Tải bản đầy đủ

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

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong khoảng 30 năm trở lại đây cùng với sự phát triển mạnh
mẽ của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS – Micro-electro-mechanical
System) các nghiên cứu về công nghệ y sinh, vi robot đang phát triển
và mang lại nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Để tạo ra
chuyển động có thể sử dụng nhiều hiệu ứng khác nhau như: hiệu ứng
điện từ, giãn nở nhiệt, áp điện hay tĩnh điện... Trong đó, hiệu ứng
giãn nở nhiệt (điện nhiệt) có thể cho chuyển động với tốc độ thấp,
phạm vi hoạt động hẹp nhưng lại có lực tác động và mô men lớn. Đã
có khá nhiều công trình khoa học được công bố trên thế giới về các
vi động cơ ứng dụng hiệu ứng này và ứng dụng của chúng, tuy nhiên
ở Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu về các hệ vi cơ điện tử nói chung
và các vi động cơ nói riêng mới chỉ bắt đầu phát triển trong một vài
năm gần đây.
Một trong những xu hướng phát triển tất yếu trong thế kỷ XXI
là đưa các thiết bị, máy móc, hệ thống kỹ thuật với kích thước nhỏ
tính theo đơn vị micro-mét hoặc nano-mét vào sản xuất cũng như
ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Việc nghiên cứu, phát triển các
vi động cơ và vi cơ cấu đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng quyết
định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng như độ chính xác của các hệ thống.

Với đề tài “Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng
dầm chữ V và hệ điều khiển”, tác giả sẽ giải quyết trọn vẹn việc tính
toán thiết kế mẫu vi động cơ hoàn toàn mới, xây dựng quy trình chế
tạo, xây dựng mô hình toán học và lựa chọn thiết kế bộ điều khiển
phù hợp với lớp đối tượng nghiên cứu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Thiết kế bộ điều khiển học lặp (ILC - Iterative learning control)
cho vi động cơ sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt, được chế tạo dựa trên
công nghệ vi cơ khối.
Nghiên cứu về lý thuyết giãn nở nhiệt và các thông số ảnh
hưởng tới quá trình truyền nhiệt trong dầm mảnh. Tìm hiểu các công
nghệ gia công MEMS và lựa chọn quy trình chế tạo phù hợp với các
1


trang thiết bị, điều kiện thực tiễn của một số phòng thí nghiệm, viện
nghiên cứu tại Việt Nam.
Phân tích các phương pháp điều khiển cơ bản, tìm hiểu và lựa
chọn phương pháp điều khiển học lặp áp dụng cho lớp các đối tượng
khó xây dựng mô hình toán đầy đủ, chính xác đồng thời khó xác định
các tín hiệu phản hồi trực tiếp.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo ít nhất một mẫu vi động cơ quay đường kính
khoảng 23 mm dựa trên nguyên lý giãn nở nhiệt, công suất cỡ vài
mW. Xây dựng mô hình toán học, khảo sát, phân tích hệ thống thông
qua mô hình. Thiết kế bộ điều khiển phù hợp với lớp đối tượng
nghiên cứu và những ràng buộc, hạn chế về công nghệ chế tạo, thực
hiện mô phỏng thuật toán điều khiển trên mô hình vật lý có tính chất
tương tự như mô hình thực.
Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa phân tích lý thuyết với mô phỏng kiểm chứng và
thực nghiệm. Thông qua nghiên cứu tổng quan để tìm ra vấn đề cần
giải quyết, triển khai giải quyết vấn đề, kiểm chứng các nghiên cứu
lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm.
Những đóng góp mới và ý nghĩa khoa học của luận án
- Đề tài đã tính toán, thiết kết 02 mẫu vi động cơ quay có đường
kính cơ bản 2,5mm, được đặt trên các chíp 5 mm x5 mm x484 µm,
có thể quay toàn vòng với dải vận tốc từ 0,085 vòng/phút, tương
ứng với tần số từ 130 Hz, dải công suất đầu ra từ 250 mW.
- Các mẫu vi động cơ được chế tạo từ phiến silic kép (SOI),


bằng quy trình gia công vi cơ khối (Bulk – micromachining), sử
dụng 1 mặt nạ (single mask) phù hợp với điều kiện và các trang thiết
bị tại Việt Nam.
- Bằng việc phân tách các dầm đơn thành nhiều phân tố giống
nhau dọc theo chiều dài dầm, tác giả đã đưa mô hình bộ kích hoạt
điện nhiệt dạng chữ V về dạng mô hình song tuyến (bilinear). Với
mô hình này rất thuận lợi cho việc phân tích hệ thống, thiết kế bộ
điều khiển và khảo sát các đặc tính của bộ kích hoạt chữ V cũng như
của vi động cơ.
2


- Luận án đã xây dựng bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ.
Khảo sát mô phỏng đối với 2 thuật toán (PD và PID) cho cả trường
hợp có nhiễu và khi không có nhiễu tác động. Kết quả mô phỏng cho
thấy cả 2 thuật toán đều cho đáp ứng tốt, tín hiệu ra “bám” sát tín
hiệu đặt sau một số hữu hạn lần học.
- Thực hiện mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển trên
mô hình Simscape cho kết quả tốt. Điều đó có thể khẳng định
phương pháp này phù hợp với đối tượng nghiên cứu và hoàn toàn có
tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
*) Ý nghĩa khoa học: Vi động cơ được thiết kế, chế tạo thành
công mở ra một hướng nghiên cứu mới về tính toán ứng dụng vi
động cơ vào các hệ thống vi dẫn động, vi robot, hệ vi phân tích tổng
hợp, hệ phân tích sinh hóa… Luận án sẽ là một tài liệu tham khảo rất
ý nghĩa cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng tương tự. Đồng
thời các kết quả nghiên cứu của luận án cũng góp phần mang lại
những nhận thức mới về các phương pháp mô hình hóa, áp dụng điều
khiển học lặp trong các hệ thống vi cơ.
*) Ý nghĩa thực tiễn: Trong giai đoạn hiện nay, Việc nghiên
cứu, phát triển các vi động cơ và vi cơ cấu đóng vai trò quan trọng,
ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng như độ chính xác
của các hệ thống vi cơ. Trên thế giới đã có khá nhiều công trình khoa
học được công bố về các vi động cơ và ứng dụng của chúng, tuy
nhiên ở Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu về các hệ vi cơ điện tử nói
chung và các vi động cơ nói riêng vẫn còn nhiều hạn chế. Do vậy,
luận án sẽ bổ sung thêm những kết quả mới trong lĩnh vực nghiên
cứu về vi cơ điện tử tại Việt Nam.
Bố cục luận án: Gồm 4 chương và phần kết luận chung
Chương 1: Tổng quan về vi động cơ và hệ điều khiển
Chương 2: Vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho vi động cơ
Chương 4: Đánh giá chất lượng bộ điều khiển thông qua mô
hình vật lý Simscape.
Phần kết luận và kiến nghị.
3


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN
1.1 Tổng quan về vi động cơ
Vi động cơ là loại động cơ có kích thước từ vài micro-mét đến
vài mili-mét chuyển đổi tín hiệu vật lý (nhiệt, điện, từ…) thành tín
hiệu cơ học (lực, chuyển vị, vận tốc…) dùng trong dẫn động các vi
hệ thống. Vi động cơ có nhiều tiềm năng ứng dụng trong 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 được sử dụng trong thiết kế, chế tạo vi
động cơ là hiệu ững tĩnh điện, điện từ và giãn nở nhiệt. Trong đó
hiệu ứng tĩnh điện lợi dụng lực hút tĩnh điện của các bản cực trái dấu
để tạo ra chuyển vị. Điều đó cho thấy lực tác động của các bộ kích
hoạt kiểu này nhỏ, điện áp làm việc cao; Hiệu ứng điện từ cho phép
tạo ra lực tác động lớn hơn so với tĩnh điện, quá trình hoạt động cũng
linh hoạt hơn tuy nhiên phải tuân thủ kết cấu của một động cơ điện
truyền thống do đó khó có thể cho kích thước nhỏ gọn; Hiệu ứng
giãn nở nhiệt có thể làm việc ở điện áp thấp, lực tác động là lực nhiệt
do đó lớn hơn nhiều so với lực tĩnh điện và điện từ.
Phần lớn các công bố trước đây chủ yếu đưa ra các cấu trúc vi
động cơ tịnh tiến, lắc 1 góc nhỏ (đặc biệt là đối với hiệu ứng giãn nở
nhiệt). Trong luận án này, tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu, thiết
kế và chế tạo thử nghiệm vi động cơ quay toàn vòng sử dụng hiệu
ứng giãn nở nhiệt.
1.2 Tổng quan về các bộ điều khiển cho vi động cơ
Các thiết bị MEMS thường có kích thước nhỏ nhưng quá trình
biến đổi năng lượng vẫn tương đối phức tạp, việc đo đạc, xử lý các
tín hiệu lại gặp nhiều khó khăn. Do đó bài toán điều khiển luôn là
một thách thức lớn đối với các nhà thiết kế. Việc lựa chọn kỹ thuật
điều khiển phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như yêu cầu công
nghệ, mạch điện tử cần thiết, động lực học của thiết bị, khả năng thu
thập và xử lý tín hiệu, đặc biệt là tín hiệu phản hồi.
4


Điều khiển vòng hở: Trong giai đoạn đầu phát triển của công
nghệ MEMS, hầu hết các thiết bị được điều khiển vòng hở bằng cách
áp dụng các đầu vào điều khiển rất đơn giản. Điều này chủ yếu là do
hạn chế về kích thước cũng như sự khó khăn trong việc lựa chọn các
cảm biến để thu thập, xử lý tín hiệu
Đối tượng

Bộ biến đổi

Hình 1.1 Sơ đồ mô tả các bộ điều khiển vòng hở

Về mặt cơ bản, sơ đồ và nguyên lý điều khiển được mô tả như
hình 1.1. Trong đó các đối tượng được tính toán, mô tả bằng các
phương trình cân bằng năng lượng, xác định mối quan hệ vào ra
u(t )  y(t ) , bộ điều khiển thực chất là các bộ biến đổi tín hiệu đặt

r (t ) thành tín hiệu đầu vào u(t) sao cho có được tín hiệu ra y(t )
theo yêu cầu tính toán.
Điều khiển vòng hở có ưu điểm là hệ thống tương đối đơn giản
do đó giá thành thấp, việc lựa chọn các tham số của bộ điều khiển
chủ yếu dựa vào kết quả tính toán mối quan hệ vào ra của đối tượng.
Do đó cả các phương pháp này đòi hỏi một mô hình toán học của đối
tượng đầy đủ, chính xác, bao gồm cả các tham số và những tác động
bên ngoài. Trong thực tế, yêu cầu này không phải lúc nào cũng được
thỏa mãn.
Điều khiển vòng kín: Một số tác giả và nhà sản xuất đã cố
gắng tích hợp các cảm biến, trực tiếp hoặc gián tiếp xử lý tín hiệu
phản hồi và thực hiện điều khiển vòng kín, hình 1.2. Các cảm biến
này chủ yếu lợi dụng sự thay đổi của giá trị điện dung các tụ điện, sự
hỗ cảm của các mạch điện từ để xác định các tín hiệu phản hồi và các
bộ điều khiển về cơ bản cũng là PD hoặc PID. Các bộ điều khiển này
tương đối đơn giản và vẫn cho chất lượng điều khiển trong phạm vi
chấp nhận được. Tuy nhiên, trong các phương pháp này các tác giả
thường đưa ra một số giả thiết giới hạn điều kiện biên của bài toán để
đưa mô hình toán học dạng hàm truyền hoặc hệ phương trình vi phân
trạng thái. Điều này có thể dẫn tới việc tính toán lý thuyết, mô phỏng
sẽ cho kết quả sai khác với thực tế. Nói cách khác, chất lượng điều
khiển phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của mô hình toán học mà
5


điều này không phải lúc nào cũng thực hiện được đối với quá trình
chuyển đổi năng lượng phức tạp trong các thiết bị MEMS.
Bộ điều khiển

Đối tượng

(-)

Bộ xử lý tín hiệu
Hình 1.2 Sơ đồ mô tả các bộ điều khiển vòng kín

Điều khiển vòng kín phản hồi trên chíp: Với sự phát triển
nhanh chóng của công nghệ MEMS đã cho phép tích hợp bộ phận
truyền động, chuyển đổi năng lượng, các thiết bị đo đạc, mạch điều
khiển trên cùng 1 chíp và dẫn đến các thiết bị MEMS nhỏ gọn hơn,
hiệu suất cao hơn. Một số tác giả đã tính toán, thiết kế các cơ cấu tự
lựa, mạch tự động điều chỉnh nhờ sự thay đổi các thông số của các
phần tử bán dẫn, các điện dung ký sinh, các nhiệt điện trở…
Nhận xét: Trong thực tế, đại đa số các thiết bị MEMS hoạt
động trong dải vận tốc, chuyển vị tương đối hẹp, do đó nhiều tác giả
lựa chọn phương án điều khiển vòng hở, một số khác đã cố gắng tích
hợp hệ thống cảm biến nhằm thu thập các tín hiệu phản hồi và thiết
kết các bộ điều khiển có mức độ ổn định và độ chính xác cao hơn
(PD, PI, PID, Feed forward…). Với các phương án điều khiển này
cần thiết phải xây dựng một mô hình toán tương đối chính xác, điều
này thường rất khó khăn do tính đa trường, phức tạp của các hiệu
ứng trong MEMS. Hơn thế nữa việc cố gắng tích hợp các cảm biến
sẽ làm cho kết cấu của linh kiện trở nên phức tạp hơn, khó khăn
trong chế tạo và kích thước tăng lên đáng kể.
Điều khiển học lặp (Iterative Learning Control- ILC) được biết
đến là bộ điều khiển thông minh (có khả năng học) áp dụng cho các
đối tượng làm việc có tính chu kỳ lặp lại và đã được ổn định hóa.
Với các tính chất này, nhiều đối tượng MEMS có thể phù hợp với
điều khiển ILC. Trong luận án này, tác giả định hướng nghiên cứu bộ
điều khiển ILC, có thể thực hiện điều khiển vòng hở nhưng vẫn cho
kết quả tin cậy và chất lượng điều khiển tốt.
6


CHƯƠNG 2
VI ĐỘNG CƠ QUAY SỬ DỤNG HIỆU ỨNG GIÃN NỞ NHIỆT
2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 2.1 Kết cấu cơ bản của vi động cơ
Kết cấu cơ bản của vi động cơ được chỉ ra trên hình 2.1, điện
áp nguồn có dạng xung chữ nhật hoặc nửa hình sin. Ở kỳ dẫn động
(nửa chu kỳ đầu) điện áp được đặt vào các điện cực cố định (1), dòng
điện sẽ chạy qua hệ thống bốn bộ dầm chữ V (2) (được sắp xếp đối
xứng), do nhiệt sinh ra làm hệ thống dầm chữ V giãn nở và sinh ra
lực nhiệt đẩy hệ thống dẫn động (3) (Gồm dầm quay cổ đàn hồi (4)
và cơ cấu truyền chuyển động bằng các thanh răng cóc và lò xo đàn
hồi (5)) lắc sang phải. Hệ thống dẫn động kéo vành răng (6) quay
thuận chiều kim đồng hồ. Ở nửa chu kỳ tiếp theo (hồi vị), điện áp
7


dẫn có biên độ bằng 0, hệ thống dầm chữ V được làm nguội và trở về
vị trí cũ, nhờ lực đàn hồi của hệ dầm chữ V và dầm quay cổ đàn hồi
(4), hệ thống dẫn động trở về vị trí ban đầu, nhưng vành răng (6) vẫn
giữ nguyên vị trí vì có cơ cấu chống đảo (7).
Để định vị vành răng khỏi lệch tâm, ta sử dụng các vấu định vị
(8). Với kết cấu này, để rotor quay được thì mỗi nửa chu kỳ dẫn
chuyển vị của thanh răng (9) (cơ cấu truyền chuyển động) phải lớn
hơn một bước răng cóc.
Để tính toán quá trình hoạt động của vi động cơ, ta xuất phát từ
phương trình vi phân truyền nhiệt trong các dầm mảnh, xác định sự
phân bố nhiệt, sự giãn nở dài và lực nhiệt, tiếp đó viết các phương
trình cân bằng mô men xác định được biên độ điện áp dẫn tối thiểu,
cũng như các điều kiện dẫn động của vi động cơ.
2.2 Cải tiến cơ cấu dẫn động của vi động cơ

Hình 2.2 Vi động cơ cải tiến

8


Đối với vi động cơ có thiết kế như trên (Hình 2.1), cơ cấu dẫn
động ngoài phần răng cóc, có sử dụng các lò xo nhằm ép chặt răng
cóc dẫn với vành răng bên ngoài (rotor), tuy nhiên với cấu trúc này
cơ cấu dẫn động phức tạp, các lò xo đàn hồi làm tăng khe hở và giảm
vận tốc thực của động cơ. Để khắc phục điều này, tác giả đề xuất
thiết kế cải tiến cơ cấu dẫn động, giảm số khe hở, lực dẫn động sẽ
được truyền trực tiếp từ bộ kích hoạt đến vành răng bên ngoài qua
thanh răng cóc giúp giảm độ trễ do khe hở và lò xo, tức là giảm trượt
vận tốc góc thực tế của vi động cơ, hình 2.2. Đồng thời với kết cấu
này ta có thể tăng chiều dài của các dầm chữ V trong cơ cấu dẫn
động, điều đó sẽ làm tăng chuyển vị và giảm biên độ điện áp dẫn.
2.3 Xây dựng quy trình và chế tạo thử nghiệm vi động cơ

Hình 2.3 Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ
9


Vi động cơ được chế tạo từ phiến silic kép (Silicon On
Insulator–SOI wafer) sử dụng 1 mặt nạ (single mask) dựa trên công
nghệ MEMS tiêu chuẩn. Trên hình 2.3 là sơ đồ tóm tắt các bước
chính của quy trình gia công các vi động cơ. Các chip sau khi được
chế tạo sẽ được chụp ảnh và khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope), hình 2.4 và 2.5.

Hình 2.4 Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 1

Hình 2.5 Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 2 (cải tiến)
10


CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO VI ĐỘNG CƠ
3.1 Mô hình toán học của vi động cơ
Để đơn giản, ta phân tách mỗi dầm đơn thành k phân đoạn có
l
chiều dài lk  b k . Coi mỗi phân đoạn là đồng nhất, nguồn nhiệt là
tập trung, hình 3.1.

Hình 3.1 Mô tả nguyên lý hoạt động của dầm đơn

Quá trình truyền nhiệt trong dầm đơn lúc này trở thành quá trình
truyền nhiệt qua các vách có chiều dày lk và tiết diện wbtb hệ
phương trình truyền nhiệt được mô tả như sau
 d b (1)

1   1
1
1 
1




b (2)  qb (1) 
 
 b (1) 
Cb   Rbp Rbb (1) Rbw 
Rbb (2)
 dt


 d b (2)

 2
1  1
1 
1

b (1)  

b (3)  qb (2) 


 b (2) 
 Rbb (2) Rbw 
Cb  Rbb (1)
Rbb (3)
 dt








 2
1  1
1 
1
 d b ( k )
b ( k 1)  

s  qb ( k ) 
 b ( k ) 
 dt  C  R
 Rbb ( k ) Rbw 
Rbb ( k )

b 


 bb ( k 1)




 2
1 
 d s  1  1 


 s  qs 

b
(
k
)
 dt
 Rbb ( k ) Rbw 
Cs  Rbs






(3.1)
11


Trong đó: b ( k ) là nhiệt độ tại phân tố thứ k của dầm đơn (beam); s
là nhiệt độ thanh trượt (shuttle); Cb và Cs là nhiệt dung của các phân
tố dầm đơn và thanh trượt
1
(3.2)
Cb  wb lk tb Dc p ; C s  ws ln t s Dc p
2
l
ln  s
R ;R
; R lần lượt là nhiệt trở giữa phân tố dầm
n , bp bb ( k ) bs
và điện cực (Beam- bond pads), giữa các phân tố dầm (Beam –
beam), giữa phân tố dầm thứ k với thanh trượt (Beam – shuttle)
Rbp 

lk
lk
; Rbb ( k ) 
; Rbs  Rbb ( k )
ks ( 0 ) wb tb
ks ( k ) wb tb

(3.3)

Rbw ; Rsw là nhiệt trở giữa dầm với chất nền (Beam- substrate) và
giữa thanh trượt với nền (Shuttle- substrate)
Rbw 

ga
ga
; Rsw 
ka wb lk Sb
ka ws ln S s

(3.4)

Sb và S s là hệ số hình dáng của dầm và thanh trượt:
Sb 



tb  2 g a
t  2g
 1  1; S s  s  a  1  1

wb  tb
ws  ts



(3.5)

qb( k )  ib2 rb( k ) ; qs  is2 rs  ib2 rs Nhiệt lượng do dòng điện ib sinh
ra trong các phân tố dầm thứ k và trong thanh 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 là điện trở của các phân tố dầm đơn thứ k và
thanh trượt; ga khe hở không khí giữa hệ dầm với nền; wb , tb , ws , ts
lần lượt là chiều rộng, chiều cao của các dầm; ks () là hệ số dẫn
nhiệt của vật liệu (silic); ka là hệ số dẫn nhiệt của không khí (là

12


hằng số); c p , D : nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của hệ dầm
(silic). Đặt uk  ib2 Hệ phương trình (3.1) viết dưới dạng ma trận
d b
 A( ) b  B ( )u k
dt

(3.7)

Khi các phân tố dầm bị đốt nóng, chúng sẽ giãn nở và tạo ra
chuyển vị của thanh trượt. Độ chênh nhiệt giữa các phân tố dầm với
nhiệt độ môi trường và sự giãn nở dài của từng 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)
0
 k (k)

1
ws   l ws ( s  0 )

2
Đặt x( k )  lk ( k )   l lk 0 ta có phương xác định sự giãn nở dài
của dầm đơn  x  C 
(3.9)
Kết hợp (3.7) và (3.9) ta có hệ phương trình vi phân trạng thái
mô tả quá trình truyền nhiệt và sự giãn nở dài của dầm đơn:

 d b
 A( )b  B()u k

 dt
 x  C b

(3.10)

Từ hệ phương trình (3.10) ta có thể thấy đối tượng được mô
tả bởi hệ song tuyến (Bilinear System), việc phân tích hệ thống và
thiết kế bộ điều khiển cho những đối tượng này là tương đối phức
tạp, trong khi các thiết bị MEMS thường yêu cầu các bộ điều khiển
đơn giản, nhỏ gọn hơn. Để đơn giản trong quá trình thiết kế bộ điều
khiển, ta có thể sử dụng phương pháp đổi biến số và tuyến tính hóa
quanh điểm làm việc để đưa mô hình đối tượng trở về dạng tuyến
tính tham số hằng.
13


3.2 Thiết kế bộ điều khiển học lặp
Đối với các phương pháp điều khiển truyền thống, cách chọn
các tham số của bộ điều khiển và chất lượng điều khiển phụ thuộc
vào độ chính xác của mô hình toán học. Trong khi lớp đối tượng
đang khảo sát có mô hình tương đối phức tạp, khi phân tích, thiết kế
bộ điều khiển ta thường phải đưa mô hình về dạng gần đúng điều đó
có thể dẫn tới kết quả tính toán, mô phỏng khác nhiều so với thực tế.
Một khó khăn lớn nữa là khi sử dụng các bộ điều khiển thông thường
để có chất lượng tốt nhất thiết phải xác định được tín hiệu phản hồi
để so sánh và hiệu chỉnh hệ thống.

Bộ nhớ + học
,
,

Đối tượng
điều khiển

,

Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ 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 của bộ điều khiển học lặp
14


Điều khiển học lặp (ILC - Iterative learning control) là một bổ
sung tương đối mới vào bộ công cụ của các nhà thiết kế điều
khiển, đặc biệt khắc phục một số vấn đề liên quan đến độ chính xác
của mô hình và phản hồi tín hiệu đầu ra. ILC được biết đến là bộ
điều khiển thông minh (có khả năng học, ghi nhớ) áp dụng cho các
đối tượng làm việc có tính chu kỳ lặp lại và đã được ổn định hóa.
Trong quá trình thiết kế, không nhất thiết phải có mô hình toán chính
xác vì lúc này mô hình toán chỉ dùng để khảo sát tính ổn định và lựa
chọn sơ bộ các tham số ban đầu của bộ điều khiển. Đây là bộ điều
khiển vòng hở (do đó không cần tín hiệu phản hồi trực tiếp), nhưng
vẫn mang tính bền vững và cho chất lượng tin cậy do nó có tính
“học”, “ghi nhớ” các dữ liệu từ quá khứ.
Sơ đồ khối và nguyên lý của các bộ điều khiển học lặp được thể
hiện trên hình 3.2, 3.3.
Nội dung căn bản của ILC là xác định hàm học (hay còn gọi là
thuật học).
uk 1  t   L  uk  1  , ek  2  , t  với 0  τ1 , τ1  T
(3.11)
Của hệ thống điều khiển, mô tả bởi P : u  t   y  t  , hoạt động có
tính chất lặp đi lặp lại trong khoảng thời gian hữu hạn 0  t  T , sao
cho sai lệch ở đầu ra đạt được: ek  t   
(3.12)
Với ε  0 bất kỳ, sẽ được thỏa mãn sau một số lần học hữu hạn
 k  K , trong đó k là số lần học, và ek  t   r  t   yk  t  (3.13)
Là sai lệch ở lần học thứ k , r  t  là tín hiệu đặt mong muốn của
lượng ra P : u  t   y  t  . Do hệ bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V
là ổn định và được ứng dụng trong các hoạt động có tính chu kỳ lặp
đi lặp lại nên việc áp dụng bộ điều khiển ILC là rất phù hợp.
Nguyên tắc hoạt động của thuật học (3.11) bên trên, có thể được
mô tả như sau:
- Ở lần học thứ k toàn bộ tín hiệu đầu vào u k  t  ,  0  t  T được
đưa vào hệ thống để có được tín hiệu đầu ra yk  t  ,  0  t  T .
- Khi kết thúc một chu kỳ học, tín hiệu sai lệch (3.13) được tính
toán và sử dụng để hiệu chỉnh tín hiệu đầu u k 1  t  ,  0  t  T ở lần
15


học tiếp theo (k+1), mà mục tiêu là tạo ra sai lệch nhỏ hơn so với tín
hiệu đầu vào u k  t  (Hình 3.3). Tức là phải thỏa mãn:
ek 1  t   ek  t 

(3.14)

Với k  0,1, Điều đáng chú ý là các điều kiện đầu, điều kiện
biên của hệ thống P : u  t   y  t  , phải được gán giống nhau trong
các lần học.
- Cuối cùng, quá trình học sẽ được lặp đi lặp lại với k  0,1,
cho đến khi điều kiện (3.12) được thỏa mãn.
Một cách biểu diễn khác rất có ý nghĩa của (3.11), có thể được áp
dụng mà không cần kiểm tra điều kiện (3.12), cụ thể là:
uk 1  t   uk  t   l  ek    
(3.15)
Trong đó

0    T và

l  ek      0

nếu

ek      hoặc nếu

ek     0 . Tương tư thuật học (3.11) nhưng thuật học liên tục này

cho phép quá trình học nhanh hơn.
Do thuật học (3.11) được Uchiyama làm cơ sở để đề xuất các khái
niệm đầu tiên về điều khiển học lặp, nên nguyên tắc này đã được
phát triển mạnh mẽ với số lượng lớn các công trình công bố trước
đây. Trong khi đó thuật học (3.15) lại được coi là xu hướng phát
triển trong nhiều công bố gần đây.
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 2 ek  t  ,  0  t  T

(3.17)
(3.18)

Các quy tắc này được gọi là thuật học D và PD. Một trong những
thuật học tuyến tính tổng quát nhất là thuật toán kiểu PID được giới
thiệu trong.
t

uk 1  t   uk  t   K1ek  t   K 2 ek  τ  dτ  K 3 ek  t  ,  0  t  T  (3.19)


0

Tất nhiên, các hệ số K ,  K1 ,  K2 và K3 trong các công thức học
ILC đều phải được xác định phù hợp với điều kiện hội tụ (3.12) hoặc
(3.14)
16


*) Bộ điều khiển cho bộ kích hoạt chữ V
Đối với các bộ kích hoạt nói chung và bộ kích hoạt điện nhiệt nói
riêng, lực và chuyển vị là 2 thông số rất quan trọng để quyết định đến
quá trình hoạt động của chúng. Như chương 2 đã tính toán, phân tích,
lực trong bộ kích hoạt nhiệt thường rất lớn so với các yêu cầu ứng
dụng, điều quan trọng là kiểm soát được chuyển vị. Do đó trong bài
toán này ta sẽ thực hiện điều khiển chuyển vị của đỉnh hệ dầm theo 1
quỹ đạo xác định trước trong khoảng thời gian hữu hạn T.
Với đối tượng được mô hình hóa như (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 các tham số K1  0.08; K 2  0.1; K3  0.1 , kết quả mô phỏng
được thể hiện trong các hình 3.4, 3.5.

Hình 3.4a Đáp ứng đầu ra sau 65 lần học đối với thuật học PID khi
không có nhiễu

17


Hình 3.4b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 65 lần học đối với
thuật học PID khi không có nhiễu tác động

Hình 3.5a Đáp ứng đầu ra sau 48 lần học đối với thuật học PID, nhiễu
ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10%
18


Hình 3.5b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 48 lần học đối với
thuật học PID, nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10%

Nhận xét: Với cả 2 thuật học thì kết quả đầu ra đều dần “bám”
giá trị đặt sau một số hữu hạn lần học, sai số lớn nhất khoảng 0,27
µm (so với biên độ giá trị đặt là 6µm). Thuật học PID cho kết quả
hội tụ nhanh hơn và sai số nhỏ hơn, sai số lớn nhất khoảng 0,13 µm
(so với biên độ giá trị đặt là 6µm). Để có kết quả sai số nhỏ hơn ta có
thể giảm các hệ số K1 , K2 , K3 tuy nhiên khi đó quá trình học sẽ lâu
hơn.
Khi khảo sát với các nhiễu ngẫu nhiên, hệ thống vẫn cho kết quả
hội tụ và bám với tín hiệu đặt mong muốn, điều đó chứng tỏ bộ điều
khiển ILC giúp hệ thống có khả năng kháng nhiễu tốt.
*) Bộ điều khiển cho vi động cơ
Vi động cơ được dẫn động bởi 4 bộ kích hoạt dạng chữ V đồng
bộ nhau. Về mặt lý thuyết, chúng có chuyển vị và lực tác động là như
nhau. Tuy nhiên trong thực tế có thể chúng cho các đáp ứng đầu ra
khác nhau (Do mức độ đồng đều thiết kế cơ khí, vật liệu, tác động
bên ngoài…). Trong bài toàn này, ta lựa chọn phương án sử dụng 4
bộ điều khiển khác nhau, điều khiển cho từng bộ kích hoạt và mong
muốn chuyển vị đầu ra của chúng “bám” chung với 1 quỹ đạo đặt.
19


Bộ điều khiển
V_Shaped 1

Mô hình
V_Shaped 1

Bộ điều khiển
V_Shaped 2

Mô hình
V_Shaped 2

Bộ điều khiển
V_Shaped 3

Mô hình
V_Shaped 3

Bộ điều khiển
V_Shaped 4

Mô hình
V_Shaped 4


hình

men


hình
tốc
độ

Mô hình vi động cơ

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiên vi động cơ

CHƯƠNG 4
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ILC THÔNG
QUA MÔ HÌNH VẬT LÝ SIMSCAPE
Do nhiều hạn chế về thiết bị thí nghiệm, kết nối đồng bộ các hệ
thống đo đạc, xử lý, vào ra dữ liệu tại Việt Nam, tác giả chưa có đầy
đủ thiết bị thí nghiệm để triển khai kiểm chứng các kết quả lý thuyết
đối với hệ thống thực, nên ở nội dung này tác giả thực hiện mô
phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển trên mô hình vật lý được
xây dựng bởi Toolbox Simscape của phần mềm Matlab. Đây là một
bộ công cụ mô phỏng đa trường, cho phép người dùng xây dựng mô
hình đối tượng dựa trên các mô hình vật lý tích hợp sẵn. Đặc biệt
công cụ này cho phép ta xây dựng mô hình chuyển đổi đa trường các
tín hiệu vật lý trên cùng một giao diện giống như thiết kế, lặp đặt các
hệ thống thực.
4.1 Mô hình hóa bộ kích hoạt chữ V bằng simscape.
Từ nguyên lý làm việc trình bày ở phần nguyên lý và mô hình
toán học ta nhận thấy quá trình chuyển đổi năng lượng trong bộ kích
20


hoạt từ điện – nhiệt – cơ, do đó để mô tả quá trình chuyển đổi điện –
nhiệt ta sử dụng phần tử nhiệt điện trở (Thermal Resistor), để mô tả
quá trình truyền nhiệt trong thanh dẫn và quá trình đối lưu nhiệt ra
không khí ta sử dụng các phần tử truyền nhiệt (Conductive Heat
Transfer – Ks1, Ks2...) và đối lưu (Convective Heat Transfer – Ka1,
Ka2...)). Dầm chữ V được phân tách thành k phần tử dọc theo
phương vuông góc với phương chuyển vị của đỉnh dầm, với giả thiết
mỗi phần tử (có chiều dài lk  lb k và tiết diện w b tb ) là đồng nhất và
nhiệt độ phân bố là giống nhau.
Như vậy ta có thể mô hình hóa mỗi phần tử của dầm chữ V như
hình 4.1. Việc phân tách chiều dài dầm thành k phân tố có chiều dài
lk , về mặt lý thuyết lk càng nhỏ thì mô hình càng chính xác, tuy
nhiên số lượng các phần tử lớn khó khăn cho việc xây dựng mô hình
tổng thể và thời gian chạy mô phỏng sẽ lớn hơn. Trong bài toán này
chiều dài mỗi dầm đơn là lb  320 µm, nên tác giả tách mỗi dầm đơn
thành 15 phần tử ( k  15 ), hình 4.1.

Hình 4.1 Mô hình hóa mỗi phần tử trong Simscape

4.2 Mô phỏng điều khiển ILC trên mô hình Simscape
Tương tự như chương 3, ta thực hiện mô phỏng, kiểm nghiệm
thuật toán điều khiển PD và PID với cả trường hợp có nhiễu tác động
và không có nhiễu tác động. Các hệ số của hàm học, dạng tín hiệu
21


Chuyển vị [ m]

đặt và kịch bản mô phỏng được giữ nguyên so với thực hiện trên mô
hình toán.

Sai lệch (e=|y-r|) [ m]

Hình 4.2a Đáp ứng đầu ra sau 62 lần học đối với thuật học PID không có
nhiễu tác động.

22


Hình 4.2b Kết quả và sai lệch sau 62 lần học đối với thuật học PID,
không có nhiễu tác động.

Từ kết quả có thể thấy trong trường hợp không có nhiễu tác
động số lần học tối ưu được xác định là 62, quá trình học lâu hơn so
với mô hình toán, tuy nhiên sai số nhỏ hơn nhiều. Ở vùng làm việc
ổn định tín hiệu ra gần như bám sát giá trị đặt, sai số lớn nhất, xuất
hiện ở sườn xuống của tín hiệu hình thang, có giá trị 0,175µm trong
khi thực hiện trên mô hình toán là 0,28µm. Trung bình tổng bình
phương sai lệch Norm=0,1994, trong khi thực hiện trên mô hình toán
là 0,3013. Điều đó cho thấy thuật toán điều khiển cho chất lượng tốt
đối với cả hai dạng mô hình. Với mô hình Simscape cho đáp ứng tốt
hơn so với mô hình toán. Sự sai khác này có thể được giải thích do
mô hình toán ta đã đơn giản hóa mô hình.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận án giới thiệu tổng quan tình hình nghiên cứu trong và
ngoài nước về lĩnh vực thiết kế, chế tạo vi động cơ trong lĩnh vực
MEMS, phân tích so sánh ưu nhược điểm, tiềm năng ứng dụng của
các loại vi động cơ sử dụng các hiệu ứng kích hoạt khác nhau; Tập
chung phân tích về hiệu ứng giãn nở nhiệt, từ đó định hướng thiết kế
và phát triển các mẫu vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng giãn nở
nhiệt với nhiều ưu điểm nổi trội so với các hiệu ứng khác.
Giới thiệu tổng quan về các phương pháp điều khiển thiết bị
MEMS, phân tích ưu nhược điểm, những hạn chế và các ràng buộc
trong kỹ thuật điều khiển MEMS. Lựa chọn phương pháp điều khiển
học lặp (ILC) khắc phục các hạn chế và phù hợp với lớp các đối
tượng khó xây dựng chính xác mô hình toán học, hoạt động có tính
lặp lại trong khoảng thời gian hưu hạn.
Đề tài đã tính toán, thiết kết 02 mẫu vi động cơ quay có đường
kính cơ bản 2,5mm, được đặt trên các chíp 5 mm x5 mm x484 µm,
có thể quay toàn vòng với dải vận tốc từ 0,085 vòng/phút, tương
ứng với tần số từ 130 Hz. Đối với mẫu vi động cơ ban đầu, theo
tính toán điện áp dẫn tối thiểu là 17,5V. Sau khi cải tiến cơ cấu dẫn
động điện áp dẫn tối thiểu của vi động cơ được giảm xuống là 16V.
Vi động cơ được chế tạo từ phiến silic kép (SOI), bằng phương
pháp gia công vi cơ khối, sử dụng 1 mặt nạ. Kế thừa các kết quả
23


nghiên cứu trước đó của nhóm, bằng các thí nghiệm thực tế đề tài đã
xây dựng được quy trình chế tạo chi tiết đối với các mẫu vi động cơ
này. Các vi động cơ sau khi được chế tạo đã được chụp ảnh và khảo
sát bằng kính hiển vi điện tử quét - SEM (Scanning Electron
Microscope). Kết quả cho thấy các kết cấu có độ sắc nét cao, phản
ánh đúng kết cấu, kích thước theo bản vẽ thiết kế.
Bằng việc phân tách các dầm đơn thành nhiều phân tố giống
nhau dọc theo chiều dài dầm, tác giả đã mô hình hóa thành công bộ
kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V với nhiều tham số ảnh hưởng được
xét tới. Với mô hình dạng này rất thuận lợi cho việc phân tích hệ
thống, thiết kế bộ điều khiển và khảo sát các đặc tính của bộ kích
hoạt chữ V cũng như của vi động cơ. Đây cũng là tính mới độc đáo
của đề tài vì trên thực tế chưa từng có công bố về việc xây dựng mô
hình toán học tiếp cận theo hướng này.
Luận án đã xây dựng bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ.
Khảo sát mô phỏng đối với 2 thuật toán (PD và PID) cho cả trường
hợp có nhiễu và khi không có nhiễu tác động. Kết quả mô phỏng cho
thấy cả 2 thuật toán đều cho đáp ứng tốt, tín hiệu ra “bám” sát tín
hiệu đặt sau một số hữu hạn lần học. Đặc biệt cả 2 thuật toán đều có
khả năng kháng nhiễu. Thuật toán PID cho kết quả tốt hơn thuật toán
PD (quá trình học nhanh hơn và sai số nhỏ hơn).
Do nhiều hạn chế về điều kiện thiết bị thí nghiệm, tính đồng bộ
của hệ thống nên tác giả chưa có điều kiện kiểm nghiệm thuật toán
điều khiển trên mô hình thực. Tác giả lựa chọn kiểm nghiệm mô
phỏng trên mô hình vật lý tương tự như mô hình thực tế. Đây là
phương pháp mô phỏng đã nhiều tác giả lựa chọn, độ tin cậy và tính
chính xác đã được kiểm nghiệm qua nhiều công bố trước đó. Thuật
toán điều khiển ILC cũng cho kết quả tốt và tương tự như kết quả
khảo sát qua mô hình toán. Điều đó có thể khẳng định phương pháp
này phù hợp với đối tượng nghiên cứu và hoàn toàn có tiềm năng
ứng dụng trong thực tiễn.
Trong các công trình nghiên cứu tiếp theo, tác giả sẽ tiếp tục
nghiên cứu xây dựng hệ thống thí nghiệm đồng bộ và thử nghiệm các
thuật toán điều khiển trên mô hình thực tế đồng thời đo đạc, khảo sát
các đặc tính của vi động cơ. Kiểm nghiệm các giá trị đo đạc so với
tính toán và mô phỏng.
24



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×