1.2. Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan
Đã có nhiều đề tài nghiên cứu, các bài báo khoa học của các tác giả ngồi nước về điều khiển vị trí nghiên cứu điều khiển cơ cấu chấp hành piezo để tạo ra chuyển động có độ phân giải cỡ micron thậm chí là nanometer của máy móc, thiết bị thuộc các lĩnh vực: y học, gia cơng chính xác, lắp ráp chính xác,… Các đề tài tập trung nghiên cứu bù khâu trễ phi tuyến Hysteresis. Có 2 phương pháp được các tác giả tiếp cận để giải quyết vấn đề trên: (1) Mơ hình tốn khâu trễ phi tuyến Hysteres (gần đúng) sử dụng các thuật tốn cần có mơ hình tốn chính xác để điều khiển, (2) Sử dụng các mơ hình tốn loại bỏ khâu trễ sử dụng các thuật toán bù trễ để điều khiển.
1.2.1. Các kết quả nghiên cứu nước ngoài
Từ những năm 80, 90 thế kỉ XX, có nhiều đề tài điều khiển vị trí cơ cấu chuyển động cỡ micron, nanometer sử dụng cơ ấu chấp hành Piezo. Các tác giả đã sử dụng
nhiều lý thuyết điều khiển từ cổ điển đến điều khiển hiện đại để nâng cao độ chính xác vị trí cơ cấu như:
Điều khiển cơ cấu gia cơng siêu chính xác trên máy tiện CNC của D. Eddy [1] ứng dụng các giải thuật điều khiển PID, điều khiển đặt điểm cực (Pole Placement); A. Wonronko [2] sử dụng giải thuật SMC (Sliding Mode Controller); Martin Byung-Guk Jun [3] dùng PID, điều khiển đặt điểm cực,… Các nghiên cứu này mơ hình tốn hệ thống, sau đó tìm bộ điều khiển dựa trên mơ hình tốn, sau đó thực nhiệm kiểm chứng các bộ điều khiển đã tìm được.
Tác giả Brian Jeffrey Kenton [19] áp dụng các giải thuật open-loop smooth inputs, PID feedback, discrete-time repetitive control implemented using FPGA hardware, model-based feedforward control để điều khiển cơ cấu chuyển động Piezo ứng dụng trong kính hiển vi theo 2 chiều.
Luận văn thạc sĩ của tác giả Marwan Nafea Minjal [13] sử dụng Matlab Simulink để mơ hình hóa hệ thống dự trên mơ hình Bouc-Wen, sau đó dùng thuật tốn PSO để chỉnh định thơng số của bộ điều khiển PID. Đề tài khơng có mơ hình thật mà chỉ tập trung mơ phỏng, sau đó so sánh chất lượng bộ điều khiển với các nghiên cứu khác.
Một số hãng đã bán ra thị trường cơ cấu chấp hành Piezo các bộ điều khiển cho ví dụ Thorlabs, Piezomechanik, Norliac,… Tuy nhiên loại cơ cấu chấp hành này chỉ mới phổ biến với nhưng chủng loại điều khiển không hồi tiếp (Open-loop control). Các chủng loại điều khiển có hồi tiếp (Close-loop control) chưa có nhiều, giới hạn về hành trình và lực đẩy, đồng thời có giá thành đắt hơn rất nhiều lần so với các chủng loại không hồi tiếp.
1.2.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước
Hiện nay trong nước đã có các nghiên cứu về cơ cấu chuyển động cỡ micron Piezo:
4
Năm 2008, Tác giả Phạm Huy Hoàng, Trần Văn Thùy [14] đã thiết kế và mô phỏng được hoạt động của cơ cấu đàn hồi\mềm bằng phần mềm ANSYS.
Nhóm tác giả Phạm Huy Hồng, Phạm Huy Tuân, Nguyễn Văn Khiển
ứng dụng cơ cấu đàn hồi để chế tạo bàn ăn dao máy tiện CNC [7], [11]. Các đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu thiết kế tối ưu cơ cấu đàn hồi/mềm, chưa áp dụng các giải thuật để điều khiển chính xác vị trí của bàn dao.
Tác giả Đặng Hoàng Chương [12] đã khảo sát rất kỹ lưỡng đặc tính chuyển vị của cơ cấu chấp hành piezo, trong đó quan trọng nhất là hiện tượng trễ phi tuyến hysteresis. Trong đề tài tác giả đã tổng hợp nhiều cách để mơ hình hóa được hiện tượng hysteresis như các mơ hình: Preisach, Krasnosel’skii-Pokrovskii, Prandtl Ishlinskii, Duhem, Bouc – Wen, Jilec – Atherton,… Tác giả điều khiển góc quay một cơ cấu sử dụng cơ cấu mềm và có cấu chấp hành Piezo với bộ điều khiển PID.
Gần đây khoảng 2019 đến nay nhóm tác giả Nguyễn Ngọc Sơn, Trần Minh Chính & Hồ Phạm Huy Anh [15], nhận dạng đặc tính trễ phi tuyến của cơ cấu chấp hành Piezo dùng trí tuệ nhân tạo (mạng nơ rơn và thuật tốn tối ưu).
1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Chế tạo các mạch điện tử chuyển đổi tín hiệu để thu thập dữ liệu và điều khiển chuyển vị của mơ hình cơ cấu bàn dao phụ máy tiện bằng board STM32F407 DISCOVERY.
Khảo sát được đặc tính chuyển vị cỡ micron của cơ cấu bàn dao phụ máy tiện.
Thiết kế được điều khiển PID vịng kín cho mơ hình bàn dao phụ máy CNC chuyển vị cỡ micron.
Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn NSGA-II trong việc tối ưu hóa bộ điều khiển PID.
Điều khiển được mơ hình bàn dao phụ máy tiện chuyển vị cỡ micron
1.4. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
1.4.1. Nhiệm vụ đề tài
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động bàn dao gồm cơ cấu chấp hành Piezo và cơ cấu đàn hồ/mềm.
Chọn lựa thiết bị điện như cảm biến, board điều khiển, mạch chuyển đổi tín hiệu,…để điều khiển và giám sát của mơ hình bàn dao.
Kết nối được các thành phần thiết bị cơ khí, điện trong mơ hình để điều khiển chuyển vị bàn dao.
Thực hiện được thí nghiệm khảo sát được đặc tính chuyển vị của cơ cấu chấp hành piezo, cơ cấu đàn hồi/mềm.
Nhúng được chương trình giám sát và điều khiển mơ hình từ Matlab Simulink lên board mạch số STM32F407DISCOVERY.
Thiết kế bộ điều khiển PID bằng thuật toán NSGA-II để điều khiển cơ cấu chấp hành Piezo sai số mỉcron.
Tiến hành thử nghiệm trên mơ hình để tìm ra bộ điều khiển tối ưu.
1.4.2. Giới hạn đề tài
Đề tài tập trung điều khiển vị trí mơ hình bàn dao phụ máy tiện, chuyển vị với độ phân giải micron. Bàn dao được kết nối với bàn thí nghiệm để tiến hành thử nghiệm thuật tốn điều khiển ở trạng thái khơng tải (không gia công chi tiết).
1.5. Phương pháp nghiên cứu:
Thu thập, tổng hợp tài liệu, thông tin về các giải thuật điều khiển cơ cấu chấp hành áp điện piezo thông qua các bài báo khoa học, luận văn trong và ngoài nước.
Kế thừa kết quả của các nghiên cứu kết hợp với đặc điểm mơ hình hiện có để đưa ra phương án điều khiển phù hợp.
6
Thực nghiệm, thu thập dữ liệu so sánh, đánh giá chất lượng các bộ điều khiển, từ đó tìm ra bộ điều khiển tối ưu.
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cơ cấu chấp hành áp điện Piezo 2.1. Cơ cấu chấp hành áp điện Piezo
2.1.1. Lịch sử ra đời của vật liệu áp điện Piezo
Hiệu ứng áp điện được phát hiện ra vào năm 1817 do các nhà vật lý người Pháp sau đó được anh em Jaques và Pierre Curie nghiên cứu chi tiết. Họ phát hiện ra rằng khi tác động áp lực làm biến dạng một số tinh thể thì tinh thể đó sẽ tích điện. Ngược lại nếu cấp điện áp cho tinh thể, thì tinh thể sẽ biến dạng. (ví dụ: Thạch anh dùng tạo dao động cho vi điều khiển)
Tuy nhiên ứng dụng của hiện tượng trên vẫn còn hạn chế. Đến thế chiến thứ 1 năm 1917, Paul Langevin và đồng nghiệp đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Trong những thập niên tiếp theo các vật liệu áp điện được tìm ra càng nhiều và các ứng dụng ngày càng rộng rãi ví dụ các máy đo độ nhớt, độ đàn hồi của vật liệu; máy đo lỗ hổng bên trong kim loại hay đất đá. Vào những năm 1930, sự phát triển của tụ gốm dựa trên Bari Titanat (BaTiO3) đã dẫn đến những nền tảng quyết định sự phát triển ứng dụng tính áp điện ví dụ: bộ lọc piezoceramic cho radio và TV, bộ rung Piezo và bộ chuyển đổi âm thanh có thể kết nối trực tiếp với các mạch điện tử, và bộ đánh lửa áp điện, tạo ra tia lửa cho hệ thống đánh lửa động cơ nhỏ và bật lửa gas, bằng cách nén đĩa gốm.
2.1.2. Ứng dụng vật liệu áp điện Piezo
Do hiệu ứng áp điện nên vật liệu áp điện Piezo có thể được sử dụng là cơ cấu chấp hành hoặc cảm biến. Cảm biến: Microphones Cảm biến áp suất Cảm biến lực … Cơ cấu chấp hành:
8
Động cơ piezo
Van
Loa
Cơ cấu chuyển vị nhỏ
…..
Những ưu điểm của các thiết bị làm từ vật liệu áp điện như sau:
Không sinh ra từ trường
Độ cứng cao
Kích thước nhỏ gọn
Tiêu thụ ít năng lượng
Thời gian phản hồi nhanh
Hiệu quả chuyển hóa năng lượng cao
2.1.3. Nguyên lý hoạt động vật liệu áp điện Piezo
Gốm áp điện thuộc vào nhóm vật liệu sắt điện. Vật liệu sắt điện là những tinh thể phân cực mà không cần đặt vào điện trường. Đặc tính này ổn định dưới tác dụng của nhiệt, đảo ngược chiều phân cực dưới tác dụng của một trường điện từ, được mô tả bằng một chu trình trễ Hình 2.1. Tính đảo ngược sự phân cực và sự tách biệt giữa ảnh hưởng cơ và điện là điểm quyết định ứng dụng rộng rãi của gốm áp điện.
Biến dạng tăng lên khi ngoại lực tác động lên khối vật liệu áp điện sinh ra chuyển vị ở những nút mạng dương và âm tạo ra momen lưỡng cực. Đây được gọi là hiện tượng áp điện thuận.