Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong xu thế phát triển của khoa học công nghệ, các hệ thống đo lường và điều khiển tự động trong sản xuất công nghiệp, mạng truyền thông không dây, thông tin vệ tinh, hệ thống y tế và thiết bị dân dụng đều có sự tích hợp sâu rộng giữa cơ cấu chấp hành và kỹ thuật vi xử lý. Các dòng vi xử lý và vi điều khiển đã hình thành và phát triển từ sớm trên thế giới, tuy nhiên tại Việt Nam, mức độ ứng dụng và tiếp cận công nghệ mới vẫn còn những giới hạn nhất định, tập trung chủ yếu ở các khu công nghệ cao, viện nghiên cứu hoặc các trường đại học lớn. Do đó, việc nghiên cứu làm chủ và ứng dụng các dòng vi điều khiển 32-bit hiệu năng cao vào các bài toán điều khiển truyền động điện trong thực tiễn là một yêu cầu cấp thiết.
Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển động cơ 1 chiều sử dụng vi xử lý STM32F4" do sinh viên Đinh Hữu Mạnh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Ngô Quang Vĩ tại Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng, nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu tổng quan về vi xử lý, vi điều khiển và cấu trúc phần cứng, ngoại vi chuyên sâu của dòng vi điều khiển STM32 họ ARM Cortex.
- Phân tích cấu tạo, nguyên lý vận hành, mô hình toán học và đánh giá ưu nhược điểm của 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập để lựa chọn phương án điều khiển thích hợp.
- Thiết kế, tính toán và chế tạo mô hình phần cứng hoàn chỉnh gồm khối nguồn (5VDC và 12VDC), khối mạch công suất cầu H sử dụng IC L298N (mắc song song tăng dòng tải lên 4A), và khối phản hồi tốc độ sử dụng encoder quang tương đối (incremental optical encoder).
- Xây dựng thuật toán điều khiển PID và lập trình nhúng trên vi điều khiển STM32F407 (sử dụng thư viện HAL, cấu hình ngắt và Timer) để điều khiển tốc độ động cơ theo dải đặt từ 0 đến 3400 vòng/phút.
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng vi điều khiển STM32F407 kết hợp mạch công suất L298N.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Không gian: Thực hiện tại Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng.
- Thời gian: Đề tài được giao ngày 12/10/2020 và hoàn thành trước ngày 31/12/2020.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình toán học
Hệ thống lý thuyết được tác giả sử dụng dựa trên các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật vi xử lý, máy điện và lý thuyết điều khiển tự động:
- Kiến trúc vi tính: Phân biệt hai mô hình kiến trúc bộ nhớ Von-Neumann (dùng chung bus cho dữ liệu và chương trình) và Harvard (tách biệt bus dữ liệu và bus chương trình); so sánh hai tập lệnh CISC (tập lệnh phức tạp, tốc độ xử lý lệnh chậm hơn) và RISC (tập lệnh thu gọn, xử lý nhanh, tối ưu cho hệ thống nhúng).
- Mô hình động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
- Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng:
$$U_ư = E_ư + (R_ư + R_f) I_ư$$
Trong đó: $R_ư = r_ư + r_{cf} + r_b + r_{ct}$ (tổng điện trở cuộn phần ứng, cuộn cực từ phụ, cuộn bù và tiếp xúc chổi điện); $R_f$ là điện trở phụ mắc thêm.
- Sức điện động cảm ứng phần ứng:
$$E_ư = \frac{p \cdot N}{2\pi a} \Phi \omega = K \Phi \omega = K_e \Phi n$$
- Mômen điện từ:
$$M_{đt} = K \Phi I_ư$$
- Phương trình đặc tính cơ:
$$\omega = \frac{U_ư}{K\Phi} - \frac{R_ư + R_f}{(K\Phi)^2} M$$
Từ đó xác định tốc độ không tải lý tưởng $\omega_0 = \frac{U_ư}{K\Phi}$, dòng điện ngắn mạch $I_{nm} = \frac{U_ư}{R_ư + R_f}$ và mômen ngắn mạch $M_{nm} = K\Phi I_{nm}$.
- Lý thuyết điều khiển tự động: Cấu trúc vòng điều khiển hồi tiếp kín với tín hiệu sai lệch $e = x - y$ (trong đó $x$ là tốc độ đặt, $y$ là tốc độ thực phản hồi). Cấu trúc thuật toán PID liên tục và PID rời rạc, cùng hệ thống các phương pháp xác định tham số như: Ziegler-Nichols, Chien-Hrones-Reswick, phương pháp tổng T của Kuhn, phương pháp tối ưu modul, phương pháp tối ưu đối xứng, phương pháp tối ưu theo sai lệch bám, cùng các bộ điều khiển nâng cao (Mờ, Neuron, LQR).
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích lý thuyết và mô hình hóa: Thiết lập các quan hệ hàm số giữa tốc độ quay với các đại lượng điện trở phụ, từ thông và điện áp phần ứng để so sánh độ cứng đặc tính cơ ($\beta = \frac{dM}{d\omega}$).
- Phương pháp thiết kế và chế tạo kỹ thuật: Tính toán tham số linh kiện, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch nguồn, mạch công suất ghép song song và mạch xử lý tín hiệu encoder.
- Phương pháp thực nghiệm: Ghép nối hệ thống thực tế, cấu hình ngoại vi đếm xung trên vi điều khiển STM32F407 và tiến hành chỉnh định các hệ số $K_p, K_i, K_d$ dựa trên kinh nghiệm thực nghiệm.
Nguồn dữ liệu
Tác giả sử dụng các tài liệu kỹ thuật về dòng vi điều khiển STM32 của hãng STMicroelectronics, bảng thông số kỹ thuật (datasheet) của IC công suất L298N, cảm biến quang và các giáo trình chuyên ngành truyền động điện, máy điện một chiều.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống điều khiển được thiết kế dưới dạng mạch kỹ thuật nhúng liên kết giữa khối điều khiển trung tâm, khối động lực và khối đo lường phản hồi:
Khối mạch cấp nguồn
- Nguồn 5VDC: Sử dụng IC ổn áp LM7805 để hạ và ổn định điện áp từ bộ biến đổi 12VAC (qua chỉnh lưu cầu) xuống 5VDC cung cấp cho vi điều khiển STM32F407 và IC MAX232. Mạch tích hợp tụ hóa lọc nguồn $2200\mu\text{F}$, tụ gốm $104\text{pF}$ lọc nhiễu tần số cao và LED chỉ thị trạng thái nguồn.
- Nguồn 12VDC: Sử dụng biến áp hạ áp $220\text{VAC}/12\text{VAC}$, qua cầu chỉnh lưu và tụ hóa lọc dung lượng lớn $10000\mu\text{F}$ để cung cấp trực tiếp cho động cơ một chiều.
Khối mạch công suất (Driver L298N)
- Cấu hình mạch: Sử dụng IC L298N đóng gói chuẩn Multiwatt15 tích hợp hai mạch cầu H. Để tăng khả năng chịu tải cho động cơ lên đến 4A (vượt mức 2A của từng cầu đơn), tác giả đã đấu nối song song hai mạch cầu H bên trong IC.
- Tần số PWM: Được thiết lập ở mức $10\text{kHz}$ để loại bỏ hiện tượng phát ra tiếng ồn âm thanh của động cơ (thường xuất hiện rõ trong dải tần số $1\text{kHz} - 3\text{kHz}$).
- Bảo vệ phần cứng: Do L298N không tích hợp diode nội bảo vệ Mosfet, mạch được bổ sung 8 diode bảo vệ bên ngoài loại 1N4007 để triệt tiêu dòng điện ngược cảm ứng.
- Giải nhiệt: Mạch bắt buộc phải gắn phiến nhôm tản nhiệt; trong các thí nghiệm không có tản nhiệt, L298N tăng nhiệt nhanh và tự ngắt bảo vệ sau 45 đến 60 giây hoạt động.
- Chế độ hãm dừng: Hỗ trợ chế độ dừng tự do (Free Stop - khi chân Enable hạ xuống mức 0) và chế độ dừng nhanh/phanh (Fast Stop/Break - khi hai ngõ vào cùng mức logic).
Khối phản hồi tốc độ (Optical Incremental Encoder)
- Đặc tính cảm biến: Sử dụng encoder quang tương đối có độ phân giải 200 xung/vòng. Cảm biến gồm 3 kênh:
- Kênh I (Index): Phát 1 xung duy nhất sau mỗi vòng quay của trục động cơ.
- Kênh A và Kênh B: Phát chuỗi xung lệch pha nhau $90^\circ$ để vừa đo tốc độ góc, vừa nhận biết chiều quay của động cơ dựa vào trạng thái logic của kênh B tại thời điểm sườn xuống của kênh A.
- Phương pháp ghép nối với STM32: Tác giả lựa chọn phương pháp cấu hình Timer 1 hoạt động ở chế độ Counter (đếm xung phần cứng) thay vì phương pháp Input Capture hay ngắt ngoài (EXTI), giúp tiết kiệm tối đa tài nguyên và thời gian xử lý của CPU.
Triển khai phần mềm trên STM32F407
- Chương trình được xây dựng trên nền tảng thư viện chuẩn HAL của STMicroelectronics, triển khai trong tệp
stm32f4xx_it.c.
- Cấu hình các khối xử lý ngắt:
SysTick_Handler gọi hàm HAL_IncTick(), ngắt ngoài EXTI0_IRQHandler qua hàm HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0), ngắt định thời TIM2_IRQHandler (HAL_TIM_IRQHandler(&htim2)) cùng các hàm xử lý ngoại lệ hệ thống (NMI_Handler, HardFault_Handler, MemManage_Handler, BusFault_Handler, UsageFault_Handler).
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 trình bày cấu trúc chi tiết của dòng vi điều khiển họ STM32:
- Lịch sử và kiến trúc: Điểm lại mốc lịch sử từ vi xử lý 4-bit đầu tiên Intel 4004 (tháng 11/1971); so sánh cấu trúc Von-Neumann và Harvard; phân tích ưu thế tốc độ của tập lệnh RISC trong hệ thống nhúng so với tập lệnh CISC.
- Phân nhánh STM32: Dòng STM32 ban đầu gồm 14 biến thể, chia làm hai nhánh chính có sự tương thích hoàn toàn về sơ đồ chân (pin layout) và footprint trên mạch in PCB:
- Nhánh Performance: Tần số xung nhịp cực đại $72\text{MHz}$, tích hợp đầy đủ ngoại vi, bộ nhớ Flash lên đến $512\text{KB}$ và SRAM $64\text{KB}$.
- Nhánh Access: Tần số xung nhịp cực đại $36\text{MHz}$, cấu hình ngoại vi rút gọn hơn.
- Các ngoại vi chuyên sâu: Bộ ADC 12-bit có tích hợp cảm biến nhiệt độ tự hiệu chỉnh; các bộ định thời (Timer) có 4 khối capture/compare, hỗ trợ tạo 6 đầu ra PWM có khoảng dead-time lập trình được và ngắt dừng khẩn cấp (break input); ngoại vi SPI tích hợp khối phần cứng kiểm tra mã dư tuần hoàn CRC 8-bit và 16-bit; hỗ trợ tối đa 12 kênh DMA giúp chuyển dữ liệu tự động giữa bộ nhớ và ngoại vi thông qua ma trận bus nội.
- Mức tiêu thụ năng lượng và tính năng an toàn: Vi điều khiển hoạt động từ điện áp $2\text{V}$, dòng tiêu thụ $36\text{mA}$ ở tần số $72\text{MHz}$, dòng ở chế độ Standby chỉ $2\mu\text{A}$; tích hợp bộ dao động nội RC $8\text{MHz}$ cho phép khởi động tức thì. Các tính năng bảo vệ an toàn gồm có: bộ phát hiện điện áp thấp (PVD), hệ thống bảo vệ xung clock (Clock Security System tự chuyển sang RC $8\text{MHz}$ khi thạch anh ngoài hỏng), Watchdog cửa sổ (Windowed Watchdog), Watchdog độc lập (Independent Watchdog), khóa bảo vệ đọc/ghi bộ nhớ Flash, và đầu vào chống can thiệp (anti-tamper input) trên SRAM nuôi pin.
- Công cụ phát triển: Hệ thống gỡ lỗi CoreSight hỗ trợ giao tiếp chuẩn JTAG hoặc SWD 2 chân (Serial Wire Debug), tích hợp công cụ theo dõi (instrumentation trace) và điểm giám sát dữ liệu (data watchpoint).
Chương 2: Các phương pháp điều khiển động cơ 1 chiều
Chương 2 tập trung phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc và xây dựng mô hình toán học cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập, từ đó đánh giá so sánh 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ:
- Cấu tạo máy điện một chiều:
- Stator (phần cảm): Vỏ máy bằng thép đúc dẫn từ và gá lắp cực từ; cực từ chính bằng thép đúc có mặt cực ghép lá thép kỹ thuật điện chống dòng xoáy Foucault; cực từ phụ; các cuộn dây kích từ bằng đồng bọc cách điện.
- Rotor (phần ứng): Lõi thép hình trụ bằng các lá thép kỹ thuật điện dày $0,5\text{mm}$ dập rãnh và lỗ thông gió; trục thép hợp kim đỡ bằng 2 vòng bi; dây quấn phần ứng đặt trong rãnh nối với vành góp; cổ góp gồm các phiến đồng hình đuôi nhạn ghép cách điện; chổi than bằng bột than granit chịu mài mòn có lò xo tỳ điều chỉnh lực ép.
- Nguyên lý sinh lực: Khi cấp điện áp $U$ vào hai chổi điện, tương tác giữa từ trường cực từ và dòng điện phần ứng tạo lực điện từ theo quy tắc bàn tay trái; vành góp đảm nhiệm vai trò đổi chiều dòng điện trong dây quấn khi rotor quay nửa vòng, duy trì chiều mômen không đổi.
| Tiêu chí so sánh |
Thay đổi điện trở phụ $R_f$ |
Thay đổi từ thông kích từ $\Phi$ |
Thay đổi điện áp phần ứng $U_ư$ |
| Nguyên lý thực hiện |
Mắc nối tiếp điện trở phụ $R_f$ vào mạch phần ứng |
Mắc biến trở $R_v$ vào mạch kích từ để giảm dòng $I_{kt}$ |
Sử dụng bộ biến đổi bán dẫn điều chỉnh điện áp ngõ ra cấp cho phần ứng |
| Tốc độ không tải lý tưởng $\omega_0$ |
Giữ nguyên $\omega_0 = \frac{U_{đm}}{K\Phi_{đm}} = \text{const}$ |
Tăng lên: $\omega_{0x} = \frac{U_{đm}}{K\Phi} > \omega_0$ |
Thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp: $\omega_0 = \frac{U_ư}{K\Phi_{đm}} = \text{var}$ |
| Độ cứng đặc tính cơ $\beta$ |
$\beta = -\frac{(K\Phi_{đm})^2}{R_ư + R_f}$ (giảm, đặc tính dốc hơn) |
$\beta = -\frac{(K\Phi)^2}{R_ư}$ (giảm khi giảm từ thông) |
$\beta = -\frac{(K\Phi_{đm})^2}{R_ư} = \text{const}$ (giữ nguyên độ cứng tự nhiên) |
| Dạng họ đặc tính cơ |
Họ đặc tính hình nan quạt hội tụ tại điểm $(\omega_0, 0)$ |
Họ đặc tính dốc hơn có điểm không tải $\omega_0$ dịch chuyển lên trên |
Họ đặc tính cơ nhân tạo song song với đường đặc tính tự nhiên |
| Dải điều chỉnh tốc độ |
Điều chỉnh giảm tốc độ dưới mức định mức |
Điều chỉnh tăng tốc độ lên trên mức định mức (do $\Phi$ bão hòa) |
Điều chỉnh trơn trong dải rộng từ 0 đến định mức |
| Tác động đến dòng ngắn mạch |
$I_{nm} = \frac{U_{đm}}{R_ư + R_f}$ giảm, $M_{nm}$ giảm |
$I_{nm} = \frac{U_{đm}}{R_ư} = \text{const}$, $M_{nm}$ giảm |
$I_{nm}$ và $M_{nm}$ giảm tỷ lệ theo điện áp |
| Đánh giá và kết luận |
Tổn hao năng lượng lớn trên $R_f$, hiệu suất thấp; dùng hạn dòng khởi động |
Khó điều khiển ở vùng từ thông bão hòa, mômen tải cho phép giảm |
Tác giả lựa chọn phương pháp này do giữ nguyên độ cứng $\beta$ và dải điều chỉnh mịn |
Chương 3: Thiết kế và lập trình chương trình điều khiển động cơ 1 một chiều trên STM32F407
Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình tính toán, thiết kế sơ đồ nguyên lý phần cứng, ghép nối thực nghiệm và cấu trúc mã nguồn điều khiển:
- Hệ thống điều khiển kín: Thiết lập cấu trúc điều khiển gồm tín hiệu chuẩn $r(t)$, tín hiệu phản hồi $c_{ht}(t)$, sai lệch $e(t) = r(t) - c_{ht}(t)$ và tín hiệu điều khiển $u(t)$ xuất ra từ bộ thuật toán PID.
- Phần cứng mạch điều khiển và công suất: Trình bày chi tiết sơ đồ mạch nguồn $5\text{VDC}$ (LM7805), nguồn $12\text{VDC}$ ($10000\mu\text{F}$), mạch công suất L298N mắc song song 4A có diode ngoài 1N4007 và tản nhiệt nhôm, mạch encoder 200 xung/vòng.
- Kỹ thuật đọc Encoder: Phân tích giải thuật đếm xung 2 kênh A và B; sử dụng Timer 1 ở chế độ Counter để cập nhật biến đếm tốc độ.
- Chương trình nhúng: Triển khai các hàm điều khiển ngắt hệ thống, thiết lập dải tốc độ đặt từ 0000 đến 3400 vòng/phút trên giao diện, và cài đặt các tham số $K_p, K_i, K_d$ phục vụ điều khiển bám sai lệch.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả thực nghiệm chính:
- Chế tạo thành công mô hình phần cứng điều khiển động cơ điện một chiều hoàn chỉnh sử dụng vi điều khiển STM32F407 kết hợp mạch cầu H L298N.
- Thiết lập thành công thuật toán điều chế độ rộng xung PWM ở tần số $10\text{kHz}$ trên vi điều khiển STM32F407 để điều chỉnh điện áp phần ứng mà không gây ồn cơ học.
- Xử lý chính xác tín hiệu phản hồi từ encoder quang tương đối 200 xung/vòng thông qua chế độ Timer Counter, đáp ứng dải tốc độ đặt trong phạm vi từ 0 đến 3400 vòng/phút.
- Mạch công suất L298N ghép song song vận hành ổn định ở dòng điện tải lên đến 4A khi được trang bị phiến tản nhiệt.
- Giải pháp và đề xuất kỹ thuật:
- Đề xuất giải pháp đấu song song 2 cầu H trong IC L298N để nhân đôi giới hạn dòng điện định mức từ 2A lên 4A.
- Đưa ra giải pháp nâng tần số PWM từ mức chuẩn $5\text{kHz}$ lên $10\text{kHz}$ nhằm triệt tiêu tiếng ồn tần số âm thanh ($1\text{kHz} - 3\text{kHz}$).
- Đề xuất cấu hình Timer đếm xung phần cứng thay cho ngắt ngoài để giảm thiểu tải tính toán cho CPU của vi điều khiển.
- Đóng góp của đồ án: Cung cấp tài liệu thiết kế phần cứng và giải pháp lập trình nhúng chi tiết trong việc ứng dụng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex (STM32F4) điều khiển động cơ DC, làm tài liệu tham khảo cho các môn học chuyên ngành Tự động hóa.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Các hệ số của bộ điều khiển PID ($K_p, K_i, K_d$) được lựa chọn dựa trên phương pháp kinh nghiệm thực nghiệm của tác giả, chưa áp dụng các thuật toán nhận dạng hệ thống hay chỉnh định tự động tối ưu toán học (như Ziegler-Nichols, tối ưu modul).
- Mạch driver L298N là dạng IC bán dẫn truyền thống, mức tỏa nhiệt lớn và hiệu suất năng lượng chưa cao so với các mạch cầu H dùng Mosfet/IGBT rời; diode bảo vệ vẫn sử dụng loại chỉnh lưu thường 1N4007 thay vì diode Schottky phục hồi nhanh.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Nghiên cứu ứng dụng các giải thuật điều khiển hiện đại đã được nêu trong phần lý thuyết như: bộ điều khiển Mờ (Fuzzy Logic), mạng Nơ-ron (Neural Network) hoặc bộ điều khiển tối ưu LQR trên vi điều khiển STM32.
- Nâng cấp mạch công suất sử dụng linh kiện Mosfet chịu dòng cao và bổ sung diode hồi tiếp nhanh Schottky để tăng hiệu suất hệ thống.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng tham khảo: Sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Điện tự động công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử.
- Các nội dung có giá trị ứng dụng cao:
- Phương pháp tính toán và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch công suất cầu H L298N mắc song song đạt tải 4A cùng các giải pháp tản nhiệt và chống xung ngược.
- Kỹ thuật lập trình ngoại vi Timer Counter trên vi điều khiển STM32 để đọc tín hiệu encoder 2 pha A/B tối ưu tài nguyên ngắt.
- Khung lý thuyết và công thức toán học phân tích đặc tính cơ điện động cơ DC kích từ độc lập.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao tác giả lựa chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng để điều khiển tốc độ động cơ?
Theo phương trình đặc tính cơ $\omega = \frac{U_ư}{K\Phi} - \frac{R_ư + R_f}{(K\Phi)^2} M$, khi thay đổi điện áp phần ứng $U_ư$ (giữ nguyên từ thông $\Phi$ và không thêm $R_f$), độ cứng đặc tính cơ $\beta = -\frac{(K\Phi)^2}{R_ư}$ không bị thay đổi. Điều này tạo ra một họ các đường đặc tính cơ nhân tạo song song với đặc tính tự nhiên, giúp điều chỉnh tốc độ trơn trong dải rộng, duy trì khả năng chịu tải tốt và giảm dòng khởi động mà không gây tổn hao năng lượng như phương pháp thêm điện trở phụ.
2. Mạch driver L298N được cải tiến như thế nào để chịu được tải 4A và hạn chế tiếng ồn?
Mỗi nhánh cầu H trong IC L298N chỉ chịu dòng cực đại 2A. Tác giả đã đấu nối song song 2 mạch cầu H bên trong IC để nâng tổng khả năng chịu dòng lên 4A. Đồng thời, tần số điều chế độ rộng xung PWM được nâng lên mức $10\text{kHz}$ (thay vì $5\text{kHz}$ tiêu chuẩn) nhằm vượt ra ngoài dải tần âm thanh $1\text{kHz} - 3\text{kHz}$, giúp động cơ hoạt động êm và không phát ra tiếng rít cơ học.
3. Encoder quang trong đồ án có thông số kỹ thuật gì và được đọc bằng phương pháp nào trên STM32?
Đồ án sử dụng encoder quang tương đối (incremental optical encoder) có độ phân giải 200 xung/vòng với 3 kênh đầu ra: kênh I (phát 1 xung mỗi vòng quay), kênh A và B (lệch pha nhau $90^\circ$ để xác định góc quay và chiều quay). Thay vì dùng phương pháp ngắt ngoài (EXTI) hay Input Capture làm tiêu tốn tài nguyên xử lý, tác giả đã cấu hình Timer 1 của STM32 ở chế độ Counter để vi điều khiển tự động đếm xung phần cứng.
4. Tại sao IC L298N bắt buộc phải được gắn cánh tản nhiệt trong quá trình thử nghiệm?
IC L298N có mức tổn hao nhiệt rất cao trong quá trình chuyển mạch công suất. Kết quả thí nghiệm thực tế trong đồ án chỉ ra rằng nếu không có cánh tản nhiệt nhôm để giải nhiệt, L298N sẽ bị quá nhiệt nghiêm trọng trong vòng 45 đến 60 giây và kích hoạt cơ chế tự ngắt bảo vệ của chip, làm gián đoạn quá trình điều khiển.
5. Dải tốc độ đặt của hệ thống điều khiển được thiết lập trong phạm vi nào?
Hệ thống điều khiển trên STM32F407 được cấu hình nhận giá trị tốc độ đặt (TD Đặt) trong dải từ 0000 đến 3400 vòng/phút, sau đó thực hiện vòng lặp phản hồi sai lệch với tốc độ thực tế (TOC DO) từ encoder thông qua bộ thuật toán PID.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đinh Hữu Mạnh đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế phần cứng và lập trình điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng vi điều khiển 32-bit STM32F407. Bằng việc kết hợp phương pháp điều khiển điện áp phần ứng qua PWM tần số $10\text{kHz}$, mạch driver L298N mắc song song đạt tải 4A và thuật toán đếm xung encoder quang 200 xung/vòng qua Timer Counter, hệ thống vận hành ổn định trong dải tốc độ từ 0 đến 3400 vòng/phút. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tế cho sinh viên và cán bộ kỹ thuật ngành Điện tự động công nghiệp.
