Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công máy tự động quấn dây cho Stator động cơ BLDC

Chia sẻ: Xylitol Extra | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:113

Thêm vào BST

Báo xấu

211
lượt xem 34
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án tốt nghiệp có nội dung nghiên cứu, tìm hiểu về cơ cấu của stator động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC), vi điều khiển STM32F4103, cách kết nối, giao tiếp với máy tính, đọc tín hiệu,xuất xung. Tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị sử dụng trong mô hình điều khiển: driver AC servo, Step motor, cảm biến sợi quang, motor quay... Nghiên cứu giải thuật, viết chương trình điều khiển. Dựa trên những nghiên cứu tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị điện cũng như cơ cấu của động cơ điện, tiến hành tính toánthiết kế và thi công mô hình (tủ điện, cơ khí...). Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công máy tự động quấn dây cho Stator động cơ BLDC

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ VIỆT NAM BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày tháng , năm 2019. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Ngô Thị Hồng Vương MSSV: 14141377 Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông. Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 1414DT1B. I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY TỰ ĐỘNG QUẤN DÂY CHO STATOR ĐỘNG CƠ BLDC. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Tìm hiểu các tài liệu về động cơ BLDC ................................................................................ ................................................................................................................................................ 2. Nội dung thực hiện:  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 STM32F4103, cách kết nối, giao tiếp với máy tính, đọc tín hiệu, xuất xung.  Nội dung 3: Tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị sử dụng trong mô hình điều khiển: driver AC servo, Step motor, cảm biến sợi quang, motor quay….  Nội dung 4: Nghiên cứu giải thuật, viết chương trình điều khiển.  Nội dung 5: Dựa trên những nghiên cứu tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị điện cũng như cơ cấu của động cơ điện, tiến hành tính toán thiết kế và thi công mô hình (tủ điện, cơ khí…)  Nội dung 6: Viết báo cáo thực hiện đồ án.  Nội dung 7: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.S Nguyễn Thanh Bình. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH i
LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Những người thực hiện đề tài. Ngô Thị Hồng Vương BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii
LỜI CẢM ƠN Nhóm thực hiện xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Thanh Bình_Giảng viên bộ môn Vi Xử Lý đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài. Nhóm thực hiện gửi lời chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Nhóm thực hiện gửi lời cảm ơn chân thành đến Công ty Trách nhiệm Hữu hạn Avant Garde Việt Nam và Công ty Trách nhiệm Hữu hạn Trí Việt đã hỗ trợ, tạo điều kiện cho nhóm em thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! Những người thực hiện đề tài Ngô Thị Hồng Vương BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii
DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1: Stator động cơ BLDC ..........................................................................................4 Hình 2.2: Rotor có nam châm gắn trên bề mặt ...................................................................5 Hình 2.3: Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi ...................................................................5 Hình 2.4: Các loại rotor của động cơ BLDC.......................................................................6 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh chip STM32F103C8T6 ........................................7 Hình 2.6: Nguồn tổ ong 24V .............................................................................................12 Hình 2.7: Động cơ bước ....................................................................................................13 Hình 2.8: Driver điều khiển động cơ bước .......................................................................14 Hình 2.9: Cấu tạo động cơ AC Servo................................................................................16 Hình 2.10: Sơ đồ mô tả kết nối thiết bị điều khiển Driver và động cơ AC Servo ............17 Hình 2.11: Hình minh họa các thành phần của bộ Driver .................................................17 Hình 2.12: Bộ lọc nhiểm điện áp xoay chiều ....................................................................19 Hình 2.13: Hình ảnh Xi lanh .............................................................................................20 Hình 2.14: Cảm biến hành trình D-Z73 ............................................................................20 Hình 2.15: Sơ đồ mạch điều khiển ....................................................................................20 Hình 2.16: Cảm biến quang EE-SX671 ............................................................................21 Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý cảm biến quang EE-SX671 ..................................................22 Hình 2.18: Hình ảnh MCB ................................................................................................22 Hình 2.19: Hình ảnh Contactor .........................................................................................23 Hình 3.1: Hình ảnh mô phỏng máy quấn dây ...................................................................24 Hình 3.2: Sơ đồ khối của máy tự động quấn dây. .............................................................25 Hình 3.3: Hình ảnh mô tả kết nối các thiết bị. ..................................................................26 Hình 3.4: Sơ đồ kết nối cảm biến D-Z73 ..........................................................................26 Hình 3.5: Sơ đồ kết nối cảm biến quang ...........................................................................27 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iv
Hình 3.6: Sơ đồ khối mạch ngõ ra ....................................................................................28 Hình 3.7: Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa Ic và Vce trên opto TLP-280. .......................28 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý 1 kênh mạch ngõ ra ................................................................29 Hình 3.9: Sơ đồ khối mạch ngõ vào. .................................................................................30 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch ngõ vào .......................................................................30 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch vi xử lý .......................................................................31 Hình 3.12: Sơ đồ khối mạch nguồn...................................................................................32 Hình 3.13: Sơ đồ nối dây các thiết bị trong tủ điện...........................................................33 Hình 4.1: Tạo một dự án mới ............................................................................................35 Hình 4.2: Đặt tên dự án và chọn nơi lưu dự án .................................................................36 Hình 4.3: Thanh công cụ Libraries và nút Libraries .........................................................37 Hình 4.4: Cửa sổ “Available Libraries” ............................................................................38 Hình 4.5: Board PCB ban đầu ...........................................................................................39 Hình 4.6: Chuyển sơ đồ nguyên lý sang sơ đồ PCB .........................................................39 Hình 4.7: Cửa số “Engineering Change Order”. ...............................................................40 Hình 4.8: Các linh kiện chưa được sắp xếp. .....................................................................40 Hình 4.9: Lớp trên board mạch .........................................................................................41 Hình 4.10: Lớp dưới của board mạch ...............................................................................42 Hình 4.11: Hình mô phỏng mặt trên board mạch khi chưa có linh kiện ...........................42 Hình 4.12: Hình mô phỏng mặt dưới board mạch khi chưa có linh kiện. ........................43 Hình 4.13: Hình mô phỏng 3D mặt trên của board ...........................................................43 Hình 4.14: Hình mô phỏng 3D mặt dưới của board..........................................................44 Hình 4.15: Kiểm tra nguồn cấp vào cho mạch điều khiển ................................................48 Hình 4.16: Kiểm tra nguồn 3.3v cấp cho vi xử lý .............................................................48 Hình 4.17: Sơ đồ bố trí các thiết bị trong tủ điện ..............................................................50 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH v
Hình 4.18: Tủ điện sau khi đã hoàn thiện .........................................................................51 Hình 4.19: Kiểm tra điện áp ngõ ra của MCB bằng VOM ...............................................52 Hình 4.20: Vị trí các thiết bị trong cơ cấu quấn ................................................................53 Hình 4.21: Vị trí cảm biến quang ......................................................................................53 Hình 4.22: Vị trí cảm biến hành trình trên xilanh. ...........................................................53 Hình 4.23: Phía trong hộp nhựa ........................................................................................54 Hình 4.24: Nắp hộp nhựa ..................................................................................................54 Hình 4.25: Lưu đồ giải thuật của chương trình chính .......................................................55 Hình 4.26: Lưu đồ trở về vị trí ban đầu. ...........................................................................56 Hình 4.27: Lưu đồ chương trình bắt đầu quấn. .................................................................57 Hình 4.28: Lưu đồ Chương trình con quấn 6 cuộn. ..........................................................58 Hình 4.29: Lưu đồ quấn 1 cuộn.........................................................................................59 Hình 4.30: Lưu đồ chương trình CachQuan......................................................................60 Hình 4.31: Lưu đồ cách quấn 1 lớp. ..................................................................................62 Hình 4.32: Lưu đồ chương trình MayQuanDay1_Handle(). ............................................63 Hình 4.33: Lưu đồ chương trình con chỉnh góc quấn. ......................................................64 Hình 4.34: Lưu đồ chương trình lưu góc. ..........................................................................65 Hình 4.35: Màn hình Download Arduino IDE..................................................................66 Hình 4.36: Mở chương trình cài đặt. .................................................................................66 Hình 4.37: Màn hình cài đặt “License Agreemen” ...........................................................67 Hình 4.38: Màn hình cài đặt “Installation Options”. ........................................................67 Hình 4.39: Màn hình chờ cài đặt. ......................................................................................68 Hình 4.40: Màn hình cài đặt driver. ..................................................................................68 Hình 4.41: Màn hình cài đặt hoàn thành. ..........................................................................69 Hình 4.42: Tạo một project mới. .......................................................................................69 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH vi
Hình 4.43: Màn hình viết code. .........................................................................................70 Hình 4.44: Biên dịch code .................................................................................................71 Hình 4.45: Kết nối với cổng COM3 ..................................................................................71 Hình 4.46: Màn hình biên dịch thành công. ......................................................................72 Hình 4.47: Giao diện phần mềm Microsoft Vitual Studio. ...............................................72 Hình 4.48: Cách tạo một dự án mới. .................................................................................73 Hình 4.49: Chọn môi trường soạn thảo phần mềm. ..........................................................73 Hình 4.50: Giao diện soạn thảo phần mềm. ......................................................................74 Hình 4.51: Thanh công cụ Toolbox. .................................................................................74 Hình 4.52: Thanh công cụ Properties. ...............................................................................75 Hình 4.53: Giao diện sau khi thiết kế. ...............................................................................76 Hình 4.54: Lập trình hoạt động tại cửa sổ “Form1.cs”. ...................................................76 Hình 4.55: Vị trí đặt lõi sắt trong mâm xoay. ...................................................................77 Hình 4.56: Vị trí các thiết bị trong cơ cấu quấn ................................................................77 Hình 4.57: Vị trí MCB trong tủ điện .................................................................................78 Hình 4.58: Các nút nhấn dùng để điều khiển máy ............................................................78 Hình 4.59: Cuộn dây đã quấn hoàn thiện ..........................................................................79 Hình 5.1: Khung máy sau khi hoàn thành .........................................................................81 Hình 5.2: Bàn làm việc của máy .......................................................................................82 Hình 5.3: Lõi sắt sau khi được quấn hoàn thiện. ..............................................................83 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH vii
DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: So sánh động cơ BLDC với động cơ điện một chiều thông thường. ..................3 Bảng 2.2: Cài đặt cường độ dòng điện. .............................................................................15 Bảng 2.3: Cài đặt vi bước cho driver.................................................................................15 Bảng 3.1: Các ngõ vào được sử dụng. ...............................................................................34 Bảng 3.2: Các ngõ ra được sử dụng. .................................................................................34 Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện. ...................................................................................44 Bảng 4.2: Danh sách các thiết bị. ......................................................................................49 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BLDC: Brushless Direct Current. UART: Universal Asynchronous Receiver – Transmitter. USART: Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter. MCB: Miniature Circuit Breaker. LSB: Least Significant Bit. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ix
MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................ i Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................................ 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................................... 1 1.2. MỤC TIÊU ............................................................................................................. 1 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................. 1 1.4. GIỚI HẠN .............................................................................................................. 2 1.5. BỐ CỤC .................................................................................................................. 2 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 3 2.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC (BRUSHLESS DIRECT CURRENT) . 3 2.2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ................................................................................. 6 2.2.1. Vi điều khiển STM32F103C8T6 ........................................................................... 6 2.2.2. Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6: ............................................................. 7 2.2.3. Giao Tiếp UART: ................................................................................................... 8 a. Các khái niệm liên quan đến giao tiếp qua module UART gồm: ...................... 9 b. Giới thiệu chuẩn giao tiếp RS-485. ....................................................................... 9 c. Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS-485....................................................... 10 2.2.4. Nguồn tổ ong 24V-5A: ......................................................................................... 12 2.2.5. Động cơ bước ........................................................................................................ 13 2.2.6. Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước TB6600 ......................................................... 14 2.2.7. Động cơ AC Servo (Megatorque Motor): .......................................................... 15 a. Tính năng: ............................................................................................................. 15 b. Thông số kỹ thuật: ............................................................................................... 16 c. Thông số kỹ thuật................................................................................................. 18 2.2.8. Bộ lọc nhiễu: ......................................................................................................... 18 2.2.9. Xi lanh ................................................................................................................... 19 2.2.10. Cảm biến hành trình xi lanh D-Z73 ............................................................ 20 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .................................................................... 24 3.1. GIỚI THIỆU ........................................................................................................ 24 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ....................................................... 25 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ............................................................................... 25 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH x
3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch .................................................................................. 26 a. Thiết kế khối cảm biến ........................................................................................ 26 b. Thiết kế khối ngõ ra:............................................................................................ 27 c. Thiết kế khối ngõ vào: ......................................................................................... 29 d. Thiết kết khối vi xử lý:......................................................................................... 31 e. Khối nguồn: .......................................................................................................... 32 3.2.3. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch: ......................................................................... 32 a. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch bộ điều khiển: ........................................................ 32 b. Sơ đồ bố trí: .......................................................................................................... 33 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................ 35 4.1. GIỚI THIỆU ........................................................................................................ 35 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG..................................................................................... 35 4.2.1. Thi công board mạch ........................................................................................... 35 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................................. 47 4.2.3. Lắp ráp tủ điện ..................................................................................................... 48 4.2.4. Lắp ráp cảm biến ................................................................................................. 52 4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ........................................................... 54 4.3.1. Đóng gói bộ điều khiển ........................................................................................ 54 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................................... 55 4.4.1. Lưu đồ giải thuật .................................................................................................. 55 4.4.2. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ............................................................... 65 4.5. Phần mềm viết giao diện: .................................................................................... 72 4.6. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC .............................. 76 Chương 5: KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ....................................................... 80 5.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN ..................................................................................... 80 5.2 ĐÁNH GIÁ NHẬN XÉT ..................................................................................... 83 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................. 84 6.1 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 84 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................................... 84 Phụ Lục ........................................................................................................................... 86 Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 102 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các thành tựu đạt được ở nữa đầu thế kỷ XX trong lĩnh vực tự động hóa đã cho phép chế tạo ra nhiều loại máy tự động, liên kết giữa phần cứng và mềm góp phần thúc đẩy, phát triển và ứng dụng linh hoạt tự động hóa vào quy trình sản xuất công nghiệp. Từ thực tế quá trình thực tập và làm việc tại Công ty Trách nhiệm Hữu hạn Avant Garde Việt Nam, nhóm thực hiện đề tài đã được tiếp xúc, làm việc và nhận ra tầm quan trọng của tự động hóa trong sản xuất công nghiệp. Nhóm thực hiện đề tài đã nhận thấy một số công đoạn nhất định vẫn phụ thuộc vào lao động thủ công, cụ thể trong sản xuất stator động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC). Với cấu tạo gồm lõi sắt và các cuộn dây đồng quấn quanh các cặp cực, việc quấn dây đồng cho động cơ BLDC phức tạp hơn so với cách quấn dây động cơ xoay chiều thông thường. Chính vì lý do đó, nên quá trình sản xuất động cơ BLDC tại Công ty Trách Nhiệm Hữu Hạn Avant Garde Việt Nam còn nhiều công đoạn phải làm bằng phương pháp thủ công, dẫn đến năng suất còn thấp, chất lượng sản phẩm chưa cao. Nhằm khắc phục những hạn chế của việc quấn stator bằng tay như lỗi sản phẩm và tốn nhiều nhân công, nhóm thực hiện đã quyết định chọn đề tài: “Thiết kế và thi công máy tự động quấn dây cho stator động cơ BLDC”. Đề tài này cũng là cơ hội để nhóm thực hiện có thể áp dụng những kiến thức đã được học ở trường vào nhìn nhận và giải quyết các vấn đề còn tồn tại trong quá trình sản xuất thực tế. 1.2. MỤC TIÊU Thiết kế và thi công máy tự động quấn dây cho stator động cơ BLDC. Máy vận hành hoạt động ổn định quấn được sản phẩm hoàn thiện. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  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 STM32F4103, cách kết nối, giao tiếp với máy tính đọc tín hiệu, xuất xung. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  NỘI DUNG 3: Tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị sử dụng trong mô hình điều khiển: driver AC servo, động cơ bước….  NỘI DUNG 4: Nghiên cứu giải thuật, viết chương trình điều khiển.  NỘI DUNG 5: Dựa trên những nghiên cứu tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị điện cũng như cơ cấu của động cơ điện, tiến hành tính toán thiết kế và thi công mô hình (tủ điện, cơ khí…).  NỘI DUNG 6: Viết báo cáo thực hiện đồ án.  NỘI DUNG 7: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp. 1.4. GIỚI HẠN Mô hình máy quấn dây tự động cho stator động cơ BLDC giới hạn quấn dây cho những động cơ BLDC có công suất từ 40W đến 60W và dự kiến năng suất quấn là 3 stator/1h. 1.5. BỐ CỤC  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
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. 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. Bảng 2.1: 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
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. Hình 2.1: 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
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. Hình 2.3: 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
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. Hình 2.4: 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. 2.2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.2.1. 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
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. Thạch anh 32.768 Khz chân 3-4 tạo xung dung cho đồng hồ thực và Watchdog. 2.2.2. 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).  20 kbytes SRAM.  Clock, reset và quản lý nguồn.  Điện áp hoạt động 2.0V -> 3.6V.  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
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V.  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.  7 kênh DMA.  Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART.  7 timer.  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).  3 bộ USART (ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control).  2 SPIs (18 Mbit/s).  1 be CAN interface (2.0B Active)  USB 2.0 full-speed interface  Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID. 2.2.3. 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
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). a. 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. b. Giới thiệu chuẩn giao tiếp RS-485. Khi một mạng cần phải chuyển các khối nhỏ thông tin trên một khoảng cách dài, RS- 485 thường là chuẩn giao tiếp được lựa chọn. Các nút mạng có thể là máy tính cá nhân, vi điều khiển, hoặc bất kỳ thiết bị có khả năng truyền thông nối tiếp không đồng bộ, so với Ethernet và giao diện mạng khác, phần cứng và giao thức yêu cầu của RS-485 đơn giản hơn và rẻ hơn. Năm 1983, Hiệp hội công nghiệp điện tử (EIA) đã phê duyệt một tiêu chuẩn truyền cân bằng mới gọi là RS-485, Đã được chấp nhận rộng rãi và sử dụng trong công nghiệp, y tế, và dân dụng. Có thể coi chuẩn RS-485 là một phát triển của RS-232 trong việc truyền dữ liệu nối tiếp. Những bộ chuyển đổi RS-232/RS-485 cho phép người dùng giao tiếp với bất kỳ thiết bị mà sử dụng liên kết nối tiếp RS-232 thông qua RS-485. Liên kết RS-485 được hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển cho những ứng dụng. Những đặc điểm nổi trội của RS-485 là nó có thể hỗ trợ một mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng một đường truyền, tốc độ baud có thể lên tới 115.200 cho một khoảng cách là 4000feet (1200m). Với kiểu truyền cân bằng và các dây được xoắn lại với nhau nên khi nhiễu xảy ra ở dây này thì cũng xảy ra ở dây kia tức là hai dây cùng nhiễu giống nhau. Điều này làm cho điện BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9