Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển (Luận án tiến sĩ)

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. PGS.TS. Nguyễn Quang Địch
2. PGS.TS. 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

PGS.TS. Nguyễn Quang Địch

PGS.TS. Phạm Hồng Phúc

Nghiên cứu sinh

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.TS.
Nguyễn Quang Địch, PGS.TS. 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 .............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii
MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ........................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... x
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .........................................................................................1
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .........................................................................1
3. Mục tiêu nghiên cứu ..............................................................................................2

4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................2
5. Những đóng góp mới của luận án..........................................................................2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...............................................................................2
7. Bố cục và nội dung của luận án .............................................................................3
CHƯƠNG 1 ..................................................................................................................... 5
TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN .............................................. 5
1.1 Tổng quan về vi động cơ .....................................................................................5
1.1.1 Giới thiệu chung về vi động cơ (micro motor)................................................ 5
1.1.2 Phân loại .......................................................................................................... 5
1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ..................................................... 5
1.1.4 Nhận xét và định hướng nghiên cứu ............................................................. 19
1.2 Tổng quan về các bộ điều khiển cho vi động cơ ...............................................19
1.2.1 Điều khiển vòng hở ....................................................................................... 20
1.2.2 Điều khiển vòng kín ...................................................................................... 21
1.2.3 Điều khiển vòng kín phản hồi trên chíp ........................................................ 23
1.2.4 Tổng quan về điều khiển bộ kích hoạt điện nhiệt ......................................... 24
1.2.5 Nhận xét và định hướng nghiên cứu ............................................................. 27
iii


1.3 Kết luận chương 1 .............................................................................................27
CHƯƠNG 2 ................................................................................................................... 29
VI ĐỘNG CƠ QUAY SỬ DỤNG HIỆU ỨNG GIÃN NỞ NHIỆT .............................. 29
2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ........................................................................29
2.2 Tính toán động học và động lực học cho vi động cơ ........................................33
2.2.1 Tính toán vận tốc góc trung bình .................................................................. 33
2.2.2 Tính toán nhiệt của dầm chữ V ..................................................................... 33
2.2.3 Tính toán chuyển vị và lực nhiệt của hệ dầm chữ V ..................................... 38
2.2.4 Phân tích lực trong trong quá trình hoạt động của vi động cơ ...................... 45
2.3 Cải tiến cơ cấu dẫn động của vi động cơ ...........................................................52

2.4 Xây dựng quy trình và chế tạo thử nghiệm vi động cơ .....................................53
2.4.1 Tổng quan về công nghệ MEMS ................................................................... 53
2.4.2 Thiết kế chế tạo vi động cơ bằng công nghệ vi cơ khối ................................ 54
2.5 Kết quả chế tạo bước đầu ..................................................................................62
2.6 Kết luận chương 2 .............................................................................................64
CHƯƠNG 3 ................................................................................................................... 66
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO VI ĐỘNG CƠ ................................... 66
3.1 Mô hình toán học của vi động cơ ......................................................................66
3.1.1 Mô hình Điện - Nhiệt .................................................................................... 66
3.1.2 Mô hình Nhiệt - Cơ ....................................................................................... 70
3.1.3 Mô hình toán học bộ kích hoạt dạng dầm chữ V .......................................... 70
3.2 Giới thiệu về điều khiển học lặp ........................................................................71
3.3 Nguyên lý học và điều khiển học ......................................................................74
3.4 Khả năng tồn tại của hàm học ...........................................................................78
3.4.1 Đối với hệ tuyến tính tham số hằng .............................................................. 78
3.4.2 Đối với hệ không liên tục tuyến tính (ổn định) ............................................. 79
3.4.3 Đối với hệ liên tục tuyến tính (ổn định) ........................................................ 79
3.4.4 Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng toán tử ....................................................... 80
iv


3.4.5 Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng phương trình trạng thái ............................. 80
3.5 Thiết kế bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ ..................................................80
3.5.1 Bộ điều khiển ILC cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V .................................. 80
3.5.2 Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ ................................................................ 89
3.6 Kết luận chương 3 .............................................................................................90
CHƯƠNG 4 ................................................................................................................... 91
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ILC THÔNG QUA MÔ HÌNH VẬT
LÝ SIMSCAPE .............................................................................................................. 91
4.1 Giới thiệu công cụ Simscape .............................................................................91

4.2 Mô hình hóa bộ kích hoạt dạng dầm chữ V bằng Simscape .............................94
4.3 Mô phỏng bộ điều khiển học lặp với mô hình Simscape ..................................96
4.3.1 Mô phỏng bộ điều khiển ILC cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V ................. 96
4.3.2 Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ .............................................................. 103
4.3 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 ............................................................................................ 111
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 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
Ý nghĩa tiếng Anh

Ý nghĩa tiếng Việt

STT

Từ viết tắt

1

D-RIE

2

ECA

Electrostatic Comb-drive
Actuator

Bộ kích hoạt răng lược tĩnh
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
System

Hệ thống vi cơ điện tử

8

LIGA

Lithgraphie Galvanofruning und
Abformung

Công nghệ chế tạo vi cơ sử
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

Công nghệ ăn mòn ion hoạt
hóa sâu

Deep Reactive Ion Etching

2. Danh mục các ký hiệu
Ký
hiệu

Đơn vị

1

cp

J/g.0C

2

d

µm

3

D

Kg/m3

4

E

Pa

STT

Ý nghĩa
Nhiệt dung riêng
Chuyển vị của thanh răng cóc
Khối lượng riêng

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

Ff 5

mN

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.0C Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu silic

22

kv

µN/µm

23

lb

µm

Chiều dài dầm đơn

24

lk =

µm

Chiều dài mỗi phân tố dầm đơn

25

ls

µm

Chiều dài thanh đẩy (Shuttle)

26

ln =

µm

Chiều dài mỗi phân tố thanh đẩy ứng với 1 dầm đơn

10

lb
k

ls
n

Lực ma sát giữa đỉnh của dầm chống đảo và bề mặt răng

cóc

Độ cứng của dầm chữ V

vii


27

m1

g

Khối lượng dầm đàn hồi

28

m2

g

Khối lượng của thanh răng cóc

29

m3

g

Khối lượng của bánh răng dẫn

30

m4

g

Khối lượng của bánh răng bị dẫn

31

n

-

Chỉ số tính toán khi khai triển các chuỗi

32

nb

Cặp

Số cặp dầm của hệ dầm dạng chữ V

33

p

µm

Bước răng cóc

34

qv

W/m3

35

qb(k)

W

Nhiệt lượng sinh ra trong phân tố thứ k của dầm đơn

36

qs

W

Nhiệt lượng sinh ra trong phân tố thanh trượt (shuttle)

37

r

µm

Khoảng cách từ điểm đàn hồi đến răng cóc

r1

µm

Khoảng cách từ điểm đàn hồi đến đỉnh dầm bộ kích hoạt
hình chữ V

r2

µm

Khoảng cách từ điểm đàn hồi đến tâm vành bánh răng dẫn

r3

µm

Khoảng cách từ điểm đàn hồi (cổ đàn hồi) đến điểm tiếp
xúc giữa bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn

41

t

s

Biến thời gian

42

T

s

Chu kỳ hoạt động của quỹ đạo đặt

43

Ta

s

Chu kỳ trích mẫu trong quá trình chạy mô phỏng

44

tb

µm

Chiều cao của dầm đơn

45

ts

µm

Chiều cao của thanh trượt (Shuttle)

46

u

V

47

x

µm

Biến không gian theo phương OX

48

wb

µm

Chiều rộng dầm đơn

49

ws

µm

Chiều rộng thanh trượt (Shuttle)

38

39
40

Nhiệt lượng khối sinh ra trong mỗi phân tố dầm

Điện áp

viii


50

∆d

µm

Chuyển vị của đỉnh hệ dầm theo phương OY

51

∆dy

µm

Chuyển vị của dầm đơn theo phương OY

52

∆lb

µm

Sự giãn nở dài của dầm đơn

53

∆lk

µm

Sự giãn nở dài của mỗi phân tố dầm đơn ứng với lk

54

∆ln

µm

Sự giãn nở dài của mỗi phân tố thanh trượt ứng với ln

55

∆rb

Ω

Điện trở của mỗi phân tố dầm đơn ứng với lk

56

∆rb

Ω

Điện trở của mỗi phân tố thanh trượt ứng với ln

57



Độ

Góc nghiêng của hệ dầm so với phương OX

58

l

1/0C

Hệ số giãn nở dài

59



1/0C

Hệ số nhiệt của điện trở suất

60



Độ

Góc nghiêng của răng cóc (=300)

61

0

Ωmm

Điện trở suất tại nhiệt độ 200C

62

t

Ωmm

Điện trở suất của vật liệu silic

63



0

C

Biến nhiệt độ

64

0

0

C

Nhiệt độ môi trường

65

b(k)

0

C

Nhiệt độ của phân tố thứ k trên dầm đơn

66

∆rb(k)

Ω

Điện trở của phân tố thứ k trên dầm đơn

67

∆rs

Ω

Điện trở của các phân tố thanh đẩy ứng với 1 dầm đơn

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh các thông số của một số vi động cơ ................................................. 16
Bảng 2.1 Các thông số hình học và tính chất vật liệu cơ bản của bộ kích hoạt ............. 41
Bảng 2.2 Kết quả tính toán nhiệt độ và chuyển vị đỉnh dầm chữ V .............................. 42
Bảng 2.3 Các thông số cơ bản của vi động cơ được thiết kế, chế tạo ............................ 64

ix


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng [13] ................................................. 6
Hình 1.2 Hoạt động của vi động cơ bước tuyến tính [14] ............................................. 7
Hình 1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ bước 3 pha [18] ............................................ 8
Hình 1.4 Hình ảnh chế tạo của động cơ bước 3 pha [18] ................................................ 8
Hình 1.5 Cấu tạo vi động cơ quay một chiều sử dụng hiệu ứng tĩnh điện [15] ............... 9

Hình 1.6 Một loại vi động cơ điện từ tuyến tính [26] ................................................... 10
Hình 1.7 Vi động cơ 4 pha ứng dụng hiệu ứng điện từ [23] .......................................... 11
Hình 1.8 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ X [40] ............................................... 12
Hình 1.9 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ Z [34]................................................. 13
Hình 1.10 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V (V-shaped actuator) [30] ........... 14
Hình 1.11 Vi động cơ tuyến tính sử dụng bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V [31]
........................................................................................................................................ 14
Hình 1.12 Sơ đồ mô tả các bộ điều khiển vòng hở ........................................................ 20
Hình 1.13 Sơ đồ mô tả các bộ điều khiển vòng kín ....................................................... 21
Hình 1.14 Sơ đồ điều khiển cảm biến gia tốc [59]......................................................... 22
Hình 1.15 Hình ảnh chụp SEM của vi công tắc chuyển mạch cáp quang [62] ............. 23
Hình 1.16 Sơ đồ cấu trúc và mạch điều khiển của bộ chuyển đổi tần số vô tuyến (RF)
(a) và các lớp cấu trúc tích hợp của thiết bị (b) [66]. ..................................................... 24
Hình 1.17 Nguyên lý hoạt động và cơ chế phản hồi của bộ kích hoạt dạng dầm chữ V
[5] ................................................................................................................................... 25
Hình 1.18 Bộ kích hoạt điện nhiệt tích hợp cảm biến điện dung và sơ đồ mạch điều
khiển PI [72] ................................................................................................................... 26
Hình 1.19 Nguyên lý phản hồi (a) và ảnh chụp SEM bộ kích hoạt (b) [73] .................. 26
Hình 2.1 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V ........................................................ 29
Hình 2.2 Cấu tạo vi động cơ quay sử dụng các bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V
........................................................................................................................................ 30
Hình 2.3 Cơ cấu truyền chuyển động............................................................................. 30
Hình 2.4 Cấu tạo cơ cấu chống đảo chiều ...................................................................... 31
x


Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý cấp nguồn cho vi động cơ .................................................... 32
Hình 2.6 Mô hình đơn giản hóa dầm chữ V để xác định nhiệt độ phân bố trên dầm .... 33
Hình 2.7 Mô tả tính toán chuyển vị của đỉnh hệ dầm chữ V ......................................... 40
Hình 2.8 Sự phân bố của nhiệt độ trên dầm theo thời gian và không gian .................... 42

Hình 2.9 Nhiệt độ phân bố trên dầm ứng với điện áp U=20V khi mô phỏng bằng
ANSYS ........................................................................................................................... 43
Hình 2.10 Đồ thị so sánh nhiệt độ của đỉnh dầm chữ V giữa tính toán và mô phỏng
ANSYS ........................................................................................................................... 43
Hình 2.11 Chuyển vị của hệ dầm ứng với biên độ điện áp U=20V khi mô phỏng
ANSYS ........................................................................................................................... 44
Hình 2.12 Đồ thị so sánh chuyển vị của đỉnh dầm chữ V giữa tính toán và mô phỏng
bằng ANSYS .................................................................................................................. 44
Hình 2.13 Sơ đồ tính lực dẫn động ................................................................................ 45
Hình 2.14 Mô hình xác định chuyển vị tương đương của một dầm đơn ....................... 46
Hình 2.15 Sơ đồ tính chuyển vị d ' .............................................................................. 47
Hình 2.16 Phân tích lực chu kỳ dẫn động ...................................................................... 47
Hình 2.17 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị ............................................................... 50
Hình 2.18 Sơ đồ cấu tạo vi động cơ cải tiến .................................................................. 52
Hình 2.19 Kích thước của thiết bị MEMS trong tương quan đơn vị mét [74] .............. 54
Hình 2.20 Chíp tích hợp các thiết bị MEMS [74] .......................................................... 54
Hình 2.21 Thiết kế tổng thể mặt nạ và các mẫu vi động cơ........................................... 55
Hình 2.22 Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ ............................................................ 56
Hình 2.23 Phiến silic kép SOI ........................................................................................ 57
Hình 2.24 Quá trình quang khắc - www.bs.ac/physics/fabrication ............................... 57
........................................................................................................................................ 58
Hình 2.25 Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI ................................................ 58
Hình 2.26 Quá trình ăn mòn khô D-RIE ........................................................................ 60
Hình 2.27 Quá trình ăn mòn trong hơi axit HF .............................................................. 61
Hình 2.28 Linh kiện thu được sau quá trình ăn mòn trong hơi axit HF ......................... 62
xi


Hình 2.29 Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 1 .................................................. 63
Hình 2.30 Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 2 (cải tiến) ................................... 63

Hình 3.1 Mô hình bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V .................................................. 66
Hình 3.2 Mô tả nguyên lý hoạt động của dầm đơn ........................................................ 67
Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển học lặp (ILC) .......................................................... 74
Hình 3.4 Ví dụ về thuật toán xác định tín hiều điều khiển trong ILC ........................... 75
Hình 3.5 Trình tự quá trình xây dựng bộ điều khiển ILC .............................................. 76
Hình 3.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V ......................... 81
Hình 3.7 Quá trình học đối với thuật học PD khi không có nhiễu................................. 82
Hình 3.8a Đáp ứng đầu ra sau 80 lần học đối với thuật học PD khi không có nhiễu ... 82
Hình 3.8b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 80 lần học đối với thuật học PD
khi không có nhiễu ......................................................................................................... 83
Hình 3.9 Quá trình học đối với thuật học PD khi có tác động của nhiễu đầu ra với biên
độ khoảng 10% giá trị đặt .............................................................................................. 84
Hình 3.10a Đáp ứng đầu ra sau 84 lần học đối với thuật học PD, nhiễu ngẫu nhiên có
biên độ khoảng 10% ....................................................................................................... 84
Hình 3.10b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 84 lần học đối với thuật học PD,
nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% ..................................................................... 85
Hình 3.11 Quá trình học đối với thuật học PID khi không có nhiễu ............................ 86
Hình 3.12a Đáp ứng đầu ra sau 65 lần học đối với thuật học PID khi không có nhiễu . 86
Hình 3.12b 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 ................................................................................... 87
Hình 3.13 Quá trình học đối với thuật học PID khi không có tác động của nhiễu đầu ra
với biên độ khoảng 10% giá trị đặt ................................................................................ 87
Hình 3.14a Đáp ứng đầu ra sau 48 lần học đối với thuật học PID, nhiễu ngẫu nhiên có
biên độ khoảng 10% ....................................................................................................... 88
Hình 3.14b 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% ............................................................. 88
Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiên vi động cơ ......................................................... 89
Hình 4.1 Giao diện thư viên Simscape trong Simulink ................................................. 92
xii

Hình 4.2 Các phần tử cơ bản thuộc lĩnh vực điện của thư viện Simscape ..................... 93
Hình 4.3 Các phần tử mô tả quá trình điện nhiệt trong hệ dầm ..................................... 94
Hình 4.4 Mô hình hóa một phân tố dầm trong Simscape .............................................. 94
Hình 4.5 Mô hình Simscape của hệ dầm chữ V ............................................................. 95
Hình 4.6 Đáp ứng nhiệt độ lớn nhất và nhiệt độ trung bình của hệ dầm chữ V với điện
áp 1 chiều biên độ 20V................................................................................................... 96
Hình 4.7 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PD khi không
có nhiễu tác động ........................................................................................................... 97
Hình 4.8a Đáp ứng đầu ra sau 100 lần học đối với thuật học PD không có nhiễu tác
động. ............................................................................................................................... 97
Hình 4.8b Sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và giá trị đặt sau 100 lần học đối với thuật học
PD không có nhiễu tác động. ......................................................................................... 98
Hình 4.9 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PD khi có
nhiễu tác động với biên độ khoảng10% giá trị đặt......................................................... 98
Hình 4.10a Đáp ứng đầu ra sau 85 lần học đối với thuật học PD nhiễu ngẫu nhiên có
biên độ khoảng 10%. ...................................................................................................... 99
Hình 4.10b Sai lệch giữa tín hiệu đầu ra với giá trị đặt sau 85 lần học đối với thuật học
PD nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10%. .............................................................. 99
Hình 4.11 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PID khi
không có nhiễu tác động .............................................................................................. 100
Hình 4.12a Đáp ứng đầu ra sau 62 lần học đối với thuật học PID không có nhiễu tác
động. ............................................................................................................................. 100
Hình 4.12b Kết quả và sai lệch sau 62 lần học đối với thuật học PID, tín hiệu đặt dạng
hình thang, không có nhiễu tác động. .......................................................................... 101
Hình 4.13 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PID khi có
nhiễu tác động .............................................................................................................. 101
Hình 4.14a Đáp ứng đầu ra sau 54 lần học đối với thuật học PID khi có tác động của
nhiễu ngẫu nhiên, biên độ khoảng 10%. ...................................................................... 102
Hình 4.14b Sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đặt sau 54 lần học đối với thuật học

PID nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10%. ........................................................... 102
xiii


Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiên vi động cơ ....................................................... 103
Hình 4.16 Giả thiết sự sai khác đáp ứng đầu ra giữa các bộ kích hoạt khi chung tác
động đầu vào. ............................................................................................................... 104
Hình 4.17 Đáp ứng đầu ra của 4 bộ kích hoạt sau 50 lần học đối với thuật học PID .. 105
Hình 4.18 Sai số giữa đáp ứng đầu ra của 4 bộ kích hoạt với tín hiệu đặt sau 50 lần học
đối với thuật học PID ................................................................................................... 105

xiv


MỞ ĐẦU
1. 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. Các bộ kích hoạt/chấp hành kích cỡ micro (micro actuator), các vi động cơ (micro
motor) cùng với các vi robot là những thành phần quan trọng không thể thiếu trong hệ
thống vận chuyển, phân loại và lắp ghép những vi mẫu trong các hệ vi vận tải, hệ vi
phân tích tổng hợp, hệ phân tích sinh hóa hay các vi chuyển động trong nhiều lĩnh vực
khác. 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, hoạt động trong phạm vi 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. Cho đến nay, đại
đa số các nghiên cứu chỉ tập trung vào phân tích, lựa chọn vật liệu, công nghệ gia công,
tính toán, mô phỏng và thiết kế chế tạo nhằm phục vụ cho các đối tượng với những ứng
dụng cụ thể. Rất ít các đối tượng MEMS được thiết kế, chế tạo và giải quyết triệt để
các bài toán trong ứng dụng, đặc biệt bài toán điều khiển đối với các vi kết cấu này
chưa nhận được những quan tâm thích đáng. 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 dựa
trên các trang thiết bị và điều kiện thí nghiệm tại Việt Nam; xây dựng mô hình toán
học và lựa chọn thiết kế bộ điều khiển phù hợp với lớp đối tượng nghiên cứu.

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
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.

1


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 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.

3. 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.

4. 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.

5. Những đóng góp mới của luận án
- Đề tài đã phát triển được 02 mẫu vi động cơ quay có đường kính cơ bản
2,5mm. Động cơ có thể quay toàn vòng với dải vận tốc từ 0,08÷5 vòng/phút - tương
ứng với tần số từ 1÷30 Hz. Công suất đầu ra từ 2÷50 mW. Mỗi vi động cơ được được
đặt trên các chíp 5 mm x5 mm x484 µm và được chế tạo từ phiến silic kép (SOI) theo
quy trình gia công vi cơ khối (Bulk – micromachining) sử dụng 1 mặt nạ (single mask)
phù hợp với 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 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.
- 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
2

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.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
*) Ý nghĩa khoa học
Từ cách tiếp cận phân tích tổng quan những công bố trong khoảng 30 năm trở
lại đây về các loại vi động cơ, đánh giá ưu nhược điểm của từng loại và định hướng
nghiên cứu thiết kế các mẫu vi động cơ mới, khắc phục một số khó khăn, hạn chế của
các vi động cơ trước đó. 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…
Kết quả luận án đã giải quyết tương đối đầy đủ các bước thiết kế, phân tích hệ
thống (Từ tính toán thiết kế, chế tạo, mô hình hóa, phân tích và thiết kế bộ điều khiển).
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.

7. Bố cục và nội dung của luận án

Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung có các nội dung chính như sau:
Chương 1: Đánh giá tình hình nghiên cứu, chế tạo, tiềm năng ứng dụng của các
vi động cơ trong nước và trên thế giới. Dự báo xu hướng phát triển trong thời gian tới
và năng lực thích ứng, khả năng ứng dụng các vi động cơ sử dụng hiệu ứng giãn nở
nhiệt trong tương lại gần. Phân tích ưu nhược điểm, khả năng áp dụng các phương
pháp điều khiển đối với các linh kiện MEMS qua đó lựa chọn phương pháp điều khiển
3


học lặp cho các đối tượng MEMS làm việc ổn định và có tính chu kỳ lặp lại trong thời
gian hữu hạn.
Chương 2: Tính toán thiết kế một mẫu vi động cơ quay một chiều, sử dụng bộ
kích hoạt dạng chữ V. Đưa ra sơ đồ nguyên lý, các tính toán cơ bản, phân tích các ưu
nhược điểm và đề xuất mẫu vi động cơ cải tiến. Xây dựng quy trình chế tạo dựa trên
quy trình chế tạo các thiết bị MEMS tiêu chuẩn và các trang thiết bị hiện có tại Viện
Đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS), Đại học Bách khoa Hà Nội.
Chương 3: Xây dựng mô hình toán học cho vi động cơ với đầy đủ các tham số
ảnh hưởng, làm cơ sở để phân tích, thiết kế hệ điều khiển và tiếp tục khảo sát các đặc
tính của vi động cơ. Giới thiệu về điều khiển học lặp và thiết kế bộ điều khiển cho vi
động cơ.
Chương 4: Tìm hiểu và kiểm nghiệm mô phỏng thuật toán điều khiển trên mô
hình Simscape tương tự như mô hình thực tế.
Phần kết luận đưa ra những nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được
của luận án. Bình luận về ý nghĩa khoa học, thực tiễn của các kết quả nghiên cứu.
Đồng thời cũng chỉ ra những khó khăn, hạn chế và đề xuất, định hướng cho các nghiên
cứu tiếp theo.

4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN
1.1 Tổng quan về vi động cơ
1.1.1 Giới thiệu chung về vi động cơ (micro motor)
Động cơ là một thiết bị cung cấp năng lượng và dẫn động hệ thống. Động cơ
được sử dụng rộng rãi trong các máy móc như ô tô, máy công cụ gia công, thiết bị văn
phòng…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. Hiện nay vi động cơ đã và đang được
nghiên cứu với 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, …
1.1.2 Phân loại
Có nhiều cách phân loại vi động cơ và cũng đã có nhiều tác giả đưa ra các quan
điểm, tiêu chí khác nhau để phân loại [1]. Tuy nhiên đại đa số các tác giả đồng ý phân
loại theo các tiêu chí cơ bản như [2]:
+ Theo hiệu ứng kích hoạt ta có vi động cơ tĩnh điện, áp điện, điện từ, giãn nở
nhiệt, sử dụng hợp kim nhớ hình hoặc phối hợp nhiều hiệu ứng khác nhau.
+ Theo chuyển động ta có vi động cơ tuyến tính (chuyển động thẳng), vi động
cơ quay (chuyển động quay một chiều hoặc hai chiều) và động cơ phối hợp các chuyển
động trên.
1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Lần đầu tiên vi động cơ tĩnh điện (Electrostatic motor) được công bố vào năm
1967 [3]. Nhưng những động cơ này đã không thu hút được sự nghiên cứu của các nhà
khoa học cho đến thập niên 80 của thế kỷ XX, khi họ bắt đầu chế tạo các thiết bị với
kích thước cỡ micro-mét. Trong khoảng 20 năm trở lại đây, với sự phát triển nhanh
chóng của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS - Micro-Electro-Mechanical System), các
bộ vi kích hoạt, vi động cơ đã được nghiên cứu, khai thác và ứng dụng rất rộng rãi.
Kích thước và kết cấu ngày càng nhỏ gọn, đơn giản trong khi lực tác động, vận tốc và
hiệu suất ngày càng được nâng cao.

5


a. Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện
Các vi động cơ ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện được phát triển sớm và chiếm ưu
thế trong lĩnh vực thiết kế, ứng dụng trong giai đoạn đầu phát triển của thiết bị MEMS.
Động cơ bước tĩnh điện truyền thống với rotor chuyển động tự do quanh trục stator là
các điện cực cố định đã được đề cập đến trong các tài liệu [4]-[6]. Một kiểu kích hoạt
tĩnh điện khác, đó là tạo các dao động điều hòa được sử dụng trong các động cơ lắc
(rung) [7], [8], ở đó rotor liện hệ (tiếp xúc) với stator bởi các điểm lăn (điểm tỳ). Năm
1989, Tang công bố một nghiên cứu về bộ kích hoạt răng lược (ECA - comb-driver
actuator) [9]. Cho đến nay, đã có số lượng lớn các vi động cơ cũng như vi cơ cấu sử
dụng bộ kích hoạt răng lược. Bộ kích hoạt răng lược có thể sử dụng cho cả vi động cơ
tuyến tính [9]-[11] và vi động cơ quay [12]-[17]. Nói chung, các cơ cấu sử dụng bộ
kích hoạt tĩnh điện có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và dễ tích hợp với các cơ cấu silíc
khác. Nhược điểm cơ bản là điện áp làm việc lớn nên vấn đề cách điện cũng như tích
hợp các nguồn nuôi gặp nhiều khó khăn. Một vài mẫu vi động cơ điển hình có thể kể
đến như trong [13]- [20].
Nhiều động cơ tĩnh điện tuyến tính được thiết kế dựa vào nguyên lý hoạt động
của bộ kích hoạt kiểu răng lược. Bộ kích hoạt này gồm nhiều răng đặt song song và
cách đều nhau giống như các bản tụ điện nối song song nhau, chúng gồm phần cố định
và phần chuyển động. Khi đặt điện áp vào các điện cực, lực tiếp tuyến hoặc pháp tuyến
giữa các bản tụ tạo ra chuyển động tịnh tiến của động cơ. Hình 1.1 thể hiện ứng dụng
của của bộ kích hoạt này trong dẫn động các chuyển động thẳng [13].
Phần cố định

Phần chuyển động
Hình 1.1 Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng [13]

6

N.R. Tas [14] đã đề xuất một loại vi động cơ bước dựa trên hiệu ứng tĩnh điện,
nguyên lý hoạt động được thể hiện trên Hình 1.2.
Trong pha chuyển động đầu tiên, bộ kích hoạt kẹp (clamp actuator) chuyển động
ngược chiều trục OY kẹp thanh trượt (rotor). Sau đó bộ kích hoạt kéo (pull actuator)
kéo thanh trượt chuyển động sang phải (theo phương OX). Trong pha chuyển động tiếp
theo, cặp kích hoạt kẹp-đẩy phía dưới phối hợp nhau tạo ra chuyển vị tịnh tiến tiếp theo
sang phải. Cứ như vậy thanh trượt chuyển động từng bước nhỏ trên đường thẳng nên
gọi là động cơ bước tuyến tính (hay động cơ sâu đo).
Điện cực cố định

Bộ kích hoạt kẹp

Bộ kích hoạt kéo

y

O

x

Hình 1.2 Hoạt động của vi động cơ bước tuyến tính [14]

Năm 2010, tác giả Edin Sarajlic và các đồng nghiệp đã thiết kế, chế tạo thành
công loại động cơ tĩnh điện 3 pha dạng động cơ bước, ứng dụng trong các đầu đĩa đọc
ghi, ổ đĩa cứng, máy ghi âm [18] … Cấu tạo và nguyên lý của loại động cơ này cũng sử
dụng hiệu ứng tĩnh điện tương tự như các động cơ đã trình bày ở trên.
Rotor và stator đều có kết cấu dạng cực lồi, vị trí cực của rotor và stator được
sắp xếp lệch nhau và số cực được tính toán theo một tỉ lệ nhất định. Các cực phía rotor

được nối với điện cực âm, hệ thống điện cực phía stator được thiết kế là 3 pha đối
xứng. Khi cấp nguồn điện áp lần lượt vào các pha, lực điện từ giữa các điện cực sẽ kéo
rotor quay, tùy theo thứ tự cấp nguồn cho các pha mà rotor có thể quay thuận hoặc
ngược.
7


Hình 1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ bước 3 pha [18]

Vi động cơ được chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối và ăn mòn sâu khô (Hình
1.4), đường kính động cơ là 1,4 mm có thể quay 2 chiều với góc quay là ±130 và có thể
điều khiển chính xác tới 1/480. Loại vi động cơ này đã được ứng dụng rộng rãi trong
các ổ đĩa đọc ghi, thiết bị ổ cứng, máy ghi âm…
Ưu điểm của động cơ này là có thể điều khiển quay 2 chiều chính xác, nguyên
lý và luật điều khiển tương đối đơn giản. Nhưng nhược điểm là điện áp sử dụng tương
đối cao (75V), góc quay hẹp (±130 ) nên việc mở rộng khả năng ứng dụng còn hạn chế.

Hình 1.4 Hình ảnh chế tạo của động cơ bước 3 pha [18]

Một thời gian sau nhóm tác giả đã cải tiến loại động cơ này để mở rộng góc
quay (±150 ) và giảm thấp điện áp làm việc (60 V) [19].
Năm 2012, tác giả Phạm Hồng Phúc cùng các đồng nghiệp đã đưa ra thiết kế vi
động cơ quay truyền động dạng răng cóc (micro Ratcheting Transmission Systems) sử
dụng cơ cấu răng cóc truyền động một chiều [15], [20].
Hình 1.5 là cấu hình của động cơ này, trong đó phần cố định (1) và (2) được đặt
làm hai điện cực khi vi động cơ làm việc. Do tích chất của bộ kích hoạt răng lược dạng
răng cong, lực tiếp tuyến giữa các bản điện cực sẽ đẩy bốn thanh dầm dẫn động quay
8

theo chiều kim đồng hồ quanh điểm đàn hồi có bề dày nhỏ (4µm) nối giữa thanh dầm
dẫn động và cực (2). Thông qua hệ thống truyền động (4) mà chuyển động này được
truyền sang vành răng (5) và chuyển động được dẫn động ra ngoài. Chú ý rằng khi
thanh dầm dẫn động chuyển động ngược lại vị trí ban đầu thì hệ thống cóc hãm (3) lúc
ấy đóng vai trò cản trở sự di chuyển ngược chiều kim đồng hồ của vành răng ngoài.
Động cơ này có ưu điểm chế tạo đơn giản (một lớp), mạch điều khiển đơn giản.
Tuy nhiên động cơ chỉ quay một chiều và có trượt khi tần số hoạt động tăng lên, dải tần
số làm việc tin cậy là từ 030 Hz.

1.
2.
3.
4.
5.

Cực cố định
Cực di động
Cơ cấu chống đảo
Cơ cấu truyền động
Vành răng (rotor)

Hình 1.5 Cấu tạo vi động cơ quay một chiều sử dụng hiệu ứng tĩnh điện [15]

b. Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng điện từ
Bộ kích hoạt điện từ có thể cho tỷ trọng công suất cao hơn và chuyển động trơn
hơn các bộ kích hoạt tĩnh điện. Phần lớn các bộ kích hoạt điện từ sử dụng để tạo
chuyển động thẳng [21], [22] vì nó phù hợp với các hệ thống vi cơ dài và cũng đã có
một số nghiên cứu về các loại vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng điện từ [23]-[25]. Ưu
điểm của những loại động cơ này là có kết cấu, nguyên lý điều khiển giống với các
động cơ điện thông thường, có thể áp dụng nhiều luật điều khiển khác nhau cho chất

9