Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa sản xuất, việc ứng dụng tự động hóa vào các dây chuyền chế tạo thiết bị điện đóng vai trò quyết định đến năng suất và độ chính xác của sản phẩm. Đề tài "Thiết kế và thi công máy tự động quấn dây cho stator động cơ BLDC" xuất phát từ quá trình thực tập và khảo sát thực tế của tác giả tại Công ty Trách nhiệm Hữu hạn Avant Garde Việt Nam. Tại doanh nghiệp này, quy trình sản xuất động cơ một chiều không chổi than (Brushless Direct Current - BLDC) vẫn còn tồn tại những công đoạn phụ thuộc hoàn toàn vào phương pháp thủ công, điển hình là khâu quấn dây đồng vào các rãnh cực của lõi thép stator.
Về mặt kết cấu kỹ thuật, stator của động cơ BLDC bao gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau tạo thành các khe rãnh và các bối dây đồng quấn quanh các cặp cực từ. Do đặc thù cấu tạo và phân bố các pha phức tạp hơn nhiều so với động cơ xoay chiều thông thường, việc quấn thủ công bằng tay thường phát sinh nhiều sai sót kỹ thuật, làm trầy xước lớp men cách điện của dây dẫn, độ căng dây không đồng đều và tiêu tốn nhiều thời gian của nhân công. Tình trạng này dẫn đến năng suất lao động đạt mức thấp và tỷ lệ sản phẩm lỗi cao. Nhằm khắc phục triệt để các hạn chế trên, đề tài được thực hiện nhằm cơ giới hóa và tự động hóa chu trình quấn dây.
Mục tiêu nghiên cứu được xác định rõ: Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình máy tự động quấn dây cho stator động cơ BLDC, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và tạo ra sản phẩm hoàn thiện đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.
Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được triển khai qua 7 nội dung cụ thể:
- Nội dung 1: Nghiên cứu, tìm hiểu về cơ cấu của stator động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC).
- Nội dung 2: Nghiên cứu, tìm hiểu về vi điều khiển STM32F103 (STM32F103C8T6), phương thức kết nối, giao tiếp với máy tính, xử lý tín hiệu vào và xuất xung điều khiển.
- Nội dung 3: Tìm hiểu các linh kiện và thiết bị sử dụng trong mô hình điều khiển bao gồm driver AC Servo, động cơ bước (Step motor), cảm biến quang, cảm biến hành trình và các cơ cấu chấp hành.
- Nội dung 4: Nghiên cứu giải thuật và viết chương trình điều khiển hệ thống.
- Nội dung 5: Dựa trên các nghiên cứu về linh kiện điện tử và cơ cấu động cơ, tiến hành tính toán thiết kế và thi công mô hình phần cứng (tủ điện điều khiển, cơ cấu cơ khí).
- Nội dung 6: Viết báo cáo thực hiện đồ án tốt nghiệp.
- Nội dung 7: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.
Đối tượng nghiên cứu là cơ cấu cơ khí và hệ thống điều khiển tự động phục vụ công đoạn quấn dây đồng cho stator động cơ BLDC. Phạm vi nghiên cứu về mặt kỹ thuật được giới hạn ở các stator động cơ BLDC có dải công suất từ 40W đến 60W, với chỉ tiêu năng suất thiết kế dự kiến đạt 3 stator/giờ. Phạm vi không gian và thời gian thực hiện diễn ra tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh với sự phối hợp hỗ trợ kỹ thuật từ Công ty TNHH Avant Garde Việt Nam và Công ty TNHH Trí Việt, hoàn thành vào tháng 02/2019.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Về mặt lý thuyết động cơ, động cơ một chiều không chổi than (BLDC) thực chất là một dạng động cơ xoay chiều đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt mấu chốt so với động cơ điện một chiều truyền thống là BLDC loại bỏ hoàn toàn cơ cấu cổ góp và chổi than cơ học vốn dễ bị mài mòn, thay vào đó là phương pháp chuyển mạch điện tử bằng linh kiện bán dẫn. Rotor của động cơ BLDC được cấu tạo từ các thanh nam châm vĩnh cửu (nam châm ferit hoặc hợp kim đất hiếm có mật độ từ trường cao) gắn trên bề mặt hoặc đặt chìm bên trong lõi thép. Vị trí góc quay của từ trường rotor so với các pha cuộn dây stator được xác định thông qua cảm biến hiệu ứng Hall (Hall sensor), phục vụ việc đóng ngắt dòng điện đúng thời điểm theo dạng sóng sức phản điện động hình thang.
| Tiêu chí so sánh |
Động cơ điện một chiều thông thường |
Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC) |
| Cấu trúc cơ khí |
Mạch kích từ nằm trên stator |
Mạch kích từ nằm trên rotor |
| Yêu cầu bảo dưỡng |
Cần bảo dưỡng thường xuyên do mòn chổi than và cổ góp |
Dễ bảo dưỡng hoặc rất ít yêu cầu bảo dưỡng |
| Xác định vị trí rotor |
Tự động xác định bằng tiếp xúc chổi than |
Sử dụng cảm biến vị trí (phần tử Hall) |
| Phương pháp đảo chiều |
Đảo chiều điện áp nguồn cấp cho mạch kích từ |
Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu logic điều khiển |
Về lý thuyết truyền thông và điều khiển, đồ án áp dụng chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ UART/USART tích hợp trên vi điều khiển và nghiên cứu chuẩn truyền thông công nghiệp vi sai RS-485. Chuẩn RS-485 truyền tín hiệu trên hai dây cân bằng A và B, cho phép triệt tiêu nhiễu đồng pha, hỗ trợ khoảng cách truyền tối đa 1.200 m (4.000 feet), tốc độ truyền đạt từ 115.200 bps đến 10 Mbps, kết nối tối đa 32 trạm thu phát trên một đường truyền với trở kháng đặc tính danh định từ 100 Ω đến 120 Ω.
Phương pháp nghiên cứu trong đồ án là phương pháp thực nghiệm kỹ thuật kết hợp thiết kế tính toán phần cứng và phát triển phần mềm nhúng. Tác giả tiến hành phân tích thông số cơ học của stator mẫu, tính toán chọn lựa linh kiện công suất, thiết kế mạch in (PCB) trên phần mềm chuyên dụng, thi công cơ khí kết hợp lắp ráp tủ điện, và lập trình điều khiển chuyển động đa trục khép kín. Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm các tài liệu kỹ thuật (datasheet) chính hãng của vi điều khiển STM32F103C8T6, mạch điều khiển động cơ bước TB6600, động cơ Megatorque AC Servo, cảm biến quang Omron EE-SX671, cảm biến xi lanh SMC D-Z73 và các thông số kích thước hình học của stator tại xưởng sản xuất.
Thiết kế và thi công hệ thống
Căn cứ vào kết cấu cơ khí do nhóm thực hiện phối hợp cùng Công ty TNHH Trí Việt phát triển, phôi lõi sắt stator có chiều cao thực tế là 7 cm. Để đảm bảo cơ cấu cấp dây hoạt động trơn tru, thanh dẫn hướng theo phương thẳng đứng được thiết kế có hành trình dịch chuyển tịnh tiến là 10 cm. Ống dẫn sợi dây đồng phải có bề mặt nhẵn bóng cơ học nhằm tránh gây xước lớp men cách điện. Đồ gá kẹp giữ lõi sắt được gắn trên trục quay có khả năng xoay tròn linh hoạt 360 độ.
Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm: Khối vi điều khiển trung tâm STM32F103C8T6; Khối nút nhấn điều khiển (Start, Stop); Khối cảm biến (2 cảm biến từ D-Z73 và 2 cảm biến quang EE-SX671); Khối nguồn cách ly; Giao diện kết nối máy tính; và Khối cơ cấu chấp hành (Động cơ bước, Động cơ AC Servo, Xi lanh khí nén).
Khối xử lý trung tâm sử dụng chip STM32F103C8T6 (kiến trúc 32-bit ARM Cortex-M3, tần số xung nhịp tối đa 72 MHz, bộ nhớ Flash 64 KB, thạch anh dao động ngoài 8 MHz, thạch anh 32.768 kHz phục vụ khối thời gian thực RTC). Mạch nguồn cấp cho vi điều khiển được bố trí cặp tụ lọc 10 µF và 100 nF mắc song song để triệt tiêu nhiễu xung cao tần.
Mạch ngõ vào gồm 8 kênh, sử dụng opto cách ly quang TLP-280 hoạt động ở vùng bão hòa (dòng kích $I_F = 5 \text{ mA} - 6 \text{ mA}$, điện áp rơi $V_F = 1{,}2\text{ V} - 1{,}85\text{ V}$) để cách ly hoàn toàn điện áp 24VDC công nghiệp từ cảm biến với điện áp logic 3,3V của vi xử lý. Mạch thực tế dùng 6 kênh và để dự phòng 2 kênh cho việc mở rộng tính năng.
Mạch ngõ ra công suất gồm 8 kênh điều khiển độc lập. Mỗi kênh sử dụng opto cách ly quang TLP-280 kết hợp trở hạn dòng $R_{N1A} = 330,\Omega$ ($V_{CC} = 3{,}3\text{ V}$, $I_F = 6\text{ mA}$). Tầng khuếch đại chấp hành dùng MOSFET 50N06 chịu công suất tối đa 130W, hoạt động đóng cắt ở điện áp điều khiển cực cổng $V_{GS} = 10\text{ V}$. Để bảo vệ linh kiện, một diode zener DO214AA được mắc song song giữa hai chân G và S nhằm dập các xung điện áp vọt lố vượt quá 12V; một diode 1N4007 mắc song song ngược cực với tải cảm để triệt tiêu dòng điện cảm ứng; và một cầu chì tự phục hồi 5A mắc nối tiếp ở đầu ra để ngắt mạch khi xảy ra quá dòng.
Khối nguồn cách ly được xây dựng gồm 4 khối chức năng: Khối bảo vệ ngõ vào (chống quá áp, chống đảo cực, tiếp địa vỏ), Khối lọc nguồn ổn định điện áp, Khối cách ly DC-DC biến đổi từ 24VDC sang 5VDC, và Khối ổn áp hạ áp xuống 3,3VDC cấp cho vi điều khiển. Thiết kế chi tiết sơ đồ nguyên lý của khối nguồn được giữ bảo mật theo yêu cầu quyền sở hữu giải pháp công nghệ của doanh nghiệp hỗ trợ.
| Nhóm tín hiệu |
Ký hiệu chân |
Địa chỉ phần mềm |
Chức năng kỹ thuật |
| Ngõ vào |
IN1 |
I1 |
Tín hiệu cảm biến quang đặt vị trí ban đầu (Home) cho động cơ bước |
|
IN2 |
I2 |
Tín hiệu cảm biến từ báo xi lanh đi xuống hết hành trình |
|
IN3 |
I3 |
Tín hiệu cảm biến từ báo xi lanh đi lên hết hành trình |
|
IN4 |
I4 |
Tín hiệu cảm biến quang đặt vị trí ban đầu (Home) cho động cơ AC Servo |
|
IN5 |
I5 |
Tín hiệu nút nhấn Stop (tạm dừng hệ thống) |
|
IN6 |
I6 |
Tín hiệu nút nhấn Start (cho phép máy bắt đầu quấn) |
| Ngõ ra |
OUT3 |
O3 |
Điều khiển van điện khí nén nâng/hạ ống dẫn dây của xi lanh |
|
OUT4 |
O4 |
Băm xung điều khiển động cơ AC Servo quay theo chiều tiến |
|
OUT5 |
O5 |
Băm xung điều khiển động cơ AC Servo quay theo chiều lùi |
|
OUT7 |
O7 |
Điều khiển mức logic xác định chiều quay của động cơ bước |
|
OUT8 |
O8 |
Xuất xung điều khiển góc quay/số bước của động cơ bước |
Thiết bị chấp hành và đóng cắt trong tủ điện bao gồm:
- Động cơ AC Servo Megatorque: Truyền động trực tiếp không dùng hộp số giảm tốc, độ phân giải đạt 819.200 xung/vòng, sai số lặp lại $\pm 1{,}6$ giây góc, tích hợp phanh hãm, hoạt động ở dải nguồn $220\text{V} \pm 10%$, giao tiếp qua cổng RS-232C (baud rate 9600 bps), khối lượng bộ driver là 3 kg.
- Động cơ bước và Driver TB6600: Nguồn cấp 9V - 42V, dòng cực đại 4A, cài đặt dòng hoạt động từ 0,5A đến 3,5A bằng switch SW4-SW6, cài đặt vi bước từ 1 đến 32 vi bước (tương đương 200 đến 6.400 xung/vòng) qua switch S1-S3.
- Cảm biến: 2 cảm biến quang Omron EE-SX671 (khe hở phát hiện 5 mm, vật cản tối thiểu $2 \times 0{,}8\text{ mm}$, tần số đáp ứng 1 kHz, ngõ ra NPN cực thu hở 100 mA, chế độ Light-ON); 2 cảm biến từ SMC D-Z73 (nguồn 24VDC, dòng tải 5 - 40 mA, có đèn LED đỏ hiển thị).
- Thiết bị an toàn tủ điện: MCB (Miniature Circuit Breaker) 20A, điện áp định mức 400VAC, khả năng cắt dòng ngắn mạch 4.500A; Contactor 3 pha NXC dòng tiếp điểm 18A (1NO+1NC, điện áp cuộn hút 220V/380V); Bộ lọc nhiễu xoay chiều 1 pha dòng 10A (110VAC/250VAC, 50/60Hz); Nguồn tổ ong 24V-5A công suất 120W (dải áp vào 85~132VAC / 180~264VAC).
Phần mềm điều khiển hệ thống được phát triển trên hai môi trường:
- Firmware cho vi điều khiển: Viết và biên dịch trên Arduino IDE, nạp chương trình vào bo mạch STM32F103 qua cổng giao tiếp COM3. Thuật toán điều khiển bao gồm các khối chương trình con: chương trình khởi tạo trở về điểm gốc (Home), chương trình bắt đầu quấn, chương trình con quấn 6 cuộn dây, chương trình định hình cách quấn (CachQuan), chương trình quấn 1 lớp, chương trình xử lý ngắt và hiệu chỉnh, lưu trữ góc quấn.
- Phần mềm giao diện máy tính: Lập trình bằng Microsoft Visual Studio trên nền C# Windows Forms (Form1), sử dụng các công cụ Toolbox và Properties để thiết kế nút nhấn điều khiển, hiển thị cổng kết nối và giám sát hoạt động của máy.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng Quan
Chương này nêu bật tính cấp thiết của tự động hóa trong sản xuất công nghiệp thông qua khảo sát thực tế tại Công ty TNHH Avant Garde Việt Nam. Tác giả phân tích những hạn chế của phương pháp quấn stator thủ công (năng suất thấp, tốn công lao động, tỷ lệ phế phẩm cao), từ đó xác lập mục tiêu thiết kế máy quấn dây tự động. Chương này công bố 7 nội dung nhiệm vụ nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật của mô hình (quấn stator động cơ BLDC công suất từ 40W đến 60W, năng suất 3 stator/giờ) và tóm tắt cấu trúc báo cáo gồm 5 chương.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương 2 tổng hợp toàn bộ nền tảng lý thuyết và thông số thiết bị sử dụng trong đề tài. Nội dung bao gồm: lý thuyết cấu tạo động cơ BLDC (cấu trúc stator khe rãnh, phân loại rotor có nam châm bề mặt hoặc nam châm chìm, cảm biến Hall); bảng so sánh đặc tính giữa động cơ BLDC và động cơ DC chổi than; cấu hình chi tiết của vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6 lõi Cortex-M3 (Flash 64 KB, 72 MHz, ADC 12-bit, timer điều khiển động cơ); lý thuyết giao tiếp nối tiếp qua UART/USART và chuẩn truyền dẫn công nghiệp vi sai RS-485 (cặp dây xoắn, trở kháng 100 - 120 Ω, cự ly 1.200 m, 32 trạm thu phát). Đồng thời, chương này liệt kê thông số kỹ thuật của bộ nguồn 24V-5A (120W), driver động cơ bước TB6600 (dòng 4A, vi bước lên đến 6.400 xung/vòng), động cơ AC Servo Megatorque (819.200 xung/vòng), bộ lọc nhiễu 1 pha 10A, xi lanh khí nén SMC, cảm biến hành trình từ D-Z73, cảm biến quang EE-SX671, thiết bị đóng cắt MCB 20A và contactor NXC 18A.
Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế
Chương 3 trình bày các bước tính toán và thiết kế hệ thống. Dựa trên thông số kích thước stator (cao 7 cm) và cơ chế dẫn dây (hành trình trượt thẳng đứng 10 cm, quay 360 độ), tác giả xây dựng sơ đồ khối tổng thể liên kết giữa vi điều khiển, cảm biến, nút nhấn và khối cơ cấu chấp hành. Chương này phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch ngõ vào 8 kênh dùng opto TLP-280 ($I_F = 5\text{ mA} - 6\text{ mA}$) và mạch ngõ ra 8 kênh dùng MOSFET 50N06 (130W, $V_{GS} = 10\text{ V}$) kết hợp diode dập xung DO214AA, diode 1N4007 và cầu chì tự phục hồi 5A. Bên cạnh đó, tác giả giải trình nguyên lý mạch vi điều khiển dùng thạch anh 8 MHz, sơ đồ khối mạch nguồn cách ly DC-DC 24V sang 5V và 3,3V, lập bảng phân bổ địa chỉ I/O và vẽ sơ đồ đi dây kết nối các thiết bị trong tủ điện công nghiệp.
Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo thực tế của đề tài. Nội dung gồm: quy trình thiết kế mạch in PCB 2 lớp trên phần mềm Altium Designer (tạo project, vẽ sơ đồ nguyên lý, chuyển netlist sang PCB, sắp xếp linh kiện, xuất mô hình 3D); các bước kiểm tra điện áp nguồn cấp 24V và nguồn 3,3V bằng đồng hồ đo VOM; thi công bố trí lắp ráp các thiết bị trong tủ điện hoàn chỉnh; lắp đặt cơ cấu cơ khí, đồ gá phôi, mâm xoay, xi lanh và vị trí cố định của các cảm biến quang EE-SX671 và cảm biến từ D-Z73. Trong phần phần mềm, tác giả hướng dẫn cài đặt và thiết lập môi trường Arduino IDE, nạp code cho STM32 qua cổng COM3, xây dựng giao diện vận hành trên Microsoft Visual Studio, đồng thời trình bày các lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống (thuật toán chính, thuật toán về gốc ban đầu, thuật toán quấn 6 cuộn dây, thuật toán quấn phân lớp, chương trình hiệu chỉnh và lưu góc quấn).
Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá
Chương 5 trình bày các kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thiện chế tạo: hình ảnh thực tế khung máy kim loại, mặt bàn thao tác làm việc, tủ điện điều khiển đã đấu nối dây hoàn chỉnh và sản phẩm lõi stator sau khi được máy quấn dây đồng hoàn thiện. Tác giả đưa ra các nhận xét đánh giá về khả năng vận hành tự động của hệ thống, mức độ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đề ra ban đầu, nêu rõ các hạn chế còn tồn đọng và đề xuất các định hướng phát triển nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của máy trong sản xuất thực tế.
Kết quả và đóng góp
Về kết quả kỹ thuật, đồ án đã chế tạo thành công mô hình máy quấn dây tự động hoàn chỉnh cho stator động cơ BLDC, bao gồm kết cấu cơ khí bàn máy, cơ cấu mâm xoay kẹp phôi stator và cơ cấu trượt dẫn hướng dây đồng. Tác giả đã thiết kế và gia công bo mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 với 8 kênh ngõ vào và 8 kênh ngõ ra cách ly quang hoàn toàn bằng opto TLP-280, tầng công suất đóng cắt MOSFET 50N06 có tích hợp các cơ cấu bảo vệ quá dòng (cầu chì tự phục hồi 5A) và dập xung điện áp ngược (diode zener DO214AA, diode 1N4007). Hệ thống tủ điện công nghiệp được tích hợp đầy đủ các thiết bị an toàn gồm MCB 20A, contactor 18A, bộ lọc nhiễu nguồn 10A, bộ nguồn tổ ong 24V-5A, driver TB6600 và bộ điều khiển Megatorque AC Servo. Mô hình thực nghiệm đã vận hành ổn định, thực hiện chu trình quấn dây đồng tự động cho stator động cơ BLDC công suất từ 40W đến 60W, tạo ra thành phẩm lõi stator có các cuộn dây quấn đúng kỹ thuật và định hình chính xác vào các rãnh cực.
Về giải pháp và đóng góp thực tiễn, đề tài đã thay thế thành công thao tác quấn dây bằng tay truyền thống bằng một chu trình máy tự động hóa khép kín, kết hợp đồng bộ giữa chuyển động quay của mâm cặp và chuyển động tịnh tiến của ống dẫn dây đồng. Nghiên cứu giải quyết trực tiếp bài toán sản xuất thực tế tại Công ty TNHH Avant Garde Việt Nam, giúp giảm thiểu thời gian gia công, loại bỏ lỗi trầy xước men dây do thao tác thủ công, nâng cao độ tin cậy của bối dây và giảm chi phí nhân công cho dây chuyền chế tạo stator động cơ BLDC.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Mô hình máy quấn dây tự động trong đồ án còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:
- Phạm vi hoạt động của máy bị giới hạn ở dải công suất stator từ 40W đến 60W, chưa thể áp dụng trực tiếp cho các loại stator có kích thước lớn hơn hoặc công suất ngoài dải này.
- Năng suất làm việc định mức của mô hình mới dừng lại ở mức dự kiến 3 stator/giờ, tốc độ quấn chưa được tối ưu hóa ở mức cao.
- Quá trình gá đặt lõi sắt ban đầu vào mâm xoay và công đoạn lấy thành phẩm sau khi quấn ra khỏi máy vẫn cần công nhân can thiệp thủ công, chưa có cơ cấu cấp - nhả phôi tự động.
- Hệ thống chưa tích hợp cảm biến giám sát và tự động phản hồi lực căng của sợi dây đồng trong suốt quá trình quấn.
- Do cam kết bảo mật quyền sở hữu giải pháp công nghệ của doanh nghiệp hỗ trợ, sơ đồ nguyên lý chi tiết của mạch nguồn cách ly DC-DC chưa được công bố hoàn chỉnh trong thuyết minh.
Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:
- Nâng cấp chương trình điều khiển và cấu trúc đồ gá cơ khí để máy có thể quấn được nhiều chủng loại stator với kích thước và dải công suất đa dạng hơn.
- Thiết kế bổ sung cơ cấu tự động kiểm soát và duy trì lực căng sợi dây đồng nhằm đảm bảo độ chặt chẽ và đồng đều tuyệt đối giữa các lớp dây.
- Tích hợp thêm cánh tay robot hoặc hệ thống cơ khí kẹp nhả tự động để tự động hóa hoàn toàn từ khâu nạp phôi lõi sắt đến khâu đưa thành phẩm ra ngoài, khép kín toàn bộ chu trình sản xuất.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng thực tế cao đối với sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Chế tạo máy.
Những nội dung nổi bật có thể khai thác phục vụ nghiên cứu và làm đồ án tương tự gồm:
- Thiết kế mạch giao tiếp I/O công nghiệp cách ly quang học: Phương pháp tính toán giá trị điện trở hạn dòng, thiết kế tầng kích mở bão hòa bằng opto TLP-280 và MOSFET công suất 50N06, cùng các giải pháp dập xung nhiễu tải cảm và chống sét/vọt lố điện áp.
- Giải pháp ghép nối và điều khiển chuyển động đa trục: Phương pháp phối hợp giữa vi điều khiển 32-bit STM32F103 với động cơ bước vi bước qua driver TB6600 và động cơ AC Servo Megatorque có độ phân giải cao (819.200 xung/vòng) truyền động trực tiếp.
- Quy trình triển khai phần cứng công nghiệp hoàn chỉnh: Các bước thiết kế bo mạch in 2 lớp bằng phần mềm Altium Designer, kỹ thuật bố trí linh kiện, đấu nối chống nhiễu trong tủ điện công nghiệp theo các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn.
Câu hỏi thường gặp
1. Vi điều khiển trung tâm được sử dụng trong hệ thống là dòng nào và có cấu hình phần cứng ra sao?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 thuộc họ ARM 32-bit Cortex-M3, có tần số hoạt động tối đa 72 MHz và bộ nhớ lập trình Flash 64 KB. Vi điều khiển sử dụng thạch anh ngoài 8 MHz kết nối tại chân 5 và chân 6 để tạo xung nhịp hệ thống, kết hợp thạch anh 32.768 kHz phục vụ cho khối thời gian thực RTC. Nguồn cấp cho chip được mắc song song cặp tụ 10 µF và 100 nF để lọc xung nhiễu.
2. Tại sao tác giả lại lựa chọn động cơ AC Servo Megatorque cho cơ cấu xoay lõi stator thay vì động cơ thông thường?
Động cơ AC Servo Megatorque là loại động cơ truyền động trực tiếp không cần sử dụng bộ hộp số giảm tốc cơ học, giúp loại bỏ phản ứng ngược và hiện tượng mất bước chuyển động. Động cơ này có độ phân giải rất cao đạt 819.200 xung/vòng, mang lại độ lặp lại chính xác đạt $\pm 1{,}6$ giây góc, tích hợp phanh hãm và bộ dò vị trí tạo thành hệ thống điều khiển vòng kín hoàn toàn, đáp ứng yêu cầu định vị góc quấn cực kỳ chính xác cho các rãnh cực stator.
3. Mạch ngõ ra điều khiển công suất được thiết kế với các giải pháp bảo vệ kỹ thuật nào?
Mạch ngõ ra sử dụng MOSFET kênh N 50N06 (công suất 130W, $V_{GS} = 10\text{V}$) được cách ly quang với vi xử lý qua opto TLP-280. Mạch được bảo vệ toàn diện qua 3 tầng: diode DO214AA mắc song song cực G-S để cắt các xung điện áp vọt lố quá 12V; diode 1N4007 mắc song song bảo vệ chống dòng điện ngược sinh ra từ các loại tải cảm; và cầu chì tự phục hồi định mức 5A mắc trên đường ra để ngắt mạch khi có sự cố quá dòng.
4. Hệ thống sử dụng những loại cảm biến nào và đảm nhiệm chức năng gì trong chu trình quấn dây?
Hệ thống sử dụng 4 cảm biến, chia làm hai loại:
- 2 cảm biến quang Omron EE-SX671 (nguồn 5-24VDC, khe hở 5 mm, tần số 1 kHz, chế độ Light-ON): Dùng để xác định vị trí gốc ban đầu (Home) và giới hạn hành trình cho động cơ bước (kết nối chân I1) và động cơ AC Servo (kết nối chân I4).
- 2 cảm biến từ SMC D-Z73 (nguồn 24VDC, 5-40 mA, có LED hiển thị): Gắn trên thân xi lanh khí nén SMC để phát hiện trạng thái hành trình chuyển động đi xuống (chân I2) và đi lên (chân I3) của cơ cấu dẫn dây.
5. Phạm vi áp dụng và năng suất thiết kế định mức của mô hình máy quấn dây này là bao nhiêu?
Theo công bố của tác giả trong chương giới hạn đề tài, mô hình máy quấn dây tự động được thiết kế phục vụ chuyên biệt cho các stator động cơ BLDC có dải công suất từ 40W đến 60W. Năng suất quấn dây thiết kế dự kiến của hệ thống đạt 3 stator trên 1 giờ làm việc.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy tự động quấn dây cho stator động cơ BLDC" do sinh viên Ngô Thị Hồng Vương thực hiện đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về mặt thiết kế phần cứng, gia công mạch in, lắp ráp cơ khí và lập trình điều khiển nhúng. Hệ thống tích hợp thành công vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6 với các cơ cấu truyền động chính xác cao như động cơ AC Servo Megatorque, động cơ bước vi bước TB6600 và hệ thống xi lanh khí nén SMC, tạo nên chu trình tự động hóa ổn định cho dải stator 40W - 60W. Kết quả nghiên cứu giải quyết hiệu quả bài toán thay thế phương pháp quấn dây thủ công năng suất thấp tại Công ty TNHH Avant Garde Việt Nam, đồng thời cung cấp một mô hình thực nghiệm tiêu biểu về tự động hóa dây chuyền sản xuất thiết bị điện cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử tham khảo.
