Và vi c t n nhiệ ả ệt của dây quấn rotor là khó khăn hơn Tỷ s ốcông suất ra so với kích c ỡCao Trung bình, thấp BLDC sử dụng nam châm vĩnh cửu b ng vằ ật liệu tiên ti n, ếkhông có t n ha
Nguyên lý hoạt động c ủa động cơ BLDC
Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ BLDC:
H nh 1.10 Sơ đồ ấp điệ c n cho các cuộn dây stator Động cơ BLDC hiện di n trong khá nhi u h ệ ề ệ khác nhau nhưng động cơ 3 pha là loại thông d ng nh t tụ ấ ối ưu hiệu su t và gi m gấ ả ợn sóng momen quay (trơn) Loại động cơ này cũng đưa ra sự đồng thuận gi a viữ ệc điều khi n chính xác v i s ể ớ ốthiết bị cần để điều khi n dòng stator ể
BLDC ba pha được điều khiển trong 2 pha, nghĩa là hai pha mà tạo ra momen lớn nh t sấ ẽ được kích ho t trong khi pha th ba bạ ứ ị ngắt Để làm được việc đó thì cần biết được v trí chính xác cị ủa rotor để điều khiển quá trình đóng cắt các khoá bán d n, c p ngu n cho các cu n dây stator theo trình t hẫ ấ ồ ộ ự ợp lý Momen được sinh ra do tương tác giữ ừ trườa t ng t o ra b i nh ng cu n dây c a stator v i nam ạ ở ữ ộ ủ ớ châm vĩnh cửu Một cách lý tưởng, momen lớn nhất xảy ra khi 2 từ trường lệch nhau góc 90 và gi m xu ng khi chúng di chuy 0 ả ố ển Để ữ động cơ quay, từ trường gi tạo ra bởi nh ng cu n dây ữ ộ stator phải quay “đồng bộ” với từ trường của rotor một góc 𝛼
Các h ệ truyền động dùng cho động cơ BLDC
Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính)
Stator động cơ có ba cực từ ba buộn dây đặt lệch nhau 120 0 , nó được cấp bởi nguồn m t chi u ộ ề qua ba tranzisto tương ứng v i vai trò là b chuy n mớ ộ ể ạch điện tử
Bộ chuyển mạch điện t ử này được điều khi n t bể ừ ộ cảm biến vị trí.
H nh 1.11 Minh họa nguyên lý làm việc của động cơ BLDC truyền động một c c tính ự
Nguyên lí làm việc của động cơ BLDC sử dụng cảm biến quang để xác định vị trí của Rotor Động cơ được điều khi n theo tín hi u chuy n m ch khi nhể ệ ể ạ ận được tín hiệu từ cảm biến Sau đây là thứ ự chuyển mạch c t ủa động cơ BLDC sử dụng c m bi n quang ả ế
H nh 1.12 Thứ ự t chuyển m ch và chi u quay t ạ ề ừ trường stator
Cực b c cắ ủa Rotor đang ở ị trí đối diện với cực lồi Stator, phototransitor v PT1 được chiếu sáng do đó có tín hiệu đưa đến cực gốc (baze) của transitor Tr1 làm cho Tr1 m ở Ở trạng thái này, cực nam đượ ạc t o thành c c l i P1 b i dòng ở ự ồ ở điện I1 chạy qua cuộn dây W1 đã hút cực bắc c a Rotor làm cho Rotor chuyển ủ động theo hướng mũi tên Khi cực Bắc của Rotor di chuyển đến vị trí đối diện với cực l i P1 c a Stator, lúc này màn ch n g n trên trồ ủ ắ ắ ục động cơ sẽ che PT1, và PT2 được chiếu sáng, Tr2 m , dòng I2 chở ảy qua Q2 Khi dòng điện này chảy qua dây quấn W2 và t o ra c c nam trên c c l i P2 thì c c b c c a Rotor s quay theo chiạ ự ự ồ ự ắ ủ ẽ ều mũi tên đến vị trí đối diện của cực lồi P2 Ở thời điểm này, màn chắn sẽ che PT2, và phototransitor PT3 được chiếu sáng Lúc này chiều của dòng điện có chiều từ W2 sang W3 Vì v y, c c l i P2 b kh ậ ự ồ ị ử kích thích trong khi đó cực lồi P3 lại được kích ho t và t o thành cạ ạ ực Nam Do đó cực Bắc của Rotor duy chuy n t P2 sang ể ừ P3 mà không d ng l i B ng cách l p l i các chuy n mừ ạ ằ ặ ạ ể ạch như vậy theo th t ứ ự như hình 1.12, Rotor nam châm vĩnh cữu của động cơ sẽ quay theo chiều xác định một cách liên tục
Truyền động có đảo chi u (truyề ền động hai cực tính) Ở động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng được quấn trên stator là phần đứng yên nên có th d dàng thay th b chuy n mể ễ ế ộ ể ạch cơ khí (trong động cơ điện một chiều dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tử dùng các bóng transistor công su t ấ được điều khi n theo vể ị trí tương ứng c a rotor ủ
H nh 1.13 Chuyển mạch hai cực tính động cơ BLDC
Về b n ch t chuy n m ch hai c c tính là b nghả ấ ể ạ ự ộ ịch lưu độ ậc l p v i 6 van ớ chuyển mạch được b trí trên ố hình 1.13 Trong đó 6 chuyển mạch là các van công suất, đối với động cơ công suất nhỏ thì các van chuyển mạch có thể dùng van MOSFET còn với các động cơ công suấ ớt l n thì van chuy n mể ạch thường dùng van IGBT Để thực hiện dẫn dòng trong những khoảng mà van không dẫn thì các diode được m c song song vắ ới các van Để điều khi n các van bán d n c a chuy n ể ẫ ủ ể mạch điện tử, bộ điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí roto để đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điện trong dây qu n ph n ấ ầ ứng khi roto quay giống như vành góp ch i than cổ ủa động cơ một chiều thông thường.
Đặc tính cơ và đặc tính làm vi ệc động cơ BLDC
Đặc tính cơ của động cơ BLDC giống đặc tính cơ của động cơ điện m t chiộ ều truyền th ng T c là m i quan h gi a mô men và tố ứ ố ệ ữ ốc độ là các đường tuy n tính ế nên rất thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho nhiều cơ cấu khác Động cơ BLDC không dùng cơ cấu cổ góp-chổi than nên ta có thể tăng tốc độ do không có s ự đánh lửa gây mài mòn Vì v y m rậ ở ộng vùng điều chỉnh của động cơ BLDC là việc không hề khó khăn
Các đại lượng cơ bản động cơ BLDC
- Hệ s số ức điện động 𝐾𝑒= 𝐸
Ta có công suất tiêu th ụ động cơ BLDC là:
Phương trình cân bằng điện áp:
Từ PT 1.3 và PT 1.5 ta có phương trình đặc tính cơ truyền động động cơ BLDC:
𝐾𝑒𝐾𝑚 Đồ ị th đặc tính cơ của động cơ BLDC được vẽ như sau:
H nh 1.14 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ BLDC
H nh 1.15 Đồ thị đặc tính làm việc của động cơ BLDC
• Sức phản điện động của động cơ BLDC:
Khi động cơ một chiều không chổi than quay, mỗi một cuộn dây tạo ra một điện áp gọi là sức phản điện động chống lại điện áp nguồn cấp cho cuộn dây đó theo lu t Lenz Chi u c a sậ ề ủ ức điện động này ngược chi u về ới điện áp c p Sấ ức phản điện động phụ thuộc ch yếu vào 3 yếu tố: Vận tốc góc của Rotor, từ trường ủ sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu c a Rotor và s vòng trong m i cu n dây củ ố ỗ ộ ủa Stator:
Trong đó: EMF là sức điện động cảm ứng
N là số vòng dây trên mỗi pha l là chiều dài rotor r là bán kính trong của rotor
B là một độ ừ trườ t ng rotor
𝜔 là vậ ốn t c góc của động cơ
MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC
Mô hình toán học
Mô hình toán h c cọ ủa đối tượng là các m i quan h toán h c nh m mố ệ ọ ằ ục đích mô t lả ại đối tượng th c tự ế đó nhưng dướ ại d ng các bi u th c toán hể ứ ọc để thuận lợi cho quá trình phân tích, kh o sát thi t kả ế ế Đố ới động cơ, mô tải v toán học đóng vai trò quan tr ng vì m i kh o sát và toán b ng lý thuyọ ọ ả ằ ết đều d a trên mô hình ự toán h c Vì v y mô hình toán họ ậ ọc là chìa khoá để m ra m i vở ọ ấn đề trong quá trình tính toán thi t kế ế cho động cơ Để thực hiện xây dựng mô hình toán thì cần phải đưa động cơ BLDC về các thành phần điệ ử cơ bản t n Hình 2.1 trình bày mô hình mạch điện trong động cơ bao g m 3 cu n ồ ộ dây stato được ước lượng bởi điện trở 𝑅𝑎và điện cảm 𝐿𝑎, do 3 cuộn dây của stator được đặ ạt c nh nhau nên x y ra hiả ện tượng h c m gi a các ỗ ả ữ cuộn dây v i nhau, s h c m gi a các cuớ ự ỗ ả ữ ộn dây được th hi n qua h c m M Mể ệ ộ ả ặt khác do rotor của động cơ là nam châm vĩnh cửu nên khi rotor quay s quét qua ẽ cuộn dây stator nên có sự tương tác giữa hai từ trường Vì vậy các đại lượng , 𝑒𝑎
𝑒𝑏, 𝑒𝑐, th hi n s ể ệ ự tương tác giữa hai t ừ trường, biên độ của các s c phứ ản điện động này là b ng nhau và b ng E Do các nam ằ ằ châm đều được làm t v t li u có suừ ậ ệ ất điện tr cao nên có thể bỏ qua dòng cảm ứng rotor ở
H nh 2.1 Mô hình mạch điện của động cơ BLDC
Ba cuộn dây trên stator có điện trở lần lượt là , 𝑅𝑎 𝑅 𝑅𝑏, 𝑐, 𝐿 𝐿𝑎, 𝑏, l𝐿𝑐ần lượt là điện cảm của các cuộn dây, 𝐿𝑎𝑏, 𝐿𝑏𝑐, 𝐿𝑐𝑎là hỗ cảm giữa các cuộn dây tương ứng
Từ phương trình điện áp một pha:
PT 2.1 Đặt s là toán tử laplace khi đó 𝑑𝑖 𝑑𝑡 =𝑖.𝑠
Phương trình điện áp ba pha của động cơ BLDC ở dạng ma trận:
Nhưng do các pha đối xứng nhau nên các giá trị điện trở, điện cảm, hỗ cảm của ba cuộn dây b ng nhau ằ 𝑅𝑎=𝑅𝑏 = 𝑅𝑐= R; 𝐿𝑎= 𝐿𝑏= 𝐿𝑐=L; 𝐿𝑎𝑏= 𝐿𝑏𝑐= 𝐿𝑐𝑎 = 𝑀
Do 3 cuộn dây ta xét đấu nối theo kiểu sao, nên ta có:
Từ PT 2.3 và PT 2.5 ta có:
𝑒 𝑐 ] PT 2.7 Phương trình 2.7 là mô hình thu gọn của động cơ BLDC:
H nh 2.2 Mô hình thu gọn động cơ BLDC Phương trình sức điện động và momen
Ma sát thường t l v i tỷ ệ ớ ốc độ và được bi u hi n thông qua h s nh t D theo ể ệ ệ ố ớ biểu thức: 𝑀𝑓=𝐷.𝜔 𝑚
Momen tải của động cơ: Mc
Momen quán tính của tải: Jc
Như vậy phương trình động họ ổc t ng quát của động cơ có dạng như sau:
𝑑𝑡+𝐷.𝜔+𝑀𝑐 PT 2.8 Đặt 𝐽=𝐽 𝑚 +𝐽 𝑐 , biến đổi phương trình 2.8 ta được:
Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC Đặc tính cơ của động cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và momen của động cơ Công suất cơ của động cơ là tích số ữ gi a momen và tốc độ Tuy v y, cùng mậ ở ột giá tr công su t, m i loị ấ ỗ ại động cơ khác nhau thì mối quan h giệ ữa hai đại lượng này là khác nhau
Xét sơ đồ ột pha tương đương của động cơ trong hình 2.3 gồ m m nguồn cấp một chiều có độ ớn V, s c ph l ứ ản điện động là E, điện trở cuộn dây là R và dòng điện m i pha chế xác lập là I Do tại một thời điểm trong động cơ luôn có 2 ỗ ở độ pha cùng dẫn nên phương trình cân bằng điện áp của động cơ ở thời điểm xác lập như sau:
H nh 2.3 Sơ đồ ột pha tương đương của động cơ BLDC m
Ta có biểu thức tính công suất điện:
𝑃𝑑=𝑒𝑎.𝑖𝑎+𝑒𝑏.𝑖𝑏+𝑒𝑐.𝑖𝑐= 2.𝐸.𝐼 PT 2.11 Biểu thức về công suất cơ:
Biểu thức về ứ s c phản điện động:
Nếu b qua các t n hao v ỏ ổ ề momen như tổn hao do ma sát, t n hao s t t , khe ổ ắ ừ hở, thì có th coi công suể ất cơ xấp xỉ b ng công suằ ất điện Trong bi u th c v ể ứ ề sức phản điện động trên, E là giá trị đo theo đỉnh - đỉnh Vì vậy, biên độ của sức điện động phải là E/2
Từ PT 2.11 và PT 2.12 kết hợp với biểu thức s c phứ ản điện động, ta được:
Nếu thay bi u th c sể ứ ức điện động vào phương trình 2.11, ta sẽ có bi u thể ức của tốc độ động cơ như sau:
Từ hai phương trình 2.14 và 2.15, ta sẽ có phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC:
Giao điểm của đặc tính cơ với trục tốc độ chính là biểu thị của tốc độ không tải lý tưởng Lúc đó, dòng điện bằng 0
Giao điểm của đường đặc tính cơ với trục momen là giá trị momen lớn nhất hay momen ng n mắ ạch (tương ứng với dòng điện ng n mắ ạch).
Có th ểthấy, d ng cạ ủa phương trình đặc tính cơ của động cơ một chi u thông ề thường với động cơ BLDC là giống nhau.
Phương pháp điề u khi ển động cơ BLDC
Như ta đã biết, quá trình điều khiển động cơ BLDC chính là quá trình điều khiển sao cho dòng điện chạy qua các cuộn dây đặt trên stator một cách hợp lí Để điều khiển động cơ BLDC có hai phương pháp chính : phương pháp dùng cảm bi n v trí Hall sensor (hoế ị ặc encoder) và phương pháp điều khi n không cể ảm biến (sensorless control) Trong đó ta có hai phương pháp điều chế điện áp ra từ bộ điều khiển đó là điện áp d ng sóng hình thang và d ng sóng hình sin C hai ạ ạ ả phương pháp sóng hình thang và sóng hình sin đều có thể sử dụng cho điều khiển có c m biả ến Hall, trong khi phương pháp điều khi n không c m bi n ch dùng ể ả ế ỉ phương pháp điện áp dạng sóng hình thang
Sau đây ta sẽ ập trung đi vào điề t u khiển động cơ BLDC bằng phương pháp dùng cảm biến v trí Hall sensor kị ết hợp với băm xung PWM để đóng mở các van bán d n cẫ ấp điện cho các pha của động cơ dựa theo tín hiệu Hall sensor gửi về
Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall – phương pháp 6 bước
Có r t nhiấ ều cách để giải thích hoạt động của động cơ BLDC Quá trình điều khiển động cơ BLDC cũng chính là quá trình điều khiển cho dòng điện chạy qua các cuộn dây m t cách thích h p ộ ợ
Như chúng ta đã biết, động cơ BLDC hoạt động dựa trên quá trình chuyển mạch dòng điện Động cơ BLDC có ba cảm biến Hall đặt trên stator Khi các cực của nam châm trên rotor chuyển động đến v trí c m biị ả ến Hall thì đầu ra c a củ ảm biến có m c logic cao ho c th p, tùy thu c vào c c N hay S D a vào t hứ ặ ấ ộ ự ự ổ ợp các tín hi u logic c a ba c m biệ ủ ả ến để xác định trình t và thự ời điểm chuy n m ch dòng ể ạ điện giữa các cuộn dây pha trên stator
Trong quá trình hoạt động, t i thạ ời điểm ch có hai cuỉ ộn dây pha được cấp điện, cu n dây th ộ ứ ba không được cấp điện và vi c chuy n mệ ể ạch dòng điện t ừcuộn dây này sang cu n dây khác s t o ra t ộ ẽ ạ ừ trường quay và làm cho rotor quay theo
Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ vào chi u quay c a rotor Thề ủ ời điểm chuy n mể ạch dòng điệ ừn t pha này sang pha khác được xác định sao cho mô men đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mô men do quá trình chuy n mể ạch dòng điện là nh ỏnhất. Để đạt được yêu c u trên, ta mong mu n cầ ố ấp điện cho cu n dây vào thộ ời điểm sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng được điều chỉnh để đạt biên độ không đổi trong khoảng có độ r ng 120 ộ 0 điện N u không ế trùng pha v i sớ ức điện động thì dòng điện cũng sẽ có giá tr l n và gây thêm t n ị ớ ổ hao trên stator làm giảm hiệu su t cấ ủa động cơ.
Do có m i liên h gi a số ệ ữ ức điện động cảm ứng pha và vị trí c a rotor nên ủ việc xác định thời điểm cấp điện cho các cuộn dây pha trên stator còn có thể thực hiện được bằng việc xác định vị trí của rotor nhờ các cảm biến vị trí
H nh 2.4 Tín hiệu c m biến Hall, s c phứ n điện động, dòng điện pha trong chế độ quay thuận chiều kim đồng h ồ
Thời điểm chuyển mạch dòng điện là thời điểm mà m t trong ba tín hi u cộ ệ ảm biến Hall thay đổi mức logic Trong một chu kì điện có sáu sự chuyển mức logic của ba c m biả ến Hall Do đó trình tự chuyển m ch này g i là trình t ạ ọ ựchuyển m ch ạ sáu bước của động cơ BLDC
Cứ mỗi khi quay được 60º điện, các c m bi n Hall lả ế ại thay đổi tr ng thái ạ Như vậy, nó cần 6 bước để hoàn thành một chu kỳ điện Khác với những động cơ thông người như động cơ một chiều và động cơ đồng bộ, động cơ BLDC có sức phản điện động dạng hình thang còn dòng điện chảy trong các pha có dạng hình chữ nhật Đặc tính s c phứ ản điện động c a ba cu n dây l ch nhau m t góc 2 /3 do ủ ộ ệ ộ 𝜋 các cuộn dây stator được đặt l ch nhau góc 2 /3 và góc chuy n m ch c a s c phệ 𝜋 ể ạ ủ ứ ản điện động là 𝜋/3 Căn cứ vào dạng dòng điện của ba pha của động cơ theo vị trí của c m biả ến Hall để xác định được sơ đồ ở m van cho b nghộ ịch lưu Do trong một chu kỳ có 6 lần cảm biến Hall thay đổ ị i v trí nên sẽ có 6 tr ng thái mạ ở van
Hình 2.5 là sơ đồ khối của h ệ điều khiển động cơ một chi u không ch i than ề ổ
Hệ thống điều khiển có sử dụng vi điều khiển làm bộ điều khi n chính, phát xung ể PWM cho bộ đệm PWM - IGBT driver Để phát xung PWM cho bộ đệm thì vi điều khiển phải thực hi n công vi c l y tín hi u t c m bi n Hall v ệ ệ ấ ệ ừ ả ế ề và căn cứ vào bảng cảm biến Hall để phát xung mở van đúng theo thứ tự cấp điện
H nh 2.5 Hệ điều khiển động cơ BLDC
Bảng 2.1 và 2.2 là th tứ ự chuyển m ch c a các van dạ ủ ựa trên các đầu vào t ừ các c m bi n Hall A, B, C ng v i chi u quay cả ế ứ ớ ề ủa động cơ Trong đó các cảm biến Hall đặ ệt l ch nhau 120 0
B ng 2.1 Thứ ự t chuyển mạch khi động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ
TT Hall sensor A Hall sensor B Hall sensor C Phase A Phase B Phase C
B ng 2.2 Thứ ự t chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ
TT Hall sensor A Hall sensor B Hall sensor C Phase A Phase B Phase C
Như đã trình bày ở trên, trong 1 chu kỳ điện, dòng điện chuyển mạch 6 lần
Sự chuyển mạch không lý tưởng (không t c thứ ời, thời gian lên và xu ng không ố bằng nhau) gây nên nh ng h n ch cữ ạ ế ủa động cơ BLDC: nhấp nhô momen, qu ỹ đạo từ thông không tròn và khó xác định
Thông thường, quỹ đạo từ thông của động cơ phải có hình tròn, nhưng do sự chuyển mạch không lý tưởng của dòng điện nên quỹ đạo t thông cừ ủa động cơ BLDC có 6 “gai”, “bậc” trong 1 chu kỳ Việc ước lượng từ thông tại các “b c” ậ đó là rất khó khăn, do đó rất khó điều khi n t ể ừ thông động cơ BLDC Vì thế, việc điều khiển động cơ BLDC cho đến nay đều bỏ qua việc điều khiển từ thông của nó
H nh 2.6 Quỹ đạo t thông stator không tròn vừ ới 6 bậc trong 1 chu k ỳ Điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến Đây là phương pháp sử ụng các ước lượ d ng từ thông roto để điều khiển các khóa đóng cắt thay cho cản biến Hall truyền thống Do đó phương pháp này được gọi là phương pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control) Cơ sở chính của điều khiển không cảm biến đố ới động cơ BLDC là dựi v a vào thời điểm qua zezo c a sủ ức điện động cảm ứng trên các pha của động cơ Tuy nhiên phương pháp này ch ỉáp dụng được phương pháp điện áp hình thang
Về cơ bản có hai kĩ thuật điều khi n không cể ảm biến:
- Một là xác định vị trí roto dựa vào sức điên động của động cơ, phương pháp này đơn giản, dễ dàng thực hiện và giá thành rẻ
- Hai là ước lượng v trí dùng các thông s cị ố ủa động cơ, các giá trị điện áp và dòng điện trên động cơ Phương pháp này tính toán phứ ạp, khó điềc t u khiển, giá thành cao Điều khi n bể ằng phương pháp PWM
THIẾ T KẾ ĐIỀU KHI ỂN CHO ĐỘNG CƠ BLDC
Đặt vấn đề
Để thực hiện điều khiển động cơ BLDC thì chúng ta thực hiện điều khiển sự đóng cắt của các van trong bộ biến đổi để ấp điệ c n cho từng cặp van tương ứng
Vì th ế có hai cách để thay đổi điện áp đặt lên van đó là thay đổi điện áp một chiều hoặc thay đổi điện áp c p cho cuấ ộn dây stator của động cơ. Để điều khiển động cơ BLDC hiện nay với công nghệ ngày càng phát triển nên các nhà s n xu t IC có th tích h p nhi u chả ấ ể ợ ề ức năng trên một IC bán d n vì ẫ thế nên vi c nghiên cệ ứu điều khi n các loể ại động cơ gặp nhi u thu n lề ậ ợi hơn trước
Có r t nhi u lo i vi x lý khác nhau c a nhi u hãng khác nhau s n xuấ ề ạ ử ủ ề ả ất nhưng mỗi loại l i có s khác nhau v c u trúc vào ra và chạ ự ề ấ ức năng của các chân cũng khác nhau Vì v y khi l a ch n vi x lý c n phậ ự ọ ử ầ ải để ý đến mục đích của việc điều khiển động cơ là như thế nào tức là điều khiển cho động cơ loại công suất nào, chủng loại của động cơ Đố ới động cơ BLDC dùng phương pháp chuyểi v n mạch hai cực tính để ấp điệ c n cho các cuộn dây của động cơ nên chúng ta có thể thực hiện điều khiển động cơ thông qua việc điều chế độ rộng xung trong khoảng thời gian mà các van dẫn để thay đổi điện áp đặt lên động cơ Để ệc điề vi u khi n trể ở nên đơn giản hơn, chúng ta lựa chọn điều khiển động cơ BLDC thông qua driver Với động cơ BLDC sử d ng là lo i DC24V-120W có công su t nhụ ạ ấ ỏ, do đó chúng ta lựa ch n ọ driver BLD-120A Đố ới v i driver BLD-120A thì tín hiệu điều khiển mức 5V Vì vậy các tín ở hiệu điều khiển từ các loại vi xử lý đưa ra là không giống với mức điện áp của driver, vậy nên để thực hi n truyệ ền động cho động cơ thì ngoài mạch điều khiển dùng vi x lý STM32F030 thì c n ph i có thêm m ch chuyử ầ ả ạ ển đổi m c tín hi u ứ ệ Vậy nên trong ph n này s có hai vầ ẽ ấn đề được trình bày, đó là: Thiết kế mạch điều khiển và thiết kế ạ m ch chuyển đổi mức tín hiệu Động cơ BLDC 90ZWN24-120P
H nh 3.1 Động cơ BLDC 90ZWN24-120P Động cơ được dùng của hãng LINIX Với các đặc tính của động cơ không chổi than 90ZWN24-120P có các thông s sau ố
B ng 3.1 Đặc tính động cơ BLDC 90ZWN24-120P Điều ki n làm vi c ệ ệ Đặc tính kỹ thuật Điều kiện b o qu n ả ả
- Nhiệt độ môi trường xung quanh t -25ừ 0 C đến +40 C 0
- Độ ẩm tương đối khoảng 90% (với nhiệt độ là 20 0 C)
- Độ bền điện môi cách điện: ≤60VDC 500 v/phút, >60𝑉𝐷𝐶
- Kháng cách điện không nh ỏ hơn 1000MΩ
- Nhiệt độ không khí t ừ -10 0 C đến +40 C 0
- Độ ẩm tương đối nhỏ hơn 90%
- Thông gió tốt Đặc tính động cơ BLDC 90ZWN24-120P
- Tốc độ nh m c: 1500v/phút đị ứ
H nh 3.2 Driver BLD – 120A Driver BLD – 120A có các tính năng:
- Điều khiển động cơ có công suất ≤120W
- Có ch thiế độ ết lập tăng tốc và giảm tốc
- Có chức năng bảo v ngu n (ệ ồ ở chế dòng tđộ ối đa).
- Điều khi n d dàng v i bi n áp bên ngoài ể ễ ớ ế
- Điều ch nh tỉ ốc độ thông qua tín hi u analog và PWM ệ
Các đặc tính k thuỹ ật điện của driver:
B ng 3.2 Đặc tính k thuỹ ật điện c a driver BLD 120A ủ –
Thông số Giá trị min Giá trị điển hình Giá trị max Đơn vị
Biến tr ở – 10K – Ω Điện áp analog đầu vào – – 5 VDC
Dải điều chỉnh tốc độ – – 20000 RPM
Thiết lập các chức năng:
• Thiết lập dòng điện đầu ra tối đa
Thiết lập dòng điện đầu ra tối đa có nhiệm vụ b o v b ả ệ ộ điều khiển khi động cơ chạy trong trường hợp quá tải dẫn tới cảnh báo quá dòng Giá trị dòng điện được cài đặt sẽ giống với giá trị dòng điện định mức ứng với động cơ và điện áp thực thế s d ng Dòng ử ụ điện cài đặt trong kho ng t ả ừ 1,6A đến 8A
H nh 3.3 Biến trở cài đặt dòng điện đầu ra tối đa
• Thiết lập tăng tốc và giảm tốc
Biến tr ở này được dùng để điều ch nh tr c ti p thỉ ự ế ời gian tăng tốc và gi m t c ả ố Tăng t c là khoố ảng thời gian động cơ cần để động cơ chuyể ừ trạng thái đứng n t yên đến trạng thái quay vơi vậ ốc địn t nh m c; gi m t c là kho ng th i gian cứ ả ố ả ờ ần để động cơ chuyển trạng thái từ vận tốc định mức về trạng thái đứng yên Thời gian cài đặt trong kho ng ả 0,3s đến 15s
H nh 3.4 Biến tr ở cài đặt thời gian tăng tốc và gi m tốc
Chức năng của các chân vào ra của driver BLD – 120A:
B ng 3.3 Chức năng các chân của driver BLD – 120A
Tên chân Loại tín hiệu Chức năng
Tín hiệu phanh kh n c p; khi tín hi u BRK mẩ ấ ệ ở ức thấp, động cơ dừng
Tín hiệu dừng động cơ; khi tín hiệu EN m c cao, ở ứ động cơ dừng từ từ, khi tín hiệu EN ở mức thấp, động cơ chạy
Tín hiệu chi u quay cề ủa động cơ; khi tín hiệu F\R ở mức cao, động cơ chạy thuận chiều kim đồng hồ, ngược lại, động cơ chạy ngược chiều kim đồng h ồ
Chân đầu vào thiết lập tốc độ; khi tín hiệu SV ở mức cao và biến trở xoay hết về ngược chiều kim đồng hồ, động cơ chạy ở tốc độ nh mức, thay đổi đị tốc độ động cơ bằng cách xoay bi n trế ở; tín hi u SV ệ cũng có thể nh n giá trị ậ xung PWM, đểnhận xung PWM, chúng ta c n xoay bi n tr hầ ế ở ết về ngược chiều kim đồng hồ
Cực dương nguồn tín hiệu cảm biến Hall
HU Tín hiệu cảm biến Hall
HV Tín hiệu cảm biến Hall
HW Tín hiệu cảm biến Hall
REF- Cực âm nguồn tín hi u cệ ảm biến Hall
W Kết n i vố ới động cơ
Pha (dây) W của động cơ
V Pha (dây) V của động cơ
U Pha (dây) U của động cơ
DC+ Nguồn Nguồn c p cho driver (5V) ấ
DC- Nguồn c p cho driver (5V) ấ Điều ch nh tỉ ốc độđộng cơ thông qua tín hiệu analog:
Tín hi u analog có th trong kho ng tệ ể ả ừ 0 đến 5VDC; khi mức điện áp là 0,25VDC, tốc độ động cơ sẽ kho ng 5% tả ốc độ ối đa của động cơ; khi mức điệ t n áp là 4,7VDC, tốc độ động cơ sẽ bằng tốc độ tối đa c a đủ ộng cơ
H nh 3.5 Đồ tthị ốc độ ủa động cơ ứ c ng với điện áp analog
Chế độ điều chỉnh tốc độ ằ b ng xung PWM:
Khi chúng ta s d ng chử ụ ế độ này, t l h sỷ ệ ệ ố điều ch khuyên dùng trong ế khoảng từ 2% đến 90% Khi h s ệ ố điều ch là 2%, tế ốc độ động cơ sẽ ằ b ng kho ng ả 5% tốc độ ối đa ủa động cơ; khi hệ ố điề t c s u ch là 90%, tế ốc độ động cơ sẽ ằ b ng tốc độ tối đa ủa động cơ (Dải tầ c n s c a xung trong kho ng t 1-3KHz) ố ủ ả ừ
H nh 3.6 Đồ thị tốc độ ủa động cơ ứ c ng v i hớ ệ số điều ch ế
STM32 là m t trong nh ng dòng chip ph bi n c a ST v i nhi u h thông ộ ữ ổ ế ủ ớ ề ọ dụng như F0,F1,F2,F3,F4… Stm32f030 thuộc h F0 v i lõi là ARM COTEX M0 ọ ớ STM32F030F4P6 là vi điều khi n 32 bit, tể ốc độ ối đa là 48 Mhz Giá thành cũng t khá r so v i các loẻ ớ ại vi điều khi n có chể ức năng tương tự M ch nạ ạp cũng như công cụ lập trình khá đa dạng và d s d ng ễ ử ụ
Một số ng dứ ụng chính: dùng cho driver để điều khi n ng dể ứ ụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết b cầm tay, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, ị GPS cơ bản, các ứng d ng trong công nghi p, thi t b l p trình PLC, bi n t n, máy ụ ệ ế ị ậ ế ầ in, máy quét, hệ thống c nh báo, thiả ế ị liên lạc nộ ộ… t b i b
Mạch n p: có khá nhi u lo i m ch nạ ề ạ ạ ạp như : ULINK, J-LINK , CMSIS-DAP, STLINK… ở đây em sử dụng STLINK vì giá thành khá rẻ và debug lỗ ối t t
3.1.3.1 Sơ đồ đấu chân của vi điều khiển STM32F030F4P6
H nh 3.7 Sơ đồ chân của vi điều khi n STM32F030F4P6 ể
Một số chân chính của vi điều khi n STM32F030F4P6: ể
- VDD: chân cấp ngu n ồ (2,4V đến 3,6V)
- PF0-OSC_IN, PF1-OSC_OUT: Chân n i v i th ch anh Trong m ch s ố ớ ạ ạ ử dụng th ch anh ngoài vạ ới tần s 8 MHz ố
- NRST: chân reset mức thấp, cho phép khởi động lại chương trình.
- PA0, PA1, PA2, PA3: 2 c p chân truy n và nh n dặ ề ậ ữ liệu qua giao thức UART (truyền nh n nậ ối tiếp không đồng b ộ).
- PA9, PA10: 1 chân tạo xugn đồng hồ (clock) và 1 chân truyền nh n d ậ ữ liệu (data) trong giao ti p I2C ế
- PA4, PA5, PA6, PA7: 4 chân giao ti p SPI, 1 chân ch n chip giao tiế ọ ếp với Master, 1 chân phát xung đồng h ồ được điều khi n b i Master, 1 chân ể ở truyền tín hi u tệ ừ Slave đến Master, 1 chân truy n tín hi u tề ệ ừ Master đến Slave
- PA13, PA14: chân debug serial wire
- PA4, PA6, PA7, PA9, PA10, PB1: Timer
3.1.3.2 Đặc điểm của vi điều khi n ể
- Bộ nh ớ chương trình 16KB Flash, 4KB SRAM.
- Tần số thạch anh đầu vào tối đa 32 MHz.
- 15 c ng vào ra v i mổ ớ ục đích cơ bản
- RTC (hiệu ch nh): b ỉ ộ dao động 32kHz
- RC nội 8MHz với lựa ch n x6 PLL ọ
- Bộ dao động RC n i 40kHz ộ
- Ghi l i RTC vạ ới thông báo và đánh thức định kì từ chế độ Stop hoặc Standby
- 1 timer 16-bit điều khiển nâng cao cho 6 kênh đầu ra PWM
- Có t i 7 timer 16-bit v i 4 IC/OC, OCN, có th s dớ ớ ể ử ụng cho điều khiển giải mã IR
- Timer độc lập và giám sát hệ thống
- Chế độ g l i SWD (Serial wire debug) ỡ ỗ
- 9 kênh chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hi u s (ADC) ệ ố
- 8 kênh đầu ra so sánh
- Chương trình giao tiếp USART (truyền thông n i tiố ếp đồng bộ và không đồng b ) ộ
IC chuyển đổi logic TXS0108
H nh 3.8 Sơ đồ chân của module chuyển đổi logic TXS0108
IC chuyển đổi m c logic TXS0108 là m t thi t b hai chiứ ộ ế ị ều để chuyển đổi tín hiệu gi a các m c logic 3,3V và 5V ho c 1,8V và 3,3V IC có th cho ra m c tín ữ ứ ặ ể ứ hiệu trong phạm vi 1,2V đến 3,6V (mức thấp) và 1,65V đến 5,5V (mức cao). Thông số kỹ thuật:
- TXS0108 có 8 kênh có thể chuyển đổi tối đa 8 tín hiệu logic
- Các chân A: cho ra tín hiệu mức thấp (từ 1,2V đến 3,6V)
- Các chân B: cho ra tín hi u mệ ức cao (từ 1,65V đến 5,5V)
- Mỗi kênh hoạt động độc lập với nhau
- Giao diện giao ti p chu n I2C ế ẩ
Như đã nói ở phần trên, tín hiệu điều khiển của driver BLD-120A là ở mức 5V, nhưng tín hiệu đầu ra của vi điều khi n ch là 3,3V Vì v y các tín hiể ỉ ậ ệu điều khiển t các lo i vi xừ ạ ử lý đưa ra là không giống với mức điện áp c a driver, v y ủ ậ nên ta c n s d ng IC chuyầ ử ụ ển đổi logic TXS0108 để có th ể điều khiển được driver BLD-120A.
Thiết kế m ạch điề u khi ển động cơ BLDC
Module xử lý trung tâm là trung tâm x lý các tín hiử ệu và đưa ra các tín hiệu đặt cho các thiết b khác.Vì thế vi xử lý đóng vai trò quan trọị ng trong mạch điều khiển
H nh 3.9 Cấu trúc module x lý trung tâm ử
Module x lý trung tâm là trung tâm x lý các tín hi u g i vử ử ệ ử ề và đưa ra các tín hi u hoệ ạt động cho các thiết bị khác Module x lý trung tâm bao gử ồm vi điều khiển trung tâm, m ch RESET hạ ệ thống, m ch t o xung nhạ ạ ịp b ng th ch anh - ằ ạ ở đây sử dụng thạch anh 8 MHz Ngoài ra module còn có các tụ gốm có nhiệm vụ chống nhiễu cho vi điều khi n ể
Mạch tạo dao động b ng th ch anh có m c thêm 2 tằ ạ ắ ụ gốm 20pF có tác d ng ụ chống nhi u cho th ch anh ễ ạ Nút bấm SW1 có nhiệm vụ reset mạch điều khi n ể Để thuận tiện cho quá trình l p trình, chúng ta th c hi n phân công c ng vào ậ ự ệ ổ ra theo bảng 4.4 để khai báo khi lập trình:
B ng 3.4 B ng phân công v trí, chị ức năng của các chân vào ra trên vi điều khiển
STT Chức năng Tên chân Nhiệm vụ Số thứ ự t chân
4 SV PA6 Giá trị điều khiển (điện áp đặt, xung PWM) 12
10 SWDIO PA13(SWDIO) Chân n p code ạ 19
Mạch chuyển đổi mức tín hi u ệ
Như đã trình bày ở phần trên, vì mức điện áp điều khiển của vi điều khiển STM32F040F4P6 và driver BLD-120A là không tương thích, nên ta c n ph i có ầ ả một bộ chuyển đổi m c tín hi u ứ ệ Vi điều khi n sể ẽ đưa ra tín hiệu điều khi n s ể ẽ được cách ly v i Driver qua IC TXS0108E, ngoài chớ ức năng bảo v nó còn có giúp ệ quá trình điều khi n Driver m t cách hi u qu ể ộ ệ ả hơn Vì vi điều khiển chỉ chịu được mức điện áp 3,3V (với mức cao) nên khi có điện áp từ Driver là 5V (mức cao) thì
IC TXS0108E s ẽ đưa ra điện áp 3,3V (mức cao) để trả v ề vi điều khiển Đồng thời khi vi điều khiển gửi tín hi u mệ ức cao là 3,3V thì nó đưa ra tín hiệu 5V về Driver Vừa b o v v a giúp viả ệ ừ ệc điều khi n dể ễ dàng hơn vì đầu ra (m c cao) c a Driver ứ ủ là 5V và của vi điều khiển là 3,3V
H nh 3.10 Module chuyển đổi m c tín hiứ ệu
Các chân t A1 từ ới A8 được nối với vi điều khiển, đưa ra mức điện áp cao là 3,3V, còn các chân t B1 từ ới B8 được n i vố ới driver, đưa ra mức điện áp cao là 5V Các chân A1-B1, A2-B2, s nh n nh ng mẽ ậ ữ ức kích thích tương ứng nhau
Ngoài ra, trong module này, ta còn thi t k thêm mế ế ạch đảo chiều động cơ bằng cách s d ng IC 74AHC1G14SE-7 và 1 công t c switch IC 74AHCG14SE-ử ụ ắ
7 là m t c ng bi n t n Schmitt-ộ ổ ế ầ trigger 1 đầu vào với đầu ra push-pull tiêu chu n ẩ Thiết bị được thi t kế ế để hoạt động v i dớ ải điệ ừ 2.0V đến t n 5.5V Phương trình logic mà IC th c hi n là ự ệ Y = A Khi g t công t c SW2 k t n i chân PA1 v i A3, ạ ắ ế ố ớ thì tín hiệu A3 s cùng mẽ ức tín hiệu với tín hiệu đặt chiều quay PA1, khi g t công ạ tắc SW2 k t n i chân PA1 vế ố ới chân A của IC, tín hi u A3 s là hàm phệ ẽ ủ định của tín hi u PA1, vệ ậy nên để thay đổi chiều quay của động cơ, ta không cần cài đặt lại mức tín hiệu c a PA1 mà chủ ỉ cần thay đổ ị trí công t c SW2 i v ắ
Mạch điều khiển động cơ giao tiếp với mạch điều khiển trung tâm thông qua giao tiếp UART được thi t k theo chu n truy n thông RS485 2 dây D ế ế ẩ ề ữliệu truy n ề nhận gi a hai mữ ạch đều được cách ly bằng IC cách ly quang 6N137
UART có sơ đồ bao gồm hai thành phần là thiết bị gửi và thiết bị thu Phần thiết b g i bao g m ba kh i là thanh ghi gi truy n, thanh ghi d ch chuy n và logic ị ử ồ ố ữ ề ị ể điều khiển Tương tự, phần thiết bị thu bao gồm một thanh ghi gi , thanh ghi thay ữ đổi và logic điều khiển
Hai phần này thường được cung c p b i m t b t o tấ ở ộ ộ ạ ốc độ baud Trình tạo này được sử dụng để tạo tốc độ khi phần máy phát và phần máy thu phải truyền hoặc nhận d u ữliệ
H nh 3.12 M ch giao tiạ ếp UART
Dữ liệu truy n nh n gi a hai mề ậ ữ ạch đều được cách ly b ng IC cách ly quang ằ 6N137
H nh 3.13 Sơ đồ chân và hình nh của IC 6N137
Thông số kỹ thuậ ủt c a IC 6N137:
- Là c ng k t h p quang h c k t h p diode phát sáng ổ ế ợ ọ ế ợ aGaAsP và đầu dò khuếch đại khuếch đại cao tích hợp Có 8 chân, các chân đầu vào và đầu ra được cách ly về điện
- Dũng điện vào (mức thấp) (Ifl): 0àA 250àA –
- Dòng điện vào (m c cao) (Ifh): 6.3mA 15mA ứ –
- Điện áp cung cấp, đầu ra (Vcc): 4.5-5.5V
- Điện áp kích ho t (mạ ức thấp) (Vel): 0V 0.8V –
- Điện áp kích ho t (mạ ức cao) (Veh): 2.0V – VccV
- Nhiệt độ hoạt động -40°C đến +85°C
B ng 3.5 B ng chức năng chân IC 6N137
Chân Chức năng Chân Chức năng
NC Không Vcc Cấp nguồn
A Đầu vào cực dương VE Kích hoạt điện áp đầu vào
C Đầu vào cực âm VC Điện áp đầu ra
NC Không GND Nối đất
Mạch điều khiển động cơ giao tiếp với mạch điều khiển trung tâm thông qua giao ti p UART, s d ng IC giao ti p Max3485 là bế ử ụ ế ộ truyền nh n dậ ữ liệu năng lượng thấp dùng cho chuẩn RS485
H nh 3.14 Sơ đồ chân và hình nh IC MAX3485
Thông số kỹ thuật IC Max3485:
- Tốc độ bit Max= 10Mbps
- Có thể k t nế ối tối đa 32 thiết bị trên bus 485
- Điện áp hoạt động: -7V ~ 12V Thường dùng 5V
- Bus Max3485 truy n dề ữ liệu Vi sai b ng 2 dây A, B nên kho ng cách ằ ả truyền l n, khớ ả năng chống nhi u tễ ốt.
- Với A-B > 200mV s t o mẽ ạ ức logic 1.
- Với B-A>200mV s t o mẽ ạ ức logic 0.
B ng 3.6 B ng chức năng chân IC MAX3485
Chân Tên chân Chức năng
1 RO Đầu ra máy thu Nếu A> B bằng 200mV, RO sẽ cao; nếu
Kích hoạt đầu ra máy thu RO được bật khi RE thấp; RO có trở kháng cao khi RE cao N u RE cao và DE th p, ế ấ thiết bị s nh p chẽ ậ ế độ năng lượng th p ấ
- Kích hoạt đầu ra trình điều khiển Các đầu ra trình điều khiển được kích hoạt bằng cách đưa DE lên cao.
- Chúng có tr kháng cao khi DE th p ở ấ
- Nếu RE cao và DE th p, thiấ ết bị ẽ s chuyển sang chế độ tắt nguồn năng lượng thấp
- Nếu đầu ra của trình điều khiển là được kích hoạt, các bộ ph n hoậ ạt động như trình điều khi n dòng Trong ể khi chúng có tr kháng cao, chúng hoở ạt động như máy thu dòng nếu RE th p ấ
4 DI Đầu vào trình điều khiển
6 A Đầu vào máy thu không đảo ngược và đầu ra trình điều khiển không đảo
7 B Đầu vào bộ thu đảo ngược và đầu ra trình điều khiển đảo
8 VCC Nguồn cung cấp tích cực: 3.0V V≤ CC ≤3.6V
Mạch điều khiển động cơ BLDC được cấp ngu n t ồ ừ hai nơi:
- Nguồn 24VDC c p nguấ ồn cho Driver được l y t ngu n t ong OMRON ấ ừ ồ ổ 220VAC/24VDC 14,6A
- Nguồn 5VDC c p ngu n cho phấ ồ ần điều khi n (bao g m chip ARM, các ể ồ
IC và các chân điều khiển trên Driver) được lấy từ nguồn cách ly trên mạch điều khiển trung tâm Sau đó nguồn 5VDC này sẽ ế ti p tục được cách ly thông qua IC ngu n cách ly DC/DC Traco TBA2-ồ 0511 trước khi được hạ xu ng 3,3V bằng IC nguố ồn AMS1117 để ấp ngu n cho chip c ồ
H nh 3.15 Mạch nguồn cấp cho vi điều khiển và driver
THIẾT K Ế CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ
Lập trình điề u khi ển cho động cơ BLDC
Thuật toán điều khiển động cơ
H nh 4.4 Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ BLDC Để động cơ hoạt động ta cần xác định dõ các yêu cầu điều khiển Trong quá trình hoạt động ưu tiên dừng và phanh động cơ là ưu tiên hàng đầu
Các lệnh trong lưu đồ thuật toán:
- Phanh: Khi động cơ đang quay với vận tốc cao ta có thể dừng động cơ bằng cách c p 3 pha cấ ủa động cơ với dương nguồn ho c nặ ối 3 pha động cơ với GND
- Enable: Khi có tín hiệu cho phép động cơ mới được phép hoạt động
- Nhận giá tr tị ốc độ: Động cơ điều khi n tể ốc độ theo phương pháp băm xung PWM Vi điều khi n s ể ẽnhận một data d ữliệu v tề ốc độ do t ng trên ầ gửi xuống rồi x lí tín hiử ệu đó.
- Kiểm tra hướng: Data mà vi điều khiển tầng trên gửi xuống theo tín hiệu mức cao, mức thấp
Cấu hình cho vi điều khiển STM32F040F4P6
Ta cấu hình cho vi điều khi n b ng ph n mể ằ ầ ềm STM32CubeMX như hình 4.5
H nh 4.5 Cấu h nh vi điều khiển STM32F040F4P6
Cấu hình phần GPIO như hình 4.6
H nh 4.6 Cấu hình GPIO cho vi điều khiển
Cấu hình channel 1 c a Timer 14 ủ ở chế độ “Input Capture direct mode” Nhiện v c a Timer này là tính th i gian trong 1 chu kì c a c m bi n Hall, tụ ủ ờ ủ ả ế ừ đó sẽ tính toán ra được vận tốc của động cơ
H nh 4.7 C u hình Timer 14 channel 1cấ ủa vi điều khi n ể
Cấu hình Channel 1 c a Timer 3 ủ ở chế độ “PWM Generation CH1” Nhiệm vụ c a Timer này là xu t ra xung PWM vủ ấ ới độ ộng xung đượ tính toán và đưa ra r c bởi vi điều khi n ể
H nh 4.8 Cấu hình Timer 3 channel 1 của vi điều khiển
Cấu hình UART, trong tab UART ch n UART1, chọ ọn mode
“Asynchronous” Giao tiếp UART có nhiệm vụ giao tiếp với máy tính hoặc bộ điều khiển trung tâm, để nhận giá tr tốc độ t, gửi tốc độ t hiện tại cị đặ đặ ủa động cơ, giúp người dùng có thể theo dõi được vận tốc của động cơ thực tế
H nh 4.9 C u hình truy n thông UART cho ấ ề vi điều khi n ể
4.2.3.1 Đọc tốc đ thự ế ộ c t động cơ Để đọc đượ ốc độc t thực tế của động cơ, ta phải đọc được th i gian 1 chu kì ờ của c m bi n Hall tr v Ta x d ng ch ả ế ả ề ử ụ ế độ “Input capture direct mode” ở channel
Input Capture là chế độ ắt xườn đầu vào, thườ b ng ng d ng trong các hoứ ụ ạt động đo tần số hoặc độ rộng xung Nguyên lý hoạt động của chế độ input capture:
- Sau khi khởi động timer, mỗi khi có xung xườn lên (ho c xu ng) tặ ố ại đầu vào channel c a timer, b nh sủ ộ ớ ẽ lưu lại giá trị đó vào thanh ghi.
- Mỗi lần lưu giá trị vào thanh ghi, c nhờ ớ sẽ được set lên 1, n u cế ờ nhớ đang được set lên 1 rồi thì giá trị trả về là khoảng thời gian giữa 2 xung sườn lên (hoặc xuống) và xóa bit c nhớ ờ
H nh 4.10 Nguyên lý hoạt động c a ch Input capture ủ ế độ
4.2.3.2 Thiết kế bộ điều khi n PI ể Để điều khiển đượ ốc độ ủa động cơ, ta cần sử d ng b c t c ụ ộ điều khi n ể Ở đây, ta s d ng bử ụ ộ điều khiển PI để điều khi n tể ốc độ động cơ, với đầu vào là sai lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ thực t ph n h i vế ả ồ ề, đầu ra là giá tr ị độ r ng xung (PWM) ộ
Vì không có thông s cố ụ thể ủa động cơ, nên ta dùng cách thử c các thông s ố của b PI, sau khi th m t vài b s , ta quyộ ử ộ ộ ố ết định ch n h s K = 0,05; Kọ ệ ố D I = 0,7 Chu kì điều khiển v n tốc là T = 0,1s ậ
• Rời rạc hóa b ộ điều khi n: ể
Bộ điều khi n s không th l y m u liên t c theo thể ố ể ấ ẫ ụ ời gian, nó cần đượ ời c r rạc ở m t vài m c Khi cho h s l y m u ng n bên trong th i gian vi phân có th ộ ứ ệ ố ấ ẫ ắ ờ ể đạt được xấp xỉ một sai phân có gi i hạn và tích phân qua việc lấy tổng Chúng ta ớ sẽ quan tâm m i d ng m t thỗ ạ ở ộ ời điểm, và sai s ố được tính ở mỗi khoảng l y mấ ẫu:
Bộ PID r i rờ ạc đọc sai s , tính toán và xuố ất ngõ ra điều khi n theo m t kho ng ể ộ ả thời gian xác định (không liên tục) – thời gian l y m u T Th i gian l y m u cấ ẫ ờ ấ ẫ ần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệthống
Không gi ng các thuố ật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khi n PID có ể khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc độ thay đổi sai số Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn định hơn.
Sử dụng phương pháp backward Euler: 𝑠= (𝑧−1) 𝑧.𝑇
𝐸𝑘−1] với 𝑇𝑠 là chu kỳ ều khiểnđi 4.2.3.3 Giao tiếp UART
• Cài đặt thông số tốc độđặt bằng Hercules terminal
Kết quả sau khi ch y th ạ ực tế
Sau kho ng thả ời gian quy định để thực hiện đồ án thiết kế ớ ự ỗ ự, v i s n l c, c ố gắng tìm hi u c a b n thâể ủ ả n cũng như sự chỉ bảo, giúp đỡ ậ t n tình c a các gi ng ủ ả viên trong khoa và b n bè cùng lạ ớp, đến nay em đã hoàn thành khá tốt được những yêu cầu được giao Trong đồ án thiết kế, em đã thực hiện được nh ng yêu c u: ữ ầ
- Tìm hi u t ng quan v ể ổ ề động cơ một chi u không ề chổi than BLDC, đưa ra được câu tạo cũng như các yếu tố về cơ và điện của loại động cơ này.
- Tìm hiểu được nguyên lý hoạt động, các đường đặc tính của động cơ.
- Tìm hiểu các phương pháp điều khi n chuyể ển động cũng như điều khiển tốc độ động cơ
- Thiết kế bộ điều khiển động cơ bằng vi điều khi n STM32F040F4P6 ể Hướng phát triển đề tài sau này của em:
- Thiết kế thêm mạch vòng điều kiển dòng điện cho động cơ BLDC.
- Ứng d ng viụ ệc điều khiển tốc độ và điều khiển dòng điện động cơ BLDC cho một cơ cấu truyền động điện cụ thể như là cánh tay robot, ổ trục cho máy công cụ CNC
Tuy nhiên do th i gian có hờ ạn cũng như trình độ ủ c a b n thân còn có nhiả ều hạn ch , thi u sót nên em vế ế ẫn chưa hoàn thành đề tài m t cách xu t s c Em rộ ấ ắ ất mong mu n nhố ận được sự chỉ bảo, sửa chữa, đóng góp ý ki n c a các th y cô, b n ế ủ ầ ạ bè trong lớp để em có thể thực hiện, hoàn thành đề tài tốt hơn cũng như củng c ố thêm kiến thức cho bản thân.
KẾ T LUẬ N VÀ HƯ Ớ NG PHÁT TRI ỂN ĐỀ TÀI 52 PHỤ L C 53Ụ
Sau kho ng thả ời gian quy định để thực hiện đồ án thiết kế ớ ự ỗ ự, v i s n l c, c ố gắng tìm hi u c a b n thâể ủ ả n cũng như sự chỉ bảo, giúp đỡ ậ t n tình c a các gi ng ủ ả viên trong khoa và b n bè cùng lạ ớp, đến nay em đã hoàn thành khá tốt được những yêu cầu được giao Trong đồ án thiết kế, em đã thực hiện được nh ng yêu c u: ữ ầ
- Tìm hi u t ng quan v ể ổ ề động cơ một chi u không ề chổi than BLDC, đưa ra được câu tạo cũng như các yếu tố về cơ và điện của loại động cơ này.
- Tìm hiểu được nguyên lý hoạt động, các đường đặc tính của động cơ.
- Tìm hiểu các phương pháp điều khi n chuyể ển động cũng như điều khiển tốc độ động cơ
- Thiết kế bộ điều khiển động cơ bằng vi điều khi n STM32F040F4P6 ể Hướng phát triển đề tài sau này của em:
- Thiết kế thêm mạch vòng điều kiển dòng điện cho động cơ BLDC.
- Ứng d ng viụ ệc điều khiển tốc độ và điều khiển dòng điện động cơ BLDC cho một cơ cấu truyền động điện cụ thể như là cánh tay robot, ổ trục cho máy công cụ CNC
Tuy nhiên do th i gian có hờ ạn cũng như trình độ ủ c a b n thân còn có nhiả ều hạn ch , thi u sót nên em vế ế ẫn chưa hoàn thành đề tài m t cách xu t s c Em rộ ấ ắ ất mong mu n nhố ận được sự chỉ bảo, sửa chữa, đóng góp ý ki n c a các th y cô, b n ế ủ ầ ạ bè trong lớp để em có thể thực hiện, hoàn thành đề tài tốt hơn cũng như củng c ố thêm kiến thức cho bản thân
PHỤ L C Ụ Code điều khiển động cơ một chiều không chổi than BLDC /* USER CODE END Header */
/* Private includes -*/ /* USER CODE BEGIN Includes */
//Input capture uint16_t IC_Val1 = 0, IC_Val2 = 0; uint16_t Difference = 0; int is_first_capture = 0; float frequency = 0; float speed_motor = 0; int so_thu_nhat = 0; int so_thu_hai = 0; int so_thu_ba = 0; int so_thu_tu = 0;
//PID long int last = 0; float T = 0.100; float speed_reference = 1000; float Kp = 0.05; float Ki = 0.7; float error = 0, error_1 = 0; float output = 0, pre_output = 0; float duty = 0;
// UART uint8_t u8_RxBuff[4]; uint8_t u8_RxData; uint8_t u8_TxBuff[] = "Nhap toc do dat cho dong co: "; uint8_t speed_UART[6]; uint8_t _rxIndex = 0; uint16_t Tx_Flag = 0;
/* Private typedef -*/ /* USER CODE BEGIN PTD */
/* Private define -*/ /* USER CODE BEGIN PD */
/* Private macro -*/ /* USER CODE BEGIN PM */
/* Private variables -*/ TIM_HandleTypeDef htim3;
/* Private function prototypes -*/ void SystemClock_Config(void); static void MX_GPIO_Init(void); static void MX_TIM3_Init(void); static void MX_TIM14_Init(void); static void MX_USART1_UART_Init(void);
/* Private user code -*/ /* USER CODE BEGIN 0 */ void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if(htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
IC_Val1=HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim,TIM_CHANNEL_1); is_first_capture =1;
} else if (is_first_capture == 1)
IC_Val2=HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim,TIM_CHANNEL_1); if(IC_Val2>IC_Val1)
Difference=IC_Val2 IC_Val1;-
} else if (IC_Val2 Instance ==USART1)
{ u8_RxBuff[_rxIndex++] = u8_RxData; //Them du lieu vao bo dem (Buffer)
_rxIndex = 0; //Xoa con tro du lieu
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &u8_RxData, 1);
* @brief The application entry point
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick */ HAL_Init();
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim14, TIM_CHANNEL_1);
HAL_UART_Transmit(&huart1, u8_TxBuff, sizeof(u8_TxBuff), 100); HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &u8_RxData,1); last = HAL_GetTick();
/* USER CODE BEGIN WHILE */ while (1)
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_7,GPIO_PIN_RESET);//EN HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_SET);//BRK
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_RESET);//FR HAL_TIM_SetCompare(&htim3,TIM_CHANNEL_1,duty);
{ speed_reference = 1000*(u8_RxBuff[0]-'0') + 100*(u8_RxBuff[1]-'0') + 10*(u8_RxBuff[2]-'0') + 1*(u8_RxBuff[3]-'0');
{ so_thu_nhat = speed_motor/1000; so_thu_hai = (speed_motor - 1000*so_thu_nhat)/100; so_thu_ba = (speed_motor - 1000*so_thu_nhat - 100*so_thu_hai)/10; so_thu_tu = (speed_motor - 1000*so_thu_nhat - 100*so_thu_hai - 10*so_thu_ba); speed_UART[0]=so_thu_nhat+'0'; speed_UART[1]=so_thu_hai+'0'; speed_UART[2]=so_thu_ba+'0'; speed_UART[3]=so_thu_tứ0'; speed_UART[4]='\r'; speed_UART[5]='\n';
HAL_UART_Transmit(&huart1, speed_UART,sizeof(speed_UART),100);
//PID if(HAL_GetTick() - last >= 1000*T)
{ last = HAL_GetTick(); error = speed_reference - speed_motor; output = Kp*(error - error_1 + (Ki*T)*error_1) + pre_output; pre_output = output; error_1 = error; duty = output; if(duty>99)
/** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
* in the RCC_OscInitTypeDef structure
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL6;
RCC_OscInitStruct.PLL.PREDIV = RCC_PREDIV_DIV1; if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
RCC_ClkInitStruct.ClockType RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_1) != HAL_OK)
PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_USART1;
PeriphClkInit.Usart1ClockSelection RCC_USART1CLKSOURCE_PCLK1; if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK) {
HAL_RCC_MCOConfig(RCC_MCO, RCC_MCO1SOURCE_SYSCLK, RCC_MCODIV_1);
*/ static void MX_TIM3_Init(void)
/* USER CODE BEGIN TIM3_Init 0 */
/* USER CODE END TIM3_Init 0 */
/* USER CODE BEGIN TIM3_Init 1 */
/* USER CODE END TIM3_Init 1 */ htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 48-1; htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.Period = 100-1; htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim3.Init.AutoReloadPreload TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim3) != HAL_OK)
} sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET; sMasterConfig.MasterSlaveMode TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3,
} sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; sConfigOC.Pulse = 0; sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
/* USER CODE BEGIN TIM3_Init 2 */
/* USER CODE END TIM3_Init 2 */
*/ static void MX_TIM14_Init(void)
/* USER CODE BEGIN TIM14_Init 0 */
/* USER CODE END TIM14_Init 0 */
/* USER CODE BEGIN TIM14_Init 1 */
/* USER CODE END TIM14_Init 1 */ htim14.Instance = TIM14; htim14.Init.Prescaler = 480-1; htim14.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim14.Init.Period = 65535; htim14.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim14.Init.AutoReloadPreload TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; if (HAL_TIM_Base_Init(&htim14) != HAL_OK)
} if (HAL_TIM_IC_Init(&htim14) != HAL_OK)
} sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING; sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; sConfigIC.ICFilter = 0; if (HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim14, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
/* USER CODE BEGIN TIM14_Init 2 */
/* USER CODE END TIM14_Init 2 */
*/ static void MX_USART1_UART_Init(void)
/* USER CODE BEGIN USART1_Init 0 */
/* USER CODE END USART1_Init 0 */
/* USER CODE BEGIN USART1_Init 1 */
/* USER CODE END USART1_Init 1 */ huart1.Instance = USART1; huart1.Init.BaudRate = 38400; huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; huart1.Init.OneBitSampling = UART_ONE_BIT_SAMPLE_DISABLE; huart1.AdvancedInit.AdvFeatureInit UART_ADVFEATURE_NO_INIT; if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
/* USER CODE BEGIN USART1_Init 2 */
/* USER CODE END USART1_Init 2 */
*/ static void MX_GPIO_Init(void)
HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();
HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
/*Configure GPIO pin Output Level */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, FR_Pin|EN_Pin, GPIO_PIN_RESET);
/*Configure GPIO pin Output Level */
HAL_GPIO_WritePin(BRK_GPIO_Port, BRK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
/*Configure GPIO pins : FR_Pin EN_Pin */
GPIO_InitStruct.Pin = FR_Pin|EN_Pin;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
/*Configure GPIO pin : HU_Pin */
GPIO_InitStruct.Pin = HU_Pin;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(HU_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
/*Configure GPIO pin : BRK_Pin */
GPIO_InitStruct.Pin = BRK_Pin;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(BRK_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
* @brief This function is executed in case of error occurrence
/* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
/* User can add his own implementation to report the HAL error return state
/* USER CODE END Error_Handler_Debug */
* @brief Reports the name of the source file and the source line number
