Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại, các quá trình sản xuất và quản lý tự động hóa ngày càng đòi hỏi mức độ tích hợp cao. Các hệ thống đo lường điều khiển tự động trong sản xuất công nghiệp, thông tin di động, truyền thông vệ tinh, cơ sở dữ liệu và thiết bị y tế hiện đại đều là thành quả của sự giao thoa giữa các lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Các bộ vi xử lý và vi điều khiển đã đóng vai trò cốt lõi trong việc điều khiển thiết bị và xử lý tín hiệu thời gian thực từ rất sớm trên thế giới.

Tuy nhiên, tại Việt Nam ở thời điểm tác giả thực hiện nghiên cứu, việc tiếp cận và ứng dụng các dòng vi điều khiển 32-bit tiên tiến vẫn còn những hạn chế nhất định. Việc nghiên cứu và ứng dụng các vi xử lý, vi điều khiển hiệu năng cao phần lớn tập trung ở các khu công nghệ cao, viện nghiên cứu chuyên ngành hoặc các trường đại học nhóm đầu. Đa phần các hệ thống công nghiệp vừa và nhỏ vẫn sử dụng các dòng điều khiển 8-bit hoặc 16-bit truyền thống, vốn gặp hạn chế về tốc độ tính toán, dung lượng bộ nhớ cũng như khả năng tích hợp các khối ngoại vi điều khiển động cơ chuyên biệt. Nhận thấy yêu cầu cấp thiết của việc làm chủ công nghệ điều khiển hiện đại, tác giả Đinh Hữu Mạnh đã chọn đề tài: "Điều khiển động cơ 1 chiều sử dụng vi xử lý STM32F4".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về kiến trúc vi xử lý và họ vi điều khiển 32-bit STM32 trên nền tảng lõi ARM Cortex, trọng tâm là dòng STM32F4.
  2. Khảo sát cấu tạo, nguyên lý làm việc và xây dựng mô hình toán học, phương trình đặc tính cơ - điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
  3. Phân tích các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều làm cơ sở thiết kế thuật toán điều khiển.
  4. Thiết kế phần cứng mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển STM32F407 kết hợp khối hiển thị và giao tiếp.
  5. Xây dựng phần mềm nhúng cấu hình các khối ngoại vi (Timer, PWM, ngắt ngoại vi EXTI, ngắt định thời) và cài đặt giải thuật điều khiển tốc độ (PID) trên môi trường phát triển của hãng STMicroelectronics.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển vi xử lý nhúng STM32F407.
  • Không gian thực hiện: Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng.
  • Thời gian nghiên cứu: Đề tài được giao ngày 12 tháng 10 năm 2020 và hoàn thành nghiệm thu trước ngày 31 tháng 12 năm 2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết truyền động điện và kỹ thuật vi xử lý - điều khiển nhúng:

  • Lý thuyết kiến trúc máy tính và vi điều khiển: Phân tích sự khác biệt giữa hai kiến trúc bộ nhớ chính là Von-Neumann (dùng chung bus bộ nhớ chương trình và dữ liệu) và Harvard (tách biệt bus dữ liệu và bus chương trình, được ứng dụng trong các chip như ATmega328, ATmega168); phân tích hai tập lệnh CISC (Complex Instruction Set Computer) với lệnh phức tạp, tốn chu kỳ thực thi và RISC (Reduced Instruction Set Computer) với tập lệnh rút gọn, tốc độ thực thi cao, phù hợp cho các hệ thống nhúng.
  • Lý thuyết máy điện một chiều và truyền động điện: Dựa trên các định luật cảm ứng điện từ và quy tắc bàn tay trái để mô tả quá trình chuyển đổi năng lượng cơ - điện; thiết lập hệ phương trình vi phân và phương trình đại số mô tả đặc tính cơ điện và đặc tính cơ tĩnh của động cơ một chiều kích từ độc lập.
  • Lý thuyết điều khiển tự động: Ứng dụng giải thuật điều khiển phản hồi vòng kín PID với ba thành phần tỷ lệ ($K_p$), tích phân ($K_i$) và vi phân ($K_d$) để điều chỉnh giá trị PWM cấp cho động cơ nhằm triệt tiêu sai lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ thực.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai trong đồ án:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập, phân tích tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất STMicroelectronics về họ vi điều khiển STM32; tổng hợp các mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập từ giáo trình truyền động điện.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý phần cứng, phân bổ chân điều khiển cho vi điều khiển STM32F407; tính toán phối ghép các khối giao tiếp hiển thị và khối đo lường phản hồi.
  • Phương pháp thực nghiệm và lập trình nhúng: Sử dụng bộ thư viện chuẩn STM32 HAL (Hardware Abstraction Layer), thiết lập cấu hình các ngắt thời gian thực (EXTI0, TIM2) và tinh chỉnh tham số bộ điều khiển PID dựa trên quan sát đáp ứng thực nghiệm.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm:

  • Datasheet, Reference Manual của dòng vi điều khiển STM32F4 từ STMicroelectronics.
  • Giáo trình và tài liệu chuyên ngành về Máy điện, Truyền động điện và Lý thuyết Điều khiển tự động.
  • Dữ liệu thu thập trực tiếp từ mô hình phần cứng thực nghiệm trong quá trình vận hành từ dải $0000$ đến $3400$ vòng/phút.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu dòng vi điều khiển STM32

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm nền tảng về phần cứng vi xử lý và vi điều khiển, đồng thời phân tích chi tiết cấu trúc phần cứng của dòng vi điều khiển 32-bit STM32.

Tác giả phân định rõ:

  • Bộ vi xử lý (Microprocessor): Là CPU đóng vai trò xử lý tính toán, thực hiện phép toán logic và điều khiển hệ thống; vi xử lý 4-bit đầu tiên được Intel thương mại hóa vào tháng 11/1971 mang tên 4004. Vi xử lý xử lý các dữ liệu vào/ra với thiết bị ngoại vi rời thông qua hệ thống bus ngoài.
  • Bộ vi điều khiển (Microcontroller): Là một máy tính tích hợp trên một vi mạch (IC), bao gồm CPU, bộ nhớ (RAM, ROM/Flash), các khối ngoại vi xuất nhập (I/O), bộ định thời (timers), bộ đếm (counters) và các khối truyền thông (UART, SPI, I2C, ADC, DAC, USB, CAN). Hầu hết các vi điều khiển hiện đại đều sử dụng cấu trúc RISC (trừ một số dòng truyền thống dùng CISC như 8051, Motorola).

Về dòng chip STM32 của hãng STMicroelectronics:

  • Lõi xử lý: Dựa trên kiến trúc ARM Cortex thế hệ mới, cải tiến từ lõi ARM7 truyền thống. STM32 mang lại ưu thế chi phí và hiệu năng cao (price/performance), với giá thành xấp xỉ 1 Euro khi sản xuất số lượng lớn, cạnh tranh trực tiếp với các dòng vi điều khiển 8-bit và 16-bit.
  • Phân nhánh ban đầu: Chia thành hai nhánh chính tương thích hoàn toàn về sơ đồ chân (pin layout) và phần mềm:
    • Nhánh Performance: Tần số xung nhịp tối đa lên tới 72MHz, tích hợp đầy đủ ngoại vi.
    • Nhánh Access: Tần số hoạt động tối đa 36MHz, số lượng ngoại vi thu gọn.
    • Bộ nhớ Flash ROM có thể lên tới 512KB và SRAM đạt 64KB (đối với các dòng dẫn xuất ban đầu).
  • Các khối ngoại vi tích hợp chuyên sâu:
    • Bộ chuyển đổi ADC 12-bit tích hợp cảm biến nhiệt độ nội để tự động hiệu chuẩn sai số theo nhiệt độ môi trường.
    • Timer đa chức năng: Mỗi timer có 4 khối capture/compare cho phép đo tín hiệu vào và tạo dạng sóng ngõ ra. Có khối timer cao cấp hỗ trợ chuyên dụng cho điều khiển động cơ với 6 ngõ ra PWM có chèn thời gian chết (dead-time lập trình được) và ngõ vào dừng khẩn cấp (break input) để đưa tín hiệu PWM về trạng thái an toàn ngay lập tức.
    • Ngoại vi SPI tích hợp sẵn khối tính toán kiểm tra mã dư thừa tuần hoàn (CRC) bằng phần cứng cho các từ dữ liệu 8-bit và 16-bit, hỗ trợ kết nối thẻ nhớ SD/MMC.
    • Bộ điều khiển truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA): Hỗ trợ tối đa 12 kênh DMA với kích thước truyền 8, 16 hoặc 32-bit, kết hợp bộ phân xử bus (bus arbiter) và ma trận bus (bus matrix) triệt tiêu sự tranh chấp giữa CPU và các kênh DMA.
    • Quản lý nguồn: Điện áp hoạt động từ 2V, dòng tiêu thụ chỉ 36mA khi chạy ở 72MHz với toàn bộ ngoại vi kích hoạt; chế độ Standby chỉ tiêu thụ 2µA. Bộ dao động nội RC 8MHz hỗ trợ khởi động nhanh khỏi trạng thái tiết kiệm điện.
    • Cơ chế an toàn và bảo mật: Tích hợp bộ phát hiện điện áp thấp, bảo vệ xung clock (Clock Security System - tự động chuyển sang dao động nội RC 8MHz nếu thạch anh ngoài gặp sự cố), hai bộ giám sát watchdog (Windowed Watchdog - WWDG và Independent Watchdog - IWDG). Tính năng khóa bảo vệ đọc/ghi bộ nhớ Flash ngăn sao chép mã qua cổng Debug; khối RTC và SRAM nuôi bằng pin có ngõ vào chống xâm nhập (anti-tamper input) tự động kích hoạt ngắt và xóa dữ liệu khi bị can thiệp trái phép.
    • Cơ chế gỡ lỗi: Tích hợp hệ thống CoreSight hỗ trợ chuẩn nạp JTAG hoặc giao diện 2 dây SWD (Serial Wire Debug), cung cấp khối quan sát dữ liệu (data watchpoint) và theo dõi kiểm thử (instrumentation trace).
Tiêu chí Dòng Performance Dòng Access
Tần số xung nhịp tối đa 72 MHz 36 MHz
Số lượng khối ngoại vi Đầy đủ ngoại vi tích hợp Rút gọn ngoại vi
Tính tương thích footprint Dùng chung kiểu đóng gói và bố trí chân với dòng Access Dùng chung kiểu đóng gói và bố trí chân với dòng Performance
Chi phí / Hiệu năng Tối ưu hóa hiệu năng tính toán cao Tối ưu hóa chi phí sản xuất thấp

Chương 2: Các phương pháp điều khiển động cơ 1 chiều

Chương 2 trình bày cấu tạo cơ khí, nguyên lý điện từ và xây dựng mô hình toán học của động cơ điện một chiều, tập trung phân tích động cơ một chiều kích từ độc lập.

Cấu tạo máy điện một chiều gồm hai bộ phận chính:

  1. Stator (Phần tĩnh):
    • Vỏ máy: Làm bằng thép đúc, thực hiện nhiệm vụ dẫn từ, gá lắp các cực từ và bảo vệ toàn bộ động cơ.
    • Cực từ chính: Gồm thân cực bằng thép đúc quấn dây kích từ, và mặt cực làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại nhằm hạn chế dòng điện xoáy Foucault lan truyền từ rotor.
    • Cực từ phụ: Bằng thép đúc, quấn cuộn dây kích từ phụ đấu nối tiếp với cuộn dây phần ứng để cải thiện đổi chiều.
    • Dây quấn kích từ: Bằng dây đồng bọc cách điện, phân loại thành cuộn kích từ độc lập hoặc kích từ song song tùy sơ đồ nối dây.
  2. Rotor (Phần ứng):
    • Lõi thép phần ứng: Có dạng hình trụ, ghép từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ sơn cách điện; trên bề mặt có dập rãnh để đặt dây quấn và lỗ thông gió làm mát.
    • Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử nối tiếp đặt trong các rãnh phần ứng, hai đầu phần tử nối với các phiến góp của vành góp.
    • Trục rotor: Chế tạo từ hợp kim thép có độ cứng cao, quay trên hai ổ bi đỡ ở hai đầu.
    • Cổ góp (Vành góp) và Chổi than: Cổ góp tạo bởi các phiến đồng hình đuôi nhạn ghép cách điện thành khối trụ gắn trên trục máy. Chổi than chế tạo từ bột than graphit dẫn điện tốt và chịu mài mòn, được giữ tỳ chặt lên mặt cổ góp nhờ hệ thống lò xo điều chỉnh lực căng.

Nguyên lý hoạt động và phân loại: Khi cấp điện áp một chiều $U$ vào hai chổi than $A$ và $B$, dòng điện chạy qua các thanh dẫn của dây quấn phần ứng đặt trong từ trường cực từ chính. Dưới tác dụng của lực từ (xác định theo quy tắc bàn tay trái), mômen điện từ làm rotor quay. Khi thanh dẫn quay được nửa vòng, cổ góp đổi chiều dòng điện trong thanh dẫn, biến đổi dòng điện một chiều ngoài mạch thành dòng xoay chiều trong dây quấn, đảm bảo chiều mômen tác dụng không đổi. Phân loại theo phương thức cấp nguồn kích từ gồm 4 loại: Động cơ kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp.

Xây dựng phương trình đặc tính cơ động cơ kích từ độc lập: Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: $$U_ư = E_ư + I_ư (R_ư + R_f)$$ Trong đó:

  • $U_ư$: Điện áp cấp cho mạch phần ứng ($V$).
  • $E_ư$: Sức điện động cảm ứng của phần ứng ($V$).
  • $I_ư$: Dòng điện mạch phần ứng ($A$).
  • $R_f$: Điện trở phụ mắc thêm vào mạch phần ứng ($\Omega$).
  • $R_ư$: Điện trở nội của mạch phần ứng ($\Omega$), xác định bởi: $$R_ư = r_ư + r_{cf} + r_b + r_{ct}$$ (với $r_ư$: điện trở cuộn dây phần ứng; $r_{cf}$: điện trở cực từ phụ; $r_b$: điện trở cuộn bù; $r_{ct}$: điện trở tiếp xúc chổi điện).

Sức điện động phần ứng được xác định qua hệ số cấu tạo: $$E_ư = K \cdot \Phi \cdot \omega = K_e \cdot \Phi \cdot n$$ Với:

  • $K = \frac{p \cdot N}{2\pi \cdot a}$ (hệ số cấu tạo động cơ, $p$: số đôi cực, $N$: số thanh dẫn tác dụng, $a$: số đôi mạch nhánh song song).
  • $\omega = \frac{2\pi \cdot n}{60}$ (tốc độ góc, $rad/s$; $n$: tốc độ quay, $vòng/phút$).
  • $K_e = \frac{p \cdot N}{60 \cdot a} = \frac{K}{9,55}$ (hệ số sức điện động theo tốc độ vòng/phút).
  • $\Phi$: Từ thông kích từ dưới mỗi cực từ ($Wb$).

Mômen điện từ của động cơ: $$M_{đt} = K \cdot \Phi \cdot I_ư$$ Bỏ qua các tổn hao ma sát cơ học, mômen cơ trên trục bằng mômen điện từ: $M_{cơ} = M_{đt} = M$. Từ các hệ thức trên, tác giả rút ra phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ:

  • Phương trình đặc tính cơ điện: $$\omega = \frac{U_ư}{K\Phi} - \frac{R_ư + R_f}{K\Phi} I_ư$$
  • Phương trình đặc tính cơ: $$\omega = \frac{U}{K\Phi} - \frac{R_ư + R_f}{(K\Phi)^2} M$$

Khi từ thông không đổi ($\Phi = \text{const}$), quan hệ $\omega = f(M)$ là đường tuyến tính với các điểm đặc trưng:

  • Tốc độ không tải lý tưởng: $\omega_0 = \frac{U}{K\Phi}$
  • Dòng điện ngắn mạch: $I_{nm} = \frac{U}{R_ư + R_f}$
  • Mômen ngắn mạch: $M_{nm} = K \cdot \Phi \cdot I_{nm}$

Phân tích 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ:

  1. Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ($R_f$): Mắc nối tiếp $R_f$ vào mạch phần ứng. Khi tăng $R_f$, tốc độ không tải $\omega_0$ không đổi nhưng độ cứng đặc tính cơ giảm: $$\beta = \frac{dM}{d\omega} = -\frac{(K\Phi)^2}{R_ư + R_f}$$ Đặc tính cơ dốc hơn, làm giảm tốc độ làm việc dưới tốc độ định mức nhưng gây tổn hao năng lượng trên $R_f$.
  2. Thay đổi từ thông kích từ ($\Phi$): Điều chỉnh dòng kích từ, làm thay đổi cả $\omega_0$ và độ cứng đặc tính cơ.
  3. Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng ($U$): Thay đổi điện áp cấp giúp tịnh tiến đường đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên, giữ nguyên độ cứng $\beta$, cho phép điều khiển tốc độ trơn tru và tiết kiệm năng lượng.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển được triển khai trên phần cứng thực nghiệm vi điều khiển STM32F407 (nhân ARM Cortex-M4), kết hợp mạch công suất và khối hiển thị:

  1. Phần cứng và Giao diện điều khiển:

    • Vi điều khiển trung tâm: Bo mạch phát triển tích hợp chip STM32F407.
    • Giao diện giám sát và cài đặt: Màn hình hiển thị gồm 2 dòng thông số chính:
      • TD Đặt: Hiển thị tốc độ đặt trước do người vận hành thiết lập.
      • TOC DO: Hiển thị giá trị tốc độ thực tế đo đạc từ động cơ gửi về vi điều khiển.
    • Dải tốc độ vận hành: Cho phép người dùng thiết lập giá trị tốc độ đặt trong dải từ $0000$ đến $3400$ vòng/phút.

  2. Cấu hình giải thuật điều khiển:

    • Tác giả cài đặt giải thuật điều khiển PID kinh nghiệm với việc khai báo các hệ số khuếch đại $K_p$, hệ số tích phân $K_i$ và hệ số vi phân $K_d$.
    • Các hệ số này được tinh chỉnh trực tiếp dựa trên kinh nghiệm thực nghiệm của tác giả để đảm bảo hệ thống bám sát giá trị tốc độ đặt và duy trì ổn định.

  3. Cấu trúc phần mềm nhúng (Tệp stm32f4xx_it.c): Mã nguồn phần mềm nhúng được xây dựng trên thư viện chuẩn STM32 HAL Library, chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ hệ thống ngắt:

    • Các hàm phục vụ ngắt ngoại lệ lõi vi xử lý Cortex-M4:
      • NMI_Handler: Xử lý ngắt không thể che (Non Maskable Interrupt).
      • HardFault_Handler: Bẫy lỗi phần cứng nghiêm trọng; chương trình được giữ trong vòng lặp vô tận while (1) để bảo vệ hệ thống.
      • MemManage_Handler: Xử lý lỗi quản lý bộ nhớ.
      • BusFault_Handler: Xử lý lỗi nạp trước chỉ lệnh và lỗi truy cập bus hệ thống.
      • UsageFault_Handler: Bẫy các chỉ lệnh không xác định hoặc trạng thái hoạt động không hợp lệ của vi xử lý.
      • SVC_Handler: Xử lý lời gọi dịch vụ hệ thống qua lệnh SWI.
      • DebugMon_Handler: Trình phục vụ giám sát gỡ lỗi phần cứng.
      • PendSV_Handler: Xử lý ngắt dịch vụ hệ thống mức thấp.
      • SysTick_Handler: Ngắt định thời hệ thống System Tick, thực thi hàm đếm nhịp HAL_IncTick().
    • Các hàm phục vụ ngắt ngoại vi điều khiển động cơ:
      • EXTI0_IRQHandler: Trình phục vụ ngắt ngoài trên chân Line 0 (GPIO_PIN_0), thực thi hàm thư viện HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0) dùng để nhận tín hiệu xung phản hồi tốc độ.
      • TIM2_IRQHandler: Trình phục vụ ngắt toàn cục của bộ định thời Timer 2 thông qua hàm HAL_TIM_IRQHandler(&htim2) đóng vai trò tạo chu kỳ lấy mẫu thời gian thực để tính toán thuật toán điều khiển.
      • Khai báo cấu trúc quản lý phần cứng timer htim2 và htim3 (TIM_HandleTypeDef) phục vụ cho việc đếm xung phản hồi và điều chế độ rộng xung (PWM) điều khiển công suất động cơ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được của đồ án:

  • Xây dựng thành công mô hình thực nghiệm điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng vi điều khiển STM32F407.
  • Thiết lập hoàn chỉnh cấu trúc chương trình nhúng thời gian thực sử dụng thư viện HAL, tổ chức các ngắt ngoại vi EXTI0, ngắt định thời TIM2 và các khối quản lý Timer (htim2, htim3).
  • Hệ thống đáp ứng tốt việc cài đặt và điều khiển tốc độ động cơ trong dải tốc độ đặt từ $0000$ đến $3400$ vòng/phút, hiển thị trực quan thông số tốc độ đặt (TD Đặt) và tốc độ thực (TOC DO).
  • Tích hợp và vận hành thành công giải thuật PID với các tham số $K_p, K_i, K_d$ được tinh chỉnh qua thực nghiệm.

Đóng góp của đồ án:

  • Khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng dòng vi điều khiển 32-bit hiệu năng cao STM32F4 vào lĩnh vực điều khiển truyền động điện công nghiệp tại Việt Nam, thay thế cho các vi điều khiển 8-bit và 16-bit truyền thống.
  • Cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết kết hợp giữa lý thuyết phân tích máy điện một chiều kích từ độc lập với kỹ thuật lập trình ngắt và điều chế PWM trên vi điều khiển STM32F4.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Việc xác định các thông số $K_p, K_i, K_d$ của bộ điều khiển PID trong đồ án hoàn toàn dựa vào kinh nghiệm thực nghiệm của tác giả, chưa áp dụng các thuật toán tự động nhận dạng đối tượng hoặc phương pháp tối ưu hóa tham số giải thuật (như Ziegler-Nichols, tối ưu bầy đàn hoặc logic mờ).
  • Phạm vi khảo sát thực nghiệm bị giới hạn trong dải tốc độ từ $0000$ đến $3400$ vòng/phút; văn bản chưa cung cấp các bảng số liệu đo lường cụ thể về độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ và sai số xác lập khi hệ thống chịu các mức tải cơ học biến đổi khác nhau.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu thuật toán tự chỉnh tham số PID (auto-tuning PID) hoặc các giải thuật điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi, điều khiển trượt) nhằm nâng cao độ chính xác khi tải thay đổi đột ngột.
  • Khai thác thêm các khối ngoại vi tích hợp sẵn trên STM32F4 như cổng truyền thông CAN, giao tiếp mạng Ethernet hoặc giao tiếp máy tính để xây dựng hệ thống giám sát SCADA công nghiệp từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là nguồn tài liệu hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Điện tự động công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến điều khiển truyền động điện.
  • Các kỹ sư lập trình nhúng mới tiếp cận với dòng vi điều khiển STM32 trên môi trường STM32 HAL Library.

Nội dung đáng tham khảo nhất của tài liệu:

  • Phương pháp xây dựng và tính toán phương trình đặc tính cơ - điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập tại Chương 2.
  • Cấu trúc tổ chức ngắt ngoại vi (EXTI, TIM) và phương thức thiết lập chương trình nhúng điều khiển vòng kín trong tệp stm32f4xx_it.c.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đồ án sử dụng phiên bản vi điều khiển cụ thể nào của dòng STM32 và xây dựng trên lõi gì?
    Đồ án sử dụng vi điều khiển STM32F407 thuộc dòng STM32F4, được phát triển trên nền tảng lõi vi xử lý ARM Cortex thế hệ mới (lõi Cortex-M4 theo cấu trúc ngắt trong mã nguồn thực tế).

  2. Đối tượng động cơ được tác giả lựa chọn để điều khiển là loại động cơ nào?
    Tác giả lựa chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập làm đối tượng nghiên cứu và xây dựng phương trình đặc tính cơ.

  3. Hệ thống cho phép người dùng đặt tốc độ trong dải thông số là bao nhiêu?
    Trên giao diện hiển thị của mô hình, người dùng có thể thiết lập thông số tốc độ đặt (TD Đặt) trong dải giá trị từ $0000$ đến $3400$ vòng/phút.

  4. Các ngắt ngoại vi cụ thể nào được tác giả cấu hình trong tệp mã nguồn stm32f4xx_it.c?
    Tác giả cấu hình ngắt ngoài EXTI0_IRQHandler (trên chân GPIO_PIN_0) và ngắt định thời TIM2_IRQHandler (thông qua biến con trỏ cấu trúc htim2), cùng với việc khai báo cấu trúc quản lý Timer htim3.

  5. Các hệ số $K_p, K_i, K_d$ của bộ điều khiển PID được xác định bằng phương pháp nào?
    Các hệ số $K_p, K_i, K_d$ được khai báo và lựa chọn trực tiếp dựa trên kinh nghiệm thực nghiệm của tác giả trong quá trình vận hành mạch.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển động cơ 1 chiều sử dụng vi xử lý STM32F4" của sinh viên Đinh Hữu Mạnh đã hoàn thành việc nghiên cứu lý thuyết động cơ điện một chiều kích từ độc lập và thiết kế hệ thống điều khiển thực nghiệm trên vi điều khiển 32-bit STM32F407. Tác giả đã làm chủ quy trình cấu hình các khối ngoại vi ngắt thời gian thực, bộ định thời và cài đặt thành công giải thuật PID kiểm soát tốc độ trong dải từ $0000$ đến $3400$ vòng/phút. Công trình mang tính ứng dụng kỹ thuật rõ rệt, là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cho sinh viên và kỹ sư ngành Điện tự động công nghiệp.