Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển động cơ bldc công suất nhỏ (

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC CÔNG SUẤT NHỎ (< 1kW) GVHD: ThS NGUYỄN TRUNG HIẾU SVTH: NGUYỄN ĐỨC THÀNH BÙI NGUYỄN NGỌC HIẾU SKL008260 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chun ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Ơ tơ Tên đề tài NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC CÔNG SUẤT NHỎ (< 1kW) SVTH: NGUYỄN ĐỨC THÀNH MSSV: 17145355 SVTH: BÙI NGUYỄN NGỌC HIẾU MSSV: 17145289 GVHD: ThS NGUYỄN TRUNG HIẾU Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: MSSV: (E-mail: Điện thoại ) MSSV: (E-mail: Điện thoại ) Chuyên ngành: Mã ngành đào tạo: Hệ đào tạo: Mã hệ đào tạo: Khóa: Lớp: Tên đề tài Nhiệm vụ đề tài Sản phẩm đề tài Ngày giao nhiệm vụ đề tài: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Bộ mơn PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ tên sinh viên: .MSSV: Họ tên sinh viên: .MSSV: Tên đề tài: Ngành đào tạo: Họ tên GV hướng dẫn: Ý KIẾN NHẬN XÉT Nhận xét tinh thần, thái độ làm việc sinh viên Nhận xét kết thực ĐATN 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN 2.2 Nội dung đồ án (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) 2.3 Kết đạt 2.4 Những tồn (nếu có) Đánh giá TT Điểm tối đa Mục đánh giá Hình thức kết cấu ĐATN 30 Đúng format với đầy đủ hình thức nội dung mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN 50 Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội… Khả thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả thiết kế chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu đưa với ràng buộc thực tế 15 Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… Đánh giá khả ứng dụng đề tài 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 Tổng điểm Kết luận  Được phép bảo vệ  Không phép bảo vệ Điểm đạt 100 TP.HCM, ngày tháng năm 2021 Giảng viên hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Bộ mơn PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ tên sinh viên: .MSSV: Họ tên sinh viên: .MSSV: Tên đề tài: Ngành đào tạo: Họ tên GV phản biện: Ý KIẾN NHẬN XÉT Nhận xét tinh thần, thái độ làm việc sinh viên Nhận xét kết thực ĐATN 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN 2.2 Nội dung đồ án (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn khả ứng dụng đồ án, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển) 2.3 Kết đạt 2.4 Những tồn (nếu có) Đánh giá TT Điểm tối đa Mục đánh giá Hình thức kết cấu ĐATN 30 Đúng format với đầy đủ hình thức nội dung mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Nội dung ĐATN 50 Khả ứng dụng kiến thức toán học, khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội… Khả thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả thiết kế chế tạo hệ thống, thành phần, quy trình đáp ứng yêu cầu đưa với ràng buộc thực tế 15 Khả cải tiến phát triển 15 Khả sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… Đánh giá khả ứng dụng đề tài 10 Sản phẩm cụ thể ĐATN 10 Tổng điểm Kết luận  Được phép bảo vệ  Không phép bảo vệ Điểm đạt 100 TP.HCM, ngày tháng năm 2021 Giảng viên phản biện (Ký, ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN Tên đề tài: Họ tên sinh viên: MSSV: MSSV: Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Sau tiếp thu điều chỉnh theo góp ý Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện thành viên Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp hoàn chỉnh theo yêu cầu nội dung hình thức Chủ tịch Hội đồng: Giảng viên hướng dẫn: Giảng viên phản biện: Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 LỜI CẢM ƠN Để đồ án tốt nghiệp đạt kết tốt đẹp ngày hơm nay, nhóm chúng tơi nhận hỗ trợ, giúp đỡ nhiều thầy cô giảng viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Thầy cô nhiệt tình truyền đạt kiến thức cho chúng tơi giúp chúng tơi tìm hướng đắn Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép chúng tơi tỏ lịng biết ơn đến tất người bảo ban, dạy tạo điều kiện giúp đỡ chúng tơi kể q trình học tập nghiên cứu đề tài Đầu tiên, xin gửi tới giảng viên, nhân viên khoa Cơ khí Động lực, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật lời chào hỏi trân trọng, lời chúc sức khỏe lời cảm ơn sâu sắc Với quan tâm hướng dẫn nhiệt tình chu đáo thầy, đặc biệt lĩnh vực chuyên ngành ô tô nói riêng kiến thức khoa học nói chung, đến nhóm chúng tơi hồn thành đề tài đồ án tốt nghiệp Đặc biệt, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GVHD, ThS Nguyễn Trung Hiếu – giảng viên trực tiếp hướng dẫn anh Ngô Huỳnh Nhật Triều hỗ trợ nhiều cho nhóm chúng tơi suốt q trình làm đề tài tốt nghiệp Những hướng dẫn vơ có ích thầy anh hỗ trợ chúng tơi nhiều q trình làm việc Bên cạnh đó, qua làm việc với người, nhóm tích lũy vốn kiến thức chun mơn có ích cho thân quan trọng tác phong, cách thức làm việc hiệu cần có kỹ sư Xin chân thành cảm ơn thầy anh! Cùng với đó, xin chân thành cảm ơn tất thành viên phịng thí nghiệm thầy Nguyễn Trung Hiếu nhiệt tình hỗ trợ đưa gợi ý, hướng cho nhóm Nhờ hỗ trợ này, chúng tơi có thêm hướng cho đề tài, từ nâng cao chất lượng đề tài Một lần xin chân thành cảm ơn tất bạn Và cuối cùng, không gửi lời cảm ơn sâu sắc đến với ba mẹ, người đồng hành con, đưa khuyên bảo lúc gặp bế tắc Cảm ơn ba mẹ suốt thời gian qua Thành mà đạt hơm nhờ cơng sức ba mẹ chịu cực khổ nuôi qua ngày, giúp mở rộng cánh cửa tương lai thông qua đường học vấn Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến với ba mẹ Với điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế nhóm, luận văn khơng thể tránh sai lầm thiếu sót, nhóm tơi hy vọng nhận ý kiến đóng góp từ thầy để bổ sung cho nhóm, từ góp phần hồn thiện dần nội dung đồ án tốt nghiệp Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2021 Sinh viên thực Bùi Nguyễn Ngọc Hiếu Nguyễn Đức Thành Vì lựa chọn sử dụng mạch phát triển STM32 Nucleo nên số thiết lập mặc định nhà sản xuất đặt sẵn giao thức UART chân PA2 PA3, công cụ debug chân PA13 PA14, nút bấm đèn LED chân PC13 PA5 với tần số hoạt động mặc định vi điều khiển 48MHz Đây thiết lập có sẵn mạch phát triển nên người dùng không cần phải bổ sung thêm phần cứng hay hiệu chỉnh lại mạch khơng có dự định sử dụng thêm tính vượt ngồi thiết lập Để tiến hành thiết lập tạo tín hiệu PWM, chọn Timer khung Categories bên phải vi điều khiển, chọn Timer 1, chọn Channel làm kênh xuất tín hiệu PWM, chọn PWM Generation CH1 để thiết lập chế độ PWM cho kênh số định thời Timer Hình Chọn chế độ PWM cho kênh Timer Sau lựa chọn, PA8 vi điều khiển màu xanh, biểu thị chân đưa tín hiệu PWM kênh Timer Khung Configuration lúc xuất thông số làm việc Timer 1, người dùng hiệu chỉnh thơng số để có chế độ làm việc mong muốn Vì muốn tín hiệu PWM thay đổi tần số chu kỳ làm việc nên ta để thơng số mức mặc định mà không cần phải thay đổi 132 Hình Thiết lập thành cơng chế độ PWM Timer Để thay đổi tần số chu kỳ làm việc tín hiệu PWM, ta cần đọc tín hiệu từ biến trở, để làm điều này, chuyển đổi Analog – Digital sử dụng Cũng khung Categories, chọn Analog > ADC, lựa chọn vào ô vuông IN0 IN1 để kích hoạt chức chuyển đổi kênh Hình Chọn kênh chuyển đổi cho chuyển đổi Analog – Digital 133 Tương tự thiết lập định thời Timer, sau chọn kênh IN0 IN1, hai chân PA0 PA1 vi điều khiển xanh, đồng thời khung Configuration thông số làm việc chuyển đổi Analog – Digital Hình Thiết lập thành cơng chuyển đổi Analog - Digital Vì đặc tính làm việc chuyển đổi, ta sử dụng thêm tính truy cập nhớ trực tiếp để đơn giản hóa q trình truyền nhận liệu chuyển đổi Analog – Digital nhớ vi điều khiển Tiến hành thiết lập theo bước sau đây: Ở mục Parameter Settings:  Continuous Conversion Mode: Enable  Overrun behaviour: Overrun data overwritten  Sampling Time: 239.5 Cycles 134 Ở mục DMA Settings:  Chọn Add  Ở cột DMA Request, chọn ADC  Ở mục Mode, chọn Circular  Data Width, chọn Word cho cột Peripheral Memory 135  Sau đó, quay trở lại mục Parameter Settings, chọn DMA Continuous Request: Enable Sau hồn thành hiệu chỉnh trên, q trình thiết lập cho vi điều khiển hoàn tất, bấm tổ hợp phím Ctrl + S chọn File > Save để lưu lại thiết lập tiến hành tạo mã nguồn  Lập trình với giao diện biên soạn STM32CubeIDE: 136 Sau mã nguồn khởi tạo hoàn chỉnh, giao diện làm việc STM32CubeIDE tự động chuyển qua giao diện biên soạn mã nguồn, lúc người dùng viết thêm, lược bớt chỉnh sửa mã nguồn tạo chương trình Hình 10 Giao diện biên soạn mã nguồn STM32CubeIDE Giao diện biên soạn phần mềm chia làm phần gồm: điều hướng công cụ cùng, khu vực truy xuất tập tin bên phải, cửa sổ biên soạn mục lục mã nguồn trung tâm hình cuối khu vực thông báo hệ thống Trong mã nguồn tạo chương trình, STM32CubeIDE đánh dấu mã nguồn comment, cho người dùng biết khu vực chỉnh sửa viết thêm vào khu vực gồm đoạn mã tạo hệ thống bị hệ thống thay mã nguồn người dùng có nhu cầu thay đổi thơng số hoạt động vi điều khiển Về bản, toàn không gian bên khu vực giới hạn hai dòng comment /*USER CODE BEGIN…*/ /*USER CODE END…*/ khu vực an tồn, người dùng thoải mái thêm bớt chỉnh sửa mã nguồn khu vực mà khơng bị ảnh hưởng trình tạo mã nguồn hệ thống Những 137 khơng gian ngồi khu vực viết lại chương trình người dùng khởi động lại trình tạo mã nên chỉnh sửa người dùng không lưu lại Hình 11 Thiết lập khu vực lập trình STM32CubeIDE Để hồn thiện chương trình, ta cần thêm vài dịng mã đơn giản, phần lớn cơng việc thực mã nguồn tạo phần mềm Cơng việc cịn lấy giá trị từ kênh chuyển đổi, tính tốn gán hai gia trị cho hai thông số tần số chu kỳ làm việc tạo xung PWM, thực qua dòng lệnh sau đây:  Ở phần Private Variables, tạo biến mảng phần tử với độ lớn 32 bit để lưu giá trị chuyển đổi ADC 138  Trong phần USER CODE BEGIN chương trình main, khởi động hai ngoại vi thiết lập bước trước tạo xung PWM chuyển đổi ADC với DMA  Trong chương trình while, gán hai giá trị ADC cho hai thông số tần số chu kỳ làm việc tạo xung PWM Sau hồn tất, ta hướng đến cơng cụ phía bấm vào nút Build để biên dịch chương trình kiểm tra lỗi, cửa sổ thơng báo phía hình thơng báo hồn tất khơng phát lỗi, chương trình lúc sẵn sàng để tải xuống vi điều khiển Hình 12 Biên dịch chương trình kiểm tra lỗi 139 Để tải chương trình xuống vi điều khiển, bấm vào công cụ Run công cụ, sổ để người dùng tùy chỉnh cài đặt vận hành chương trình công cụ gỡ lỗi ST-Link, bấm qua mục Debugger, chọn ST-Link bấm Scan để chương trình nhận diện trình gỡ lỗi ST-Link mạch STM32 Nucleo Hình 13 Thiết lập cài đặt vận hành chương trình Sau xác thực kết nối với ST-Link, ta bấm OK để bắt đầu tải chương trình xuống vi điều khiển, khung thông báo hiển thị trình tải xuống hồn tất, chương trình hồn toàn nạp vào vi điều khiển Các chức hoạt động chân tương ứng Hình 14 Thơng báo tải xuống hồn tất 140 PHỤ LỤC SỬ DỤNG PHẦN MỀM TELEMETRY VIEWER ĐỂ ĐỌC DỮ LIỆU TỪ VI ĐIỀU KHIỂN QUA GIAO THỨC UART Phần mềm Telemetry Viewer phần mềm mã nguồn mở viết Farrell Farahbod Phần mềm viết ngôn ngữ Java chạy tảng JRE (Java Runtime Environment), phần mềm cung cấp khả giao tiếp truyền nhận tín hiệu qua giao thức truyền thơng nối tiếp, có USB (Universal Serial Bus) dạng cổng COM máy tính Phần lớn mạch phát triển STM32 có tích hợp chức chuyển đổi tín hiệu từ UART sang USB, nên ta sử dụng phần mềm để đọc liệu gửi từ vi điều khiển Phần mềm mã nguồn chương trình tải từ trang web: http://farrellf.com/TelemetryViewer/ trang github: https://github.com/farrellf/TelemetryViewer Sau khởi động, giao diện làm việc phần mềm xuất Mạch phát triển phải kết nối từ trước để phần mềm nhận diện hiên lên phần kết nối phía bên phải hình Hình Các cài đặt kết nối cổng COM phần mềm 141 Lựa chọn tần số lấy mẫu 1000Hz, định dạng liệu CSV, baudrate: 115200 (tần số baudrate mặc định giao thức UART mạch STM32 Nucleo), sau bấm nút Connect để bắt đầu kết nối Sau thiết lập kết nối thành công, phần mềm xuất giao diện thiết lập liệu cho phép người dùng đặt tên cho liệu đọc được, màu sắc hiển thị đồ thị, đơn vị liệu hệ số nhân liệu Hình Giao diện thiết lập liệu Trong ứng dụng điều khiển động không chổi than, ta theo dõi loại liệu: tốc độ thực tế động cơ, tốc độ mong muốn điều khiển biến trở, nhiệt độ MOSFET, giá trị điện áp giá trị dịng điện Các thơng tin thiết lập nhập vào phần hình nhấn nút Add để thêm liệu vào chương trình Sau hồn thành thêm loại liệu, bấm nút Done để hoàn thành bước Tiếp theo ta tiến hành thiết lập đồ thị theo dõi Giao diện phần mềm lúc phân thành cột dòng, số cột dịng hình thay đổi phần Settings phía bên trái hình, số cột dịng tối đa 15x15 142 Hình Giao diện theo dõi phần mềm Để tiến hành thêm đồ thị hình, ta bấm chuột trái vào hình, giữ chuột kéo đến ô đến đạt kích thước đồ thị mong muốn 143 Sau thả chuột, khung cài đặt bên trái hình, khung cài đặt ta lựa chọn loại đồ thị, liệu hiển thị đồ thị, giới hạn giá trị đồ thị,… Sau thiết lập xong, bấm nút Done để hồn thành q trình thiết lập đồ thị Lúc Đồ thị hiển thị liệu truyền lên từ vi điều khiển Tiếp tục thêm đồ thị theo hướng dẫn Ở ta sử dụng đồ thị dạng Time domains, đồ thị cho Tốc độ thực tế Tốc độ mong muốn, đồ thị lại cho giá trị nhiệt độ, điện áp dịng điện Ngồi cịn có thêm đồ thị dạng Dial để tiện theo dõi giá trị nhiệt độ, điện áp dịng điện Ở có thêm Timelines để theo dõi kiểm sốt thời gian 144 Hình Giao diện hoàn chỉnh phần mềm sau thiết lập đồ thị Để lưu lại thiết lập, ta nhấn nút Export phía bên phải hình, phần mềm tạo tập tin dạng txt để lưu trữ thiết lập Những lần khởi động phần mềm, ta cần nhấn nút Import chọn tập tin txt tạo mà khơng cần phải thực q trình thiết lập lại từ đầu 145 S K L 0 ... PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chun ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Ơ tơ Tên đề tài NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC CÔNG SUẤT NHỎ (< 1kW) SVTH: NGUYỄN... vực điều khiển điện tử tơ Cùng với dẫn, định hướng từ GVHD Nguyễn Trung Hiếu, nhóm cân nhắc lựa chọn đề tài tốt nghiệp ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển động BLDC công suất nhỏ (dưới... trọng động khơng chổi than chiều Nếu động có chổi than, điều khiển sử dụng ta muốn thay đổi tốc độ quay với động BLDC, bắt buộc Hình 2.10 Board mạch điều khiển động BLDC Cấu tạo phận điều khiển