 2.3 sơ đồ tóm tắt bước quy trình gia cơng vi động Các chip sau chế tạo chụp ảnh khảo sát kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope), hình 2.4 2.5 Hình 2.4 Hình ảnh chụp SEM vi động kiểu Hình 2.5 Hình ảnh chụp SEM vi động kiểu (cải tiến) 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO VI ĐỘNG CƠ 3.1 Mơ hình tốn học vi động Để đơn giản, ta phân tách dầm đơn thành k phân đoạn có l chiều dài lk  b k Coi phân đoạn đồng nhất, nguồn nhiệt tập trung, hình 3.1 Hình 3.1 Mô tả nguyên lý hoạt động dầm đơn Quá trình truyền nhiệt dầm đơn lúc trở thành q trình truyền nhiệt qua vách có chiều dày lk tiết diện wbtb hệ phương trình truyền nhiệt mô tả sau  d b (1)    1      b (2)  qb (1)     b (1)  Cb   Rbp Rbb (1) Rbw  Rbb (2)  dt    d b (2)    1   b (1)    b (3)  qb (2)     b (2)   Rbb (2) Rbw  Cb  Rbb (1) Rbb (3)  dt           1   d b ( k ) b ( k 1)    s  qb ( k )   b ( k )   dt  C  R  Rbb ( k ) Rbw  Rbb ( k )  b     bb ( k 1)        d s       s  qs   b ( k )  dt  Rbb ( k ) Rbw  Cs  Rbs      (3.1) 11 Trong đó: b ( k ) nhiệt độ phân tố thứ k dầm đơn (beam); s nhiệt độ trượt (shuttle); Cb Cs nhiệt dung phân tố dầm đơn trượt (3.2) Cb  wb lk tb Dc p ; C s  ws ln t s Dc p l ln  s R ;R ; R nhiệt trở phân tố dầm n , bp bb ( k ) bs điện cực (Beam- bond pads), phân tố dầm (Beam – beam), phân tố dầm thứ k với trượt (Beam – shuttle) Rbp  lk lk ; Rbb ( k )  ; Rbs  Rbb ( k ) ks ( 0 ) wb tb ks ( k ) wb tb (3.3) Rbw ; Rsw nhiệt trở dầm với chất (Beam- substrate) trượt với (Shuttle- substrate) Rbw  ga ga ; Rsw  ka wb lk Sb ka ws ln S s (3.4) Sb S s hệ số hình dáng dầm trượt: Sb    tb  g a t  2g  1  1; S s  s  a  1   wb  tb ws  ts   (3.5) qb( k )  ib2 rb( k ) ; qs  is2 rs  ib2 rs Nhiệt lượng dòng điện ib sinh phân tố dầm thứ k trượt ( ib  is  i rb ( k )  t ( k ) lk w ; rs  t ( k ) s wb tb 2ln t s nb ) (3.6) Với rb ( k ) , rs điện trở phân tố dầm đơn thứ k trượt; ga khe hở không khí hệ dầm với nền; wb , tb , ws , ts chiều rộng, chiều cao dầm; ks () hệ số dẫn nhiệt vật liệu (silic); ka hệ số dẫn nhiệt khơng khí (là 12 số); c p , D : nhiệt dung riêng khối lượng riêng hệ dầm (silic) Đặt uk  ib2 Hệ phương trình (3.1) viết dạng ma trận d b  A( ) b  B ( )u k dt (3.7) Khi phân tố dầm bị đốt nóng, chúng giãn nở tạo chuyển vị trượt Độ chênh nhiệt phân tố dầm với nhiệt độ môi trường giãn nở dài phân tố dầm  lk (1)  l lk ( b (1)  0 )  lk (2)  l lk (b (2)  0 )  (3.8)  l   l (    ) l k b (k)  k (k)  ws   l ws ( s  0 )  Đặt x( k )  lk ( k )   l lk 0 ta có phương xác định giãn nở dài dầm đơn  x  C  (3.9) Kết hợp (3.7) (3.9) ta có hệ phương trình vi phân trạng thái mơ tả q trình truyền nhiệt giãn nở dài dầm đơn:  d b  A( )b  B()u k   dt  x  C b (3.10) Từ hệ phương trình (3.10) ta thấy đối tượng mơ tả hệ song tuyến (Bilinear System), việc phân tích hệ thống thiết kế điều khiển cho đối tượng tương đối phức tạp, thiết bị MEMS thường yêu cầu điều khiển đơn giản, nhỏ gọn Để đơn giản q trình thiết kế điều khiển, ta sử dụng phương pháp đổi biến số tuyến tính hóa quanh điểm làm việc để đưa mơ hình đối tượng trở dạng tuyến tính tham số 13 3.2 Thiết kế điều khiển học lặp Đối với phương pháp điều khiển truyền thống, cách chọn tham số điều khiển chất lượng điều khiển phụ thuộc vào độ xác mơ hình toán học Trong lớp đối tượng khảo sát có mơ hình tương đối phức tạp, phân tích, thiết kế điều khiển ta thường phải đưa mô hình dạng gần điều dẫn tới kết tính tốn, mơ khác nhiều so với thực tế Một khó khăn lớn sử dụng điều khiển thơng thường để có chất lượng tốt thiết phải xác định tín hiệu phản hồi để so sánh hiệu chỉnh hệ thống Bộ nhớ + học , , Đối tượng điều khiển , Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển học lặp Lần chạy thứ k Lần chạy thứ k+1 t-1 t t+1 T Hình 3.3 Nguyên lý hoạt động điều khiển học lặp 14 Điều khiển học lặp (ILC - Iterative learning control) bổ sung tương đối vào công cụ nhà thiết kế điều khiển, đặc biệt khắc phục số vấn đề liên quan đến độ xác mơ hình phản hồi tín hiệu đầu ILC biết đến điều khiển thơng minh (có khả học, ghi nhớ) áp dụng cho đối tượng làm việc có tính chu kỳ lặp lại ổn định hóa Trong q trình thiết kế, khơng thiết phải có mơ hình tốn xác lúc mơ hình tốn dùng để khảo sát tính ổn định lựa chọn sơ tham số ban đầu điều khiển Đây điều khiển vịng hở (do khơng cần tín hiệu phản hồi trực tiếp), mang tính bền vững cho chất lượng tin cậy có tính “học”, “ghi nhớ” liệu từ khứ Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển học lặp thể hình 3.2, 3.3 Nội dung ILC xác định hàm học (hay gọi thuật học) uk 1  t   L  uk  1  , ek  2  , t  với  τ1 , τ1  T (3.11) Của hệ thống điều khiển, mô tả P : u  t   y  t  , hoạt động có tính chất lặp lặp lại khoảng thời gian hữu hạn  t  T , cho sai lệch đầu đạt được: ek  t    (3.12) Với ε  bất kỳ, thỏa mãn sau số lần học hữu hạn  k  K , k số lần học, ek  t   r  t   yk  t  (3.13) Là sai lệch lần học thứ k , r  t  tín hiệu đặt mong muốn lượng P : u  t   y  t  Do hệ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V ổn định ứng dụng hoạt động có tính chu kỳ lặp lặp lại nên việc áp dụng điều khiển ILC phù hợp Nguyên tắc hoạt động thuật học (3.11) bên trên, mơ tả sau: - Ở lần học thứ k tồn tín hiệu đầu vào u k  t  ,  0  t  T đưa vào hệ thống để có tín hiệu đầu yk  t  ,  0  t  T - Khi kết thúc chu kỳ học, tín hiệu sai lệch (3.13) tính tốn sử dụng để hiệu chỉnh tín hiệu đầu u k 1  t  ,  0  t  T lần 15 học (k+1), mà mục tiêu tạo sai lệch nhỏ so với tín hiệu đầu vào u k  t  (Hình 3.3) Tức phải thỏa mãn: ek 1  t   ek  t  (3.14) Với k  0,1, Điều đáng ý điều kiện đầu, điều kiện biên hệ thống P : u  t   y  t  , phải gán giống lần học - Cuối cùng, trình học lặp lặp lại với k  0,1, điều kiện (3.12) thỏa mãn Một cách biểu diễn khác có ý nghĩa (3.11), áp dụng mà khơng cần kiểm tra điều kiện (3.12), cụ thể là: uk 1  t   uk  t   l  ek     (3.15) Trong    T l  ek      ek      ek     Tương tư thuật học (3.11) thuật học liên tục cho phép trình học nhanh Do thuật học (3.11) Uchiyama làm sở để đề xuất khái niệm điều khiển học lặp, nên nguyên tắc phát triển mạnh mẽ với số lượng lớn cơng trình cơng bố trước Trong thuật học (3.15) lại coi xu hướng phát triển nhiều công bố gần uk 1  t   uk  t   K  ek  t   (3.16)  Hoặc: uk 1  t   uk  t   K ek   t  i  Và u k 1  t   u k  t   K1ek  t   K ek  t  ,  0  t  T (3.17) (3.18) Các quy tắc gọi thuật học D PD Một thuật học tuyến tính tổng qt thuật tốn kiểu PID giới thiệu t uk 1  t   uk  t   K1ek  t   K ek  τ  dτ  K ek  t  ,  0  t  T  (3.19)  Tất nhiên, hệ số K ,  K1 ,  K2 K3 công thức học ILC phải xác định phù hợp với điều kiện hội tụ (3.12) (3.14) 16 *) Bộ điều khiển cho kích hoạt chữ V Đối với kích hoạt nói chung kích hoạt điện nhiệt nói riêng, lực chuyển vị thông số quan trọng để định đến trình hoạt động chúng Như chương tính tốn, phân tích, lực kích hoạt nhiệt thường lớn so với yêu cầu ứng dụng, điều quan trọng kiểm soát chuyển vị Do tốn ta thực điều khiển chuyển vị đỉnh hệ dầm theo quỹ đạo xác định trước khoảng thời gian hữu hạn T Với đối tượng mơ hình hóa (3.10), ta lựa chọn thuật học PD: uk 1  t   uk  t   K1ek  t    K 2ek  t  1 (3.20) Hoặc thuật học PID uk 1  t   uk  t   K1ek  t  1  K 2ek  t   K3ek  t  1 (3.21) Với tham số K1  0.08; K  0.1; K3  0.1 , kết mơ thể hình 3.4, 3.5 Hình 3.4a Đáp ứng đầu sau 65 lần học thuật học PID khơng có nhiễu 17 Hình 3.4b Sai lệch tín hiệu tín hiệu đặt sau 65 lần học thuật học PID khơng có nhiễu tác động Hình 3.5a Đáp ứng đầu sau 48 lần học thuật học PID, nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% 18 Hình 3.5b Sai lệch tín hiệu tín hiệu đặt sau 48 lần học thuật học PID, nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% Nhận xét: Với thuật học kết đầu dần “bám” giá trị đặt sau số hữu hạn lần học, sai số lớn khoảng 0,27 µm (so với biên độ giá trị đặt 6µm) Thuật học PID cho kết hội tụ nhanh sai số nhỏ hơn, sai số lớn khoảng 0,13 µm (so với biên độ giá trị đặt 6µm) Để có kết sai số nhỏ ta giảm hệ số K1 , K2 , K3 nhiên q trình học lâu Khi khảo sát với nhiễu ngẫu nhiên, hệ thống cho kết hội tụ bám với tín hiệu đặt mong muốn, điều chứng tỏ điều khiển ILC giúp hệ thống có khả kháng nhiễu tốt *) Bộ điều khiển cho vi động Vi động dẫn động kích hoạt dạng chữ V đồng Về mặt lý thuyết, chúng có chuyển vị lực tác động Tuy nhiên thực tế chúng cho đáp ứng đầu khác (Do mức độ đồng thiết kế khí, vật liệu, tác động bên ngoài…) Trong toàn này, ta lựa chọn phương án sử dụng điều khiển khác nhau, điều khiển cho kích hoạt mong muốn chuyển vị đầu chúng “bám” chung với quỹ đạo đặt 19 Bộ điều khiển V_Shaped Mơ hình V_Shaped Bộ điều khiển V_Shaped Mơ hình V_Shaped Bộ điều khiển V_Shaped Mơ hình V_Shaped Bộ điều khiển V_Shaped Mơ hình V_Shaped Mơ hình mơ men Mơ hình tốc độ Mơ hình vi động Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiên vi động CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ILC THƠNG QUA MƠ HÌNH VẬT LÝ SIMSCAPE Do nhiều hạn chế thiết bị thí nghiệm, kết nối đồng hệ thống đo đạc, xử lý, vào liệu Việt Nam, tác giả chưa có đầy đủ thiết bị thí nghiệm để triển khai kiểm chứng kết lý thuyết hệ thống thực, nên nội dung tác giả thực mơ kiểm chứng thuật tốn điều khiển mơ hình vật lý xây dựng Toolbox Simscape phần mềm Matlab Đây công cụ mô đa trường, cho phép người dùng xây dựng mơ hình đối tượng dựa mơ hình vật lý tích hợp sẵn Đặc biệt cơng cụ cho phép ta xây dựng mơ hình chuyển đổi đa trường tín hiệu vật lý giao diện giống thiết kế, lặp đặt hệ thống thực 4.1 Mơ hình hóa kích hoạt chữ V simscape Từ nguyên lý làm việc trình bày phần ngun lý mơ hình tốn học ta nhận thấy trình chuyển đổi lượng kích 20 hoạt từ điện – nhiệt – cơ, để mơ tả q trình chuyển đổi điện – nhiệt ta sử dụng phần tử nhiệt điện trở (Thermal Resistor), để mơ tả q trình truyền nhiệt dẫn q trình đối lưu nhiệt khơng khí ta sử dụng phần tử truyền nhiệt (Conductive Heat Transfer – Ks1, Ks2 ) đối lưu (Convective Heat Transfer – Ka1, Ka2 )) Dầm chữ V phân tách thành k phần tử dọc theo phương vng góc với phương chuyển vị đỉnh dầm, với giả thiết phần tử (có chiều dài lk  lb k tiết diện w b tb ) đồng nhiệt độ phân bố giống Như ta mơ hình hóa phần tử dầm chữ V hình 4.1 Việc phân tách chiều dài dầm thành k phân tố có chiều dài lk , mặt lý thuyết lk nhỏ mơ hình xác, nhiên số lượng phần tử lớn khó khăn cho việc xây dựng mơ hình tổng thể thời gian chạy mô lớn Trong toán chiều dài dầm đơn lb  320 µm, nên tác giả tách dầm đơn thành 15 phần tử ( k  15 ), hình 4.1 Hình 4.1 Mơ hình hóa phần tử Simscape 4.2 Mô điều khiển ILC mơ hình Simscape Tương tự chương 3, ta thực mơ phỏng, kiểm nghiệm thuật tốn điều khiển PD PID với trường hợp có nhiễu tác động khơng có nhiễu tác động Các hệ số hàm học, dạng tín hiệu 21 Chuyển vị [ m] đặt kịch mô giữ nguyên so với thực mơ hình tốn Sai lệch (e=|y-r|) [ m] Hình 4.2a Đáp ứng đầu sau 62 lần học thuật học PID khơng có nhiễu tác động 22 Hình 4.2b Kết sai lệch sau 62 lần học thuật học PID, nhiễu tác động Từ kết thấy trường hợp khơng có nhiễu tác động số lần học tối ưu xác định 62, trình học lâu so với mơ hình tốn, nhiên sai số nhỏ nhiều Ở vùng làm việc ổn định tín hiệu gần bám sát giá trị đặt, sai số lớn nhất, xuất sườn xuống tín hiệu hình thang, có giá trị 0,175µm thực mơ hình tốn 0,28µm Trung bình tổng bình phương sai lệch Norm=0,1994, thực mơ hình tốn 0,3013 Điều cho thấy thuật toán điều khiển cho chất lượng tốt hai dạng mơ hình Với mơ hình Simscape cho đáp ứng tốt so với mơ hình tốn Sự sai khác giải thích mơ hình tốn ta đơn giản hóa mơ hình KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận án giới thiệu tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước lĩnh vực thiết kế, chế tạo vi động lĩnh vực MEMS, phân tích so sánh ưu nhược điểm, tiềm ứng dụng loại vi động sử dụng hiệu ứng kích hoạt khác nhau; Tập chung phân tích hiệu ứng giãn nở nhiệt, từ định hướng thiết kế phát triển mẫu vi động quay sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt với nhiều ưu điểm trội so với hiệu ứng khác Giới thiệu tổng quan phương pháp điều khiển thiết bị MEMS, phân tích ưu nhược điểm, hạn chế ràng buộc kỹ thuật điều khiển MEMS Lựa chọn phương pháp điều khiển học lặp (ILC) khắc phục hạn chế phù hợp với lớp đối tượng khó xây dựng xác mơ hình tốn học, hoạt động có tính lặp lại khoảng thời gian hưu hạn Đề tài tính tốn, thiết kết 02 mẫu vi động quay có đường kính 2,5mm, đặt chíp mm x5 mm x484 µm, quay tồn vịng với dải vận tốc từ 0,085 vịng/phút, tương ứng với tần số từ 130 Hz Đối với mẫu vi động ban đầu, theo tính tốn điện áp dẫn tối thiểu 17,5V Sau cải tiến cấu dẫn động điện áp dẫn tối thiểu vi động giảm xuống 16V Vi động chế tạo từ phiến silic kép (SOI), phương pháp gia công vi khối, sử dụng mặt nạ Kế thừa kết 23 nghiên cứu trước nhóm, thí nghiệm thực tế đề tài xây dựng quy trình chế tạo chi tiết mẫu vi động Các vi động sau chế tạo chụp ảnh khảo sát kính hiển vi điện tử quét - SEM (Scanning Electron Microscope) Kết cho thấy kết cấu có độ sắc nét cao, phản ánh kết cấu, kích thước theo vẽ thiết kế Bằng việc phân tách dầm đơn thành nhiều phân tố giống dọc theo chiều dài dầm, tác giả mơ hình hóa thành cơng kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V với nhiều tham số ảnh hưởng xét tới Với mơ hình dạng thuận lợi cho việc phân tích hệ thống, thiết kế điều khiển khảo sát đặc tính kích hoạt chữ V vi động Đây tính độc đáo đề tài thực tế chưa có cơng bố việc xây dựng mơ hình tốn học tiếp cận theo hướng Luận án xây dựng điều khiển học lặp cho vi động Khảo sát mô thuật toán (PD PID) cho trường hợp có nhiễu khơng có nhiễu tác động Kết mô cho thấy thuật tốn cho đáp ứng tốt, tín hiệu “bám” sát tín hiệu đặt sau số hữu hạn lần học Đặc biệt thuật tốn có khả kháng nhiễu Thuật toán PID cho kết tốt thuật tốn PD (q trình học nhanh sai số nhỏ hơn) Do nhiều hạn chế điều kiện thiết bị thí nghiệm, tính đồng hệ thống nên tác giả chưa có điều kiện kiểm nghiệm thuật tốn điều khiển mơ hình thực Tác giả lựa chọn kiểm nghiệm mơ mơ hình vật lý tương tự mơ hình thực tế Đây phương pháp mô nhiều tác giả lựa chọn, độ tin cậy tính xác kiểm nghiệm qua nhiều cơng bố trước Thuật tốn điều khiển ILC cho kết tốt tương tự kết khảo sát qua mơ hình tốn Điều khẳng định phương pháp phù hợp với đối tượng nghiên cứu hồn tồn có tiềm ứng dụng thực tiễn Trong công trình nghiên cứu tiếp theo, tác giả tiếp tục nghiên cứu xây dựng hệ thống thí nghiệm đồng thử nghiệm thuật tốn điều khiển mơ hình thực tế đồng thời đo đạc, khảo sát đặc tính vi động Kiểm nghiệm giá trị đo đạc so với tính tốn mơ 24 ... nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN V? ?? VI ĐỘNG CƠ V? ? HỆ ĐIỀU KHIỂN 1.1 Tổng quan vi động Vi động loại động có kích thước từ v? ?i micro-mét đến v? ?i mili-mét chuyển đổi tín hiệu v? ??t lý (nhiệt, điện, từ…) thành tín... mở hướng nghiên cứu tính tốn ứng dụng vi động v? ?o hệ thống vi dẫn động, vi robot, hệ vi phân tích tổng hợp, hệ phân tích sinh hóa… Luận án tài liệu tham khảo ý nghĩa cho vi? ??c nghiên cứu, phân... dài lực nhiệt, tiếp vi? ??t phương trình cân mơ men xác định biên độ điện áp dẫn tối thiểu, điều kiện dẫn động vi động 2.2 Cải tiến cấu dẫn động vi động Hình 2.2 Vi động cải tiến Đối v? ??i vi động có