Chương 1: Tổng Quan Chương này trình bày về lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài. Chương 3: Thiết Kế và Tính Tóan Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài và các tính toán, thiết kế.
Chương gồm những phần như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán thiết kế mạch. Chương 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Tính toán, thiết kế lắp ráp phần cơ khí, điện, viết chương trình điều khiển cho mô hình máy quấn dây tự động. Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC (BRUSHLESS DIRECT CURRENT) Động cơ một chiều không cổ góp (BLDC) từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ (vài W đến vài chục W) như trong các ổ đĩa quang, quạt làm mát trong máy tính cá nhân, thiết bị văn phòng (máy in, scan…). Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được thiết kế rất đơn giản và có độ tin cậy cao. Mặc dù được gọi là động cơ một chiều nhưng thực chất động cơ BLDC thuộc loại động cơ xoay chiều đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu.
Nhưng có một lý do của tên gọi “động cơ một chiều không cổ góp” là nó được tạo ra nhằm loại bỏ những nhược điểm của động cơ một chiều trong khi vẫn giữ được đặc tính mômen/tốc độ tuyến tính và những ưu điểm trong điều khiển của động cơ một chiều. Cụ thể là động cơ một chiều thông thường có hiệu suất cao và đặc tính của chúng thích hợp với các truyền động servo. Tuy nhiên có hạn chế là trong cấu tại của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thành phần này dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bão dưỡng thường xuyên [1]. So sánh BLDC với động cơ một chiều thông thường: Mặc dù đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và động cơ điện một chiều thông thường giống nhau, nhưng trên thực tế chúng có những khác biệt đáng kể, ở động cơ điện một chiều sự biến đổi chiều dòng điện nhờ vào hoạt động của cố góp và chổi than, nhưng với dộng cơ một chiều không chổi than, đổi chiều được thực hiện bằng cách sử dụng bán dẫn.
Bảng dưới đây so sánh một số đặc tính cơ bản của hai loại động cơ.1: So sánh động cơ BLDC với động cơ điện một chiều thông thường. Nội dung Động cơ điện một chiều thông Động cơ điện một chiều thường không chổi than Cấu trúc cơ khí Mạch kích từ nằm trên stator Mạch kích từ nằm trên roto Bảo dưỡng cần bão dưỡng thường xuyên do có dễ bão dưỡng hoặc ít yêu cổ góp cầu bão dưỡng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp xác Tự động xác định bằng chổi than Sử dụng cảm biến vị trí: định vị trí rotor phần tử Hall.
Phương pháp đổi Đảo chiều điện áp nguồn (thường cấp Sắp xếp lại thứ tự của các chiều cho mạch kích từ) tín hiệu logic Cấu tạo động cơ BLDC Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện ghép với nhau) và các cuộn dây quấn. Các lá thép và các cuộn dây được đặt trong các khe cắt phía trong của stator. Các bối dây được đặt trong khe và được nối liền nhau để tạo nên 1 cuộn dây, mỗi cuộn dây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các cực. Cách bố trí và số rảnh trên stator của động cơ khác nhau thì cho ra số cực của động cơ khác nhau.1: Stator động cơ BLDC.
Rotor của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh cửu được gắn trên đó theo các cách khác nhau. Về cơ bản có hai phương pháp gắn các nam châm vĩnh cửu trên lõi rotor: Rotor có nam châm gắn trên bề mặt lõi: Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt lõi rotor. Kết cấu này đơn giản trong chế tạo nhưng không chắc chắn nên thường được sử dụng trong phạm vi tốc độ trung bình và thấp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Rotor có nam châm gắn trên bề mặt. Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi: Trong lõi rotor có các khe dọc trục và các thanh nam châm vĩnh cửu được chèn vào các khe này. Kết cấu này khó khăn trong chế tạo và lắp ráp, đặc biệt là khi công suất lớn, nhưng chắc chắn và được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao.3: Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi. Trong động cơ BLDC, các nam châm vĩnh cửu trên rotor tạo ra từ trường hướng tâm và phân bố đều dọc theo khe hở không khí giữa stato và rotor.
Vật liệu làm nam châm thông thường là ferit, mặc dù giá thành rẻ nhưng mật độ từ trường thấp. Các loại nam châm được sản xuất từ các hợp kim đất hiếm có mật độ từ trường BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT cao hơn, kích thước và trọng lượng thấp. Điều này đặc biệt có ích đối với các động cơ công suất lớn.4: Các loại rotor của động cơ BLDC.
Hall sensor: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2. Vi điều khiển STM32F103C8T6 STM32F103C8T6 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3.
STM32F103 là Vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz. Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ… Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh chip STM32F103C8T6. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh chip STM32F103C8T6.
Thạch anh 8Mhz chân 8-9 tạo xung đòng hồ cho các hoạt động của hệ thống.768 Khz chân 3-4 tạo xung dung cho đồng hồ thực và Watchdog. Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6: ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz. Bộ nhớ: 64 kbytes bộ nhớ Flash (bộ nhớ lập trình). Clock, reset và quản lý nguồn.
Điện áp hoạt động 2. Power on reset(POR), Power down reset(PDR) và programmable voltage detector (PVD). Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz -> 20Mhz. Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz.
Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC. Trong trường hợp điện áp thấp: Có các mode: ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ. Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin để hoạt động bộ RTC và sử dụng lưu trữ data khi mất nguồn cấp chính. 2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3. Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh. Có cảm biến nhiệt độ nội.
DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không có sự can thiệp quá sâu của CPU. Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART. 3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM. 1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ như ngắt input, dead-time.
2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi. 1 sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho các ứng dụng như hàm Delay…. Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm: 2 bộ I2C (SMBus/PMBus). 1 be CAN interface (2.0 full-speed interface Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID.
Giao Tiếp UART: UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter có nghĩa là truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ. UART là một mạch tích hợp được dùng trong truyền thông nối tiếp (Serial communication) qua port nối tiếp của máy tính hay thiết bị ngoại vi. UART lấy từng byte dữ liệu, chuyển dữ liệu từ song song sang nối tiếp và truyền tuần tự từng bit riêng biệt lên kênh truyền nối tiếp. Tại phía nhận, một khối UART khác sẽ tập hợp những bit nối tiếp nhận được lại thành các byte dữ liệu.
Để làm được những việc như vậy, bên trong UART có một thanh ghi dịch (shift register) đóng vai trò hỗ trợ chuyển đổi dữ liệu từ dạng nối tiếp sang song song và ngược lại. UART hỗ trợ truyền thông bất đồng bộ (asynchronous), nghĩa là dữ liệu truyền không phụ thuộc vào tín hiệu xung clock, do đó dữ liệu được truyền từ bên gửi sang bên nhận mà không cần phải có dây tín hiệu xung clock BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT nối giữa bộ truyền và nhận. Những chip hiện đại tích hợp bộ UART hỗ trợ cả truyền thông đồng bộ và bất đồng bộ, chúng được gọi là USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter).
Các khái niệm liên quan đến giao tiếp qua module UART gồm: Tốc độ baud (baud rate): số bit truyền trong 1 giây. Frame: là một khung dữ liệu gồm bit bắt đầu (start bit), bit kết thúc (stop bit), các bit dữ liệu (data bits), bit kiểm lỗi (parity bit). Start bit: là bit đầu tiên trong frame được truyền đi, báo hiệu với bên nhận rằng một frame dữ liệu đang tới. Data bits: là dữ liệu cần truyền đi, số bit dữ liệu không bắt buộc phải là 8 bit, LSB (Least Significant Bit) sẽ được truyền trước.
Parity bit: bit kiểm tra lỗi của dữ liệu truyền. Stop bit: bit chỉ báo gói dữ liệu đã được truyền xong. Giới thiệu chuẩn giao tiếp RS-485.