Môn hoc Đồ án 1 cơ sở ngành Điều khiển và tự Động hóa Đề 09

Em xin cam kết bài đồ án “Thiết kế, chế tạo vận hành mô hình cây điện gió sử dụng bộ vi điều khiển STM32”là do chính em làm và thu nhập thông tin, không sao chép các công trình nghiên cứ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TÊ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

MÔN HOC ĐỒ ÁN 1

CƠ SỞ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỀ 09 Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Họ và tên sinh viên: ĐÀO HỒNG HẢI Lớp: DHTD16A1HN MSV: 22104300002 Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Cao Cường

LỜI CẢM ƠNLời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Cao Cường Trong suốt quá trình học tập và làm Đồ án 1, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp

đỡ, những hướng dẫn tâm huyết và tận tình từ Thầy Thầy đã giúp em có thể hiểu thêm rất nhiều kiến thức mới về chuyên ngành để có thể hoàn thiện đề tài “Thiết kế, chế tạo vận hành mô hình cây điện gió sử dụng bộ vi điều khiển STM32”

Trong quá tình làm bài chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Do đó, em kính mong nhận được sự góp ý từ cô để đề tài nghiên cứu của em ngày càng hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Em xin cam kết bài đồ án “Thiết kế, chế tạo vận hành mô hình cây điện gió sử dụng

bộ vi điều khiển STM32”là do chính em làm và thu nhập thông tin, không sao chép các công trình nghiên cứu của người khác để làm bài cho chính mình, các thông tin dùng trong bài là có nguồn gốc và trích dẫn Nếu có phát hiện bất kì gian lận nào em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà nội ,ngày tháng năm

Mục lục

Chương 1 :TỎNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ 9

1.1.1 Lý do sử dụng năng lượng gió 9

1.1.2 Ưu điểm và nhược điểm năng lượng gió 9

1.2 Cấu trúc tuabin gió 10

1.2.1 Tuabin gió trục ngang 11

1.2.2 Tuabin gió trục đứng 12

1.2.3 So sánh sự khác nhau giữ tuabin đứng và ngang 12

Chương 2 TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT ĐẦU VÀO TỪ CÂY NĂNG LƯỢNG GIÓ 15

2.1 Công thức tính toán 15

2.2 Tính toán công suất 17

2.3 Chọn quạt 18

2.4 Tính toán dòng điện đầu ra 20

Chương 3 TÍNH TOÁN BỘ SẠC ACQUY VÀ LỰA CHỌN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI 20 3.1.Sơ đồ nguyên lí bộ DC-DC converter vào sạc 20

3.2.Tính toán và tối ưu bộ điều khiển sạc 21

3.3.Lựa chọn bộ biến đổi 23

3.3.1 Cấu tạo mạch băm xung 1 chiều song song ( boost áp ): 23

3.3.1.1Nguyên lý hoạt động: 24

3.3.1.2.Các kiểu băm xung điện áp 1 chiều: 26

3.3.2 Chuyển đổi DC-AC (1 PHASE) 28

3.3.2.1 Nghịch lưu 1 phase tải R+L 28

3.3.2.2 Nguyên lý làm việc 28

3.3.2.3 Mạch lọc đầu ra LC: 30

3.3.3 Chuyển đổi DC-AC( 3 PHASE) 34

3.3.3.1 Mạch nghịch lưu 3 pha PWM (Pulse Width Modulation) 34 3.3.3.2 Cấu tạo 34

3.3.3.3 Nguyên lý hoạt động: 34

3.3.3.4 Phương pháp điều chế PWM: 35

3.3.3.5 Ứng dụng: 35

3.3.3.6 Kết luận: 36

Chương 4 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 36

4.1 Vi điều khiển STM32F103C8T6 36

4.1.1 Giới thiệu STM32 36

4.1.2 Sơ đồ chân STM32F103C8T6 44

4.1.3 Cấu hình chân STM32F103C8T6 Blue Pill 46

4.1.4 Lập trình bảng mạch STM32F1 52

4.2 Giới thiệu màn hình hiển thị LCD 53

4.2.1 Hoạt động LCD 53

4.2.2 Chức năng các chân của LCD 53

4.3 IC ổn áp nguồn 7833 55

4.4 IRF 3203 57

4.5 Diode 58

4.6 Transistor 59

4.7 Điện trở ( Resistor ) 60

4.8 Tụ điện 61

4.9 Mosfet IR2112 61

CHƯƠNG 5:THIẾT KẾ 63

5.1 sơ đồ khối 63

5.2Chức năng các khối 63

5.3 Mô phỏng 66

5.3.1 tính toán linh kiện 66

5.3.2 Mô phỏng 67

5.3.3 giản đồ điện áp 68

5.4Code điều khiển 69

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1 Hình ảnh cây điện gió

Hình 1.2 Hình ảnh minh họa 1 số kiểu tuabin

Hình ảnh 1.3 Tuabin gió trục ngang

Hình ảnh1.4 mô tả tuabin trục đứng

Hình 1.5 Biều đồ công suất đầu ra của tuabin gió

Hình 2.1 kết cấu máy phát điện gió

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch boost áp.

Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng matlab

Hình 3.7 Đồ thị dòng điện điện áp mạch băm xung 1 chiều song song

Hình 3.8 Các thời điểm xung G được phát

Hình 3.9 Đồ thị điện áp

Hình 3.10 sơ đồ điều chỉnh theo phương pháp xung tần

Hình.3.11 Sơ đồ nguyên lí nghịch lưu 1 pha

Hình 3.12 Đồ thị nghịch lưu 1 pha

Hình.3.13 Mô phỏng 1 pha trên PSIM

Hình 3.14 Các mạch lọc tần số cho nghịch lưu độc lập điện áp

Hình 3.15 Các bộ lọc cho tần số cho nghịch lưu độc lập điện áp

Hình 3.16 minh họa nguyên lý này khi dùng xung tam giác tần số cao (gọi là sóng mang – carrier) để so sánh với điện áp hình sin (gọi là sóng điều chế - modulation), điểm cắt nhau giữa hai điện áp này là điểm chuyển đổi trạng thái của hai cặp van cho nhau.

Hình.3.17 Điều chế PWM hình SIN hai cực tính

Hình 3.18Điều chế SPWM một cực tính.

Hình ảnh 3.19 Mô phỏng trên psim

Hình 3.20 Mô phỏng nghịch lưu 3 pha trên PSIM

Hình ảnh 4.1 sơ đồ khối stm32

Hình ảnh 4.2Các tùy chọn xung nhịp

Hình ảnh 4.3 Kiến trúc cpu STM32

Hình ảnh 4.4 Bản đồ bộ nhớ tuyến tính

Hình ảnh 4.5 các miền năng lượng bên trong stm32

Hình ảnh 4.6 Đặc tính mạch reset bên trong stm32

Hình 5.2 khối trung tâm điều khiển

Hình 5.3 khối hiển thị led LCD

Hình 5.4 khối ADC

Hình 5.5 khối nút nhấn

Hình 5.6 khối cách ly

Mở đầu 1.Lý do chọn đề tài

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là sử dụng năng lượng gió giúp

tuabin xoay và tạo lên nguồn điện để cung cấp cho các thiết bị công suất nhỏ sinh hoạt trong gia đình và sản xuất

-Nhân loại đang bước vào thập niên đầu của thế kỷ XXI Thiếu hụt năng lượng và vấn nạn ô nhiễm môi trường đang là những mối đe dọa sự phát triển bền vững của ngôi nhà chung “trái đất” của chúng

ta Ngay cả nguồn thủy điện tưởng như vô hại đến môi trường thì nay người ta đã phải quan tâm đến những hậu quả nghiêm trọng là làm mất cân bằng sinh thái Do vậy, việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng Gió, năng lượng Mặt Trời là hướng đi quan trọng trong quy hoạch phát triển năng lượng, đảm bảo an ninh năng lượng cho mỗi quốc gia Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một yếu tố đầu vào không thể thiếu được của hoạt động kinh tế Khi mức sống của người dân càng cao, trình độ sản xuất của nền kinh tế ngày càng hiện đại thì nhu cầu về năng lượng cũng ngày càng lớn, và việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách thức đối với hầu hết mọi quốc gia Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh tế từ sau Đổi Mới làm nhu cầu về điệngia tăng đột biến trong khi năng lực cung ứng chưa phát triển kịp thời Nếu tiếp tục đà này, nguy cơ thiếu điện vẫn sẽ còn là nỗi lo thường trực của ngành điện lực Việt Nam cũng như của các doanh nghiệp và người dân cả nước.v

-Tìm nguồn năng lượng mới nhất là một nguồn năng lượng tái tạo

đã trở thành một giấc mơ cần biến thành hiện thực, một nhu cầu, một bài toán cho nhân loại Trong các nguồn năng lượng tái tạo này, cho đến nay, chỉ có thủy điện là đáng kể Trong những nguồn còn lại:điện gió, điện mặt trời, trái đất, cho đến nay tiềm năng lớn là năng lượng gió Nó được xem như dạng năng lượng ưu việt trong tương lai,

đó là nguồn năng lượng sạch, vô tận và là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường

-Với mong muốn phát triển và tận dụng những năng lượng mới sẵn

có trong thiên nhiên em lựa chọn đề tài “ Cây Điện Gió ”.

Hình 1.1 Hình ảnh cây điện gió

2 Mục tiêu đề tài

- Tìm hiểu về năng lượng gió và các cách khác nhau để chuyển đổi nó thành năng lượng hữu ích

-Thiết kế, chế tạo và vận hành mô hình cây điện gió

3.Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

+Không gian : Các khu vực có gió

4.Phương pháp nghiên cứu

-Thu thập thông tin: thu thập dữ liệu về gió các nơi khảo sát ,tìm hiểu đặc tính của gió và hướng gió

-Xử lí thông tin: từ các số liệu thu thập được thiết kế tuabin gió phù hợp ,sử dụng các phép tính để tính toán năng lượng gió và thiết kế

hệ thống cây điện gió phù hợp

5.Ý nghĩa đề tài

-Tận dụng được năng lượng gió vô hạn trong thiên nhiên và sử dụng

nó để tạo ra nguồn điện

6.Kết cấu đề tài

-Chương 1:Tổng quan về năng lượng điện gió

-Chương 2:Tính toán công suất đầu vào từ cây năng lượng gió-Chương 3:Tính toán bộ sạc acquy và lựa chọn các bộ biến đổi

-Chương 4:Các linh kiện

-Chương 5:Thiết kế

CHƯƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 Khái niệm năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự nhiên và

đã được biết đến từ thời kỳ Cổ Đại

Bởi sự ảnh hưởng không đồng đều của nhiệt độ mặt trời vào bầu khí quyển làm cho không khí giữa vùng này và vùng khác bị chênh lệch về áp suất do vậy sinh ra sự chuyển động không khi từ vùng có áp suất cao đến vùng không khí có áp suất thấp và

sự chuyển động đó được gọi là giỏ Chúng ta đều biết sự chuyển động của gió tạo ra một lực cơ học và nó ở dạng lực mặt do vậy nó cũng có chiều có hướng và có độ lớn cũng có nghĩa là có năng lượng ở dạng cơ năng nên từ xa xưa con người đã biết lợi dụng sức gió để ứng dụng vào cuộc sống (cối xay gió, thuyền buồm, ) những đấy là những ứng dụng đơn giản còn trong thời đại hiện nay có sự nghiên cứu và đã được ứng dụng rộng rãi, năng lượng gió được chuyển sang điện năng Việc ứng dụng đó gọi

là sử dụng năng lương gió

1.1.1 Lý do sử dụng năng lượng gió

- Năng lượng gió không thải khí, hóa chất độc hại và suy kiệt theo thời gian

-Hiện nay giá dầu tăng cao kéo theo sự tăng giá của các loại nhiên liệu khác như: khí đốt, than đá,

-Ổn định giá năng lượng: đóng góp và đa dạng hóa năng lượng -Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu và hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp nguyên liệu từ nước ngoài

-Nhu cầu về điện của toàn nền kinh tế tăng trung bình gần

13%/năm, và tốc độ tăng của mấy năm trở lại đây còn cao hơn mức trung bình

-Không phát thải hiệu ứng gây nóng lên toàn cầu

1.1.2 Ưu điểm và nhược điểm năng lượng gió

* Ưu điểm:

- Năng lượng gió không thải khí, hóa chất độc hại ra môi trường

-Ổn định giá năng lượng: đóng góp và đa dạng hóa năng lượng.-Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu và hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp nguyên liệu từ nước ngoài.

-Nhu cầu về điện của toàn nền kinh tế tăng trung bình gần

13%/năm, và tốc độ tăng của mấy năm trở lại đây còn cao hơn mức trung bình

- Không phát thải hiệu ứng gây nóng lên toàn cầu

* Nhược điểm:

-Gây ra tiêng ồn, làm ảnh hưởng đến sinh hoạt của người dân xung quanh

- Làm nhiễu sóng vô tuyến

- Mất cân bằng sinh thái

-Công suất điện gió trạm phong điện cung cấp phụ thuộc theo mùa, thời tiết và địa hình

1.2 Cấu trúc tuabin gió

Năng lượng gió từ lâu đã được biết đến và sử dụng, ban đầu sử dụngcác cối xay gió ung để xay lúa và kéo thuyền buồm hay khinh khí cầu Với sự ra đời của các Tuabin gió đã đánh dấu một bước phát triển lớn về công nghệ sử dụng năng lượng gió trong việc tạo ra nguồn điện năng

Tuabin gió là thiết bị ung để biến đổi điện năng động năng của gió thành năng lượng gồm có Tuabin gió trục ngang và Tuabin gió trục đứng

Tuabin gió biển đổi năng lượng động lực của gió thành lực cơ học để chạy máy phát sản xuất ra điện sạch Các Tuabin ngày nay là các nguồn tạo điện năng theo dạng môđun Cánh của Tuabin được thiết

kế dạng khi động học để nhận được năng lượng gió cực đại Gió làm quay các cánh Tuabin, trục quay gần với máy phát tạo ra điệnCác Tuabin gió hoạt động dựa trến một nguyên lý rất đơn giản Nănglượng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 roto Mà roto được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện Các Tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió Ở độ cao 30m trên mặt đất thì các Tuabin gió thuận lợi Tốc độ nhanh hơn và ít bị ảnh hưởng của các luồng gió bất thường Các Tuabin gió có thể sử dụng để cung cấp

điện cho nhà cửa hoặc trong xây dựng, chúng có thể nổi tới một mạng điện để phân phối mang điện ra rộng hơn.

Hình ảnh 1.2 minh họa 1 số kiểu tuabin

1.2.1 Tuabin gió trục ngang

Hình ảnh 1.3 Tuabin gió trục ngang

Tuabin gió truy cập ngang, hoặc HAWT, là những gì bạn nghĩ đến khi nghĩ về một tuabin gió Chúng tạo nên phần lớn các tua-bin cỡ công nghiệp và có thể được xác định bằng thiết kế giống như cánh quạt của chúng Chúng thường có ba lưỡi, mặc dù một số có hai hoặc thậm chí chỉ một Hiện nay, tuabin ngang là loại tuabin hiệu quả nhất, do đó chúng được sử dụng trong các trang trại điện gió quy mô lớn

Tua bin nằm ngang sử dụng lực nâng để quay và tạo ra công suất Các cánh quạt có hình dạng giống như những cánh máy bay, tương tự như cánh của máy bay Gió đập vào các cánh quạt và tạo ra sự chênh lệch áp suất làm quay cánh quạt và tạo ra điện Máy phát điện và hộp số được đặt ngay sau rotor trong ống trục Mặt phẳng cánh quạt phải duy trì một góc 180 độ với hướng gió để duy trì hiệu suất tối đa, và do đó, các HAWT được trang bị một cánh gió và hệ thống cánh quạt để giữ cho tuabin hướng về đúng hướng.

1.2.2 Tuabin gió trục đứng

Hình ảnh1.4 mô tả tuabin trục đứng

Các tuabin gió tiếp cận thẳng đứng, hoặc VAWT, có thể nhận dạng được bằng thiết kế giống như máy đánh trứng khi chúng quay quanh trục thẳng đứng Giống như tuabin nằm ngang, chúng có hộp số và máy phát điện, mặc dù chúng được đặt ở mặt đất ở chân tuabin Mặc dù tuabin ngang đã trở thành tiêu chuẩn, nhưng chiếc cối xay gió đầu tiên được ghi nhận thực sự là một tuabin thẳng đứng Tua bin thẳng đứng thường được sử dụng ở quy mô nhỏ hơn HAWT, thường được sử dụng để cung cấp năng lượng bổ sung cho các tòa nhà, nhà cửa hoặc tàu thuyền Mặc dù có một số VAWT được sử dụng cho năng lượng gió quy mô công nghiệp, nhưng chúng rất ít và xa Tuabin thẳng đứng là loại đa hướng và có thể tạo ra năng lượng bất kể gió thổi theo hướng nào

1.2.3 So sánh sự khác nhau giữ tuabin đứng và ngang

Mặc dù sự khác biệt giữa tuabin ngang và tuabin thẳng đứng có vẻ rõ ràng đối với một

tương phản giữa hai loại tạo ra sự khác biệt lớn về chức năng và quyết định vị trí và cách thức sử dụng mỗi tuabin.

*Tốc độ gió

Các tuabin nằm ngang phù hợp hơn để thu được gió chất lượng cao bền vững Chúng được đặt trên cao trên các tháp lớn để đón gió mạnh hơn ở độ cao lớn hơn Vì chúng phải quay để đối mặt với gió, các tuabin nằm ngang không hoạt động tốt trong gió giậtvới hướng gió thay đổi Mặt khác, tuabin thẳng đứng là loại đa hướng, vì vậy chúng hiệu quả hơn HAWT khi gặp thời tiết gió mạnh, nơi có gió thổi từ mọi hướng Điều đólàm cho chúng được trang bị tốt để tạo ra điện ở các khu vực đô thị, nơi các tòa nhà vàcông trình cao tầng tạo ra các mô hình gió thay đổi

*Thiết kế cánh quạt

2 loại cũng khác nhau về thiết kế cánh quạt Trong khi cả tuabin ngang và tuabin thẳng đứng kiểu Darrieus đều tạo ra lực nâng, sự khác biệt về trục quay của chúng có nghĩa là các cánh quạt hoạt động khác nhau Mặt phẳng rotor của tuabin nằm ngang ở góc 180 độ so với luồng gió, do đó tốc độ và góc của gió thay đổi dọc theo chiều dài của cánh quạt Để giải thích hiện tượng này, cánh quạt phải được chế tạo khí động họcvới các bước xoắn và quay để tối đa hóa hiệu quả Các cánh trên tuabin gió thẳng đứng có tốc độ không khí đồng đều dọc theo chiều dài của cánh, cũng như cùng một góc tấn, vì vậy chúng có thể đơn giản hơn nhiều về mặt thiết kế Các cánh trên tuabin Darrieus có thể là các cánh đơn giản và không cần bổ sung phức tạp để nâng cao tính khí động học

*Dễ bảo trì

Tuabin ngang và tuabin thẳng đứng cũng khác nhau về nơi đặt các bộ phận cơ khí trêntuabin Các tuabin nằm ngang giữ cho tất cả các bộ phận làm việc của chúng ở trên cao trên đỉnh tháp

-Điều này làm cho việc bảo trì khó khăn hơn do công nhân phải mở rộng quy mô tháp

để giải quyết các vấn đề cơ khí Các bộ phận làm việc của tuabin thẳng đứng đều đượclắp ở chân đế, sát mặt đất, giúp việc sửa chữa dễ dàng và ít nguy hiểm hơn

*Hiệu quả

Thực tế đơn giản về hiệu quả là một trong những khác biệt lớn nhất giữa hai loại Các tuabin đứng nói riêng bị hạn chế bởi việc sử dụng lực cản của chúng Khi một bên củatuabin được đẩy bởi gió, thì bên kia sẽ bị đẩy vào gió thổi tới, gây tốn điện năng có giá trị Điều này có nghĩa là tuabin Đứng mất hiệu suất trong suốt một nửa vòng quay của chúng

Trong khi các tuabin nằm ngang hiệu quả hơn, một số kỹ sư nói rằng đó là do thực tế đơn giản là nhiều nghiên cứu đã được dành riêng để hoàn thiện các tuabin nằm ngang

Các tuabin Darrieus, được dẫn động bằng lực nâng, có tiềm năng hoạt động hiệu quả như các tuabin nằm ngang với thiết kế phù hợp Những trở ngại lớn đối với tuabin Darrieus là các vấn đề về cấu trúc xuất phát từ việc thay đổi tải liên tục và cánh quạt ởgóc tối ưu so với gió trong một khoảng thời gian ngắn

-Các tuabin nằm ngang ổn định hơn và các cánh quạt luôn ở góc tốt nhất có thể để chiết xuất năng lượng của gió Các kỹ sư đã cố gắng khắc phục điều này bằng cách sửa đổi thiết kế của tuabin Darrieus, nhưng những thiết kế này làm tăng thêm độ phứctạp và chi phí

*Phần kết luận

-Tua bin nằm ngang là loại tuabin gió phổ biến nhất, mặc dù tuabin thẳng đứng cũng

có vị trí của chúng Nhiều người thắc mắc tại sao tuabin thẳng đứng không phổ biến như vậy và câu trả lời nằm ở hiệu quả của chúng Đơn giản là chúng không tạo ra nhiều năng lượng như tuabin nằm ngang, mặc dù điều đó có thể là do có ít nguồn lực dành riêng cho việc nghiên cứu các thiết kế mới hơn và tốt hơn

-Các kỹ sư đã tìm cách cải tiến tuabin thẳng đứng, nhưng tuabin ngang vẫn chiếm vị trí tối cao Tua bin thẳng đứng có những ưu điểm của chúng, đặc biệt là trong môi trường đô thị Vị trí của chúng gần với mặt đất cũng giúp chúng dễ bảo trì hơn Các tuabin thẳng đứng cũng hoạt động tốt trong điều kiện gió bất thường và chúng không cần quay để đối mặt với gió Mặc dù có những ưu điểm, nhưng có vẻ như chúng ta sẽ

bị đánh bại với tuabin ngang trong nhiều thập kỷ tới, cho đến khi tuabin không cánh được hoàn thiện

1.3 lượng điện ra từ tuabin gió

Hình dưới đây cho thấy đường cong công suất của tuabin gió thương mại có công suấtđịnh mức là 4000W Ở tốc độ gió 4,5 m/s, tuabin chỉ phát ra khoảng 230W Với tốc độ6,5 m/s, con số này tăng lên khoảng 900W Với tốc độ 7,5 m/s, công suất phát khoảng 1500W Một sự khác biệt lớn về sản lượng điện và do đó năng lượng khi độ cao so vớimặt đất tăng lên

Chương 2 TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT ĐẦU VÀO TỪ CÂY ĐIỆN GIÓ 2.1 Công thức tính toán

Vai trò của tuabin gió là chuyển hóa hữu hiệu động năng của không khí thành cơ năng trên trục quay của tuabin Với mật độ không khí là

ρ , vận tốc gió là v, bán kính của bánh xe gió là R , tiết diện chứa bánh công tác của tuabin gió là A ( 2 A = π R ) thì CS đầu vào của tuabin gió được xác định theo biểu thức[5,7,8]:

Cp thì Cp < 1 và được xác định theo biểu thức:

Cp=Pm

P1 (2) Theo phân tích của Betz, ở điều kiện lý tưởng thì giá trị lớn nhất của

Cp là 59,3% và còn được gọi là giới hạn Betz Tuy nhiên trong thực tếthì Cp có giá trị nhỏ hơn và theo số liệu của các nhà sản xuất tuabin gió cung cấp thì nó có giá trị khoảng 45% [7,8] Hệ số Cp phụ thuộc vào cấu trúc hình học của tuabin và được xác định theo biểu thức:

Trong đó: Pm - CS cơ hữu ích mà bánh công tác nhận được, còn gọi

là CS đầu ra của tuabin gió; α - góc xoay của cánh gió so với mặt cắtngang đi qua trung tâm cánh gió, còn được gọi tắt là góc pitch; λi -

hệ số được xác định theo biểu thức:

λ - hệ số tốc độ ở đầu cánh gió, nếu gọiω m là tốc độ góc của tuabin gió; R là bán kính của bánh công tác và v là vận tốc gió thì nóđược xác định theo biểu thức:

Từ công thức (3) ta dựng được đường đặc tính Cp = f(λ) như trên hình 2 Ta nhận thấy, ứng với mỗi giá trị góc α không đổi thì khi λ biến thiên Cp cũng biến thiên nhưng luôn tồn tại một điểm trên đường cong tương ứng với giá trị λopt (hệ số tốc độ có lợi nhất của cánh gió) là giá trị Cpmax (hệ số sử dụng phong năng lớn nhất) Kết hợp công thức (1) và (3) ta được CS phát của tuabin gió xác định theo công thức:

Như vậy, khi tốc độ gió thay đổi thì CS cơ ở đầu ra của tuabin gió sẽthay đổi, nhưng nếu có biện pháp điều chỉnh để tuabin vận hành ở chế độ có λ = λopt thì CS của tuabin luôn đạt giá trị cực đại tương ứng với sự thay đổi của tốc độ gió, quá trình điều khiển thực hiện điều này được gọi là điều khiển bám sát công suất cực đại

(Maximum Power Point Tracking, viết tắt là MPPT) Đây chính là mục tiêu cơ bản khi thực hiện điều khiển hệ thống phát điện gió có tốc độbiến thiên[5,7,8] Trên hình 3 thể hiện đường đặc tính Công suất – Tốc độ góc của tuabin gió ở các giá trị tốc độ gió khác nhau

Hình 2.2 Các đường đặc tính

2.2 Tính toán công suất

Với yêu cầu của đề tài là 18 lá gió và 3 nhánh với mỗi lá gió cho rađiện áp giao động trong khoảng từ 2-20VDC lúc này điện áp ra mỗinhánh

+ Để tính được công suất đầu ra mà cây điện gió tạo ra được thì

ta phải làm rõ năng lượng được tạo ra như thế nào:

trong đó:

M là khối lượng riêng của vật

V là vận tốc của vật

(1)

Trong đó:

δ: là khối lượng riêng của không khí = 1,29 kg/m3

A: là diện tích tiếp xúc của cánh quạt với gió m2

V: là vận tốc không khí đơn vị m/s

Thay vào (1) ta được

Tuy nhiên công suất P tạo ra không thể nào có thể tối ưu được100% nó chỉ có thể giao động trong khoảng 0,05 – 0,45

Sau khi tìm hiểu góc cánh tác động thế nào đến công suất củađiện gió

Thông qua một bài nghiên cứu được xuất bản bởi Advances inMechanical Engineering“EFFECT OF THE BLADE ARC ANGLE ON THE

PERFORMANCE OF A SEVONIUS WIND TURBINE”

Công suất mỗi lá (W)

Tổng công suất

Chiều dài trục động cơ: 13,5mm / 0,53 "

Đường kính lưỡi: 100mm / 3,94 "(sau khi lắp ráp)

Bộ dc -dc converter

Động cơ24v

2.4 Tính toán dòng điện đầu ra

Ký hiệu các số liệu tính toán

V: tốc độ của gió tác động lên các cánh tuabin

L: lưu lượng gió theo đề ra

S: diện tích tiếp xúc của gió với 4 cánh quạt

U: điện áp đầu ra của 1 tuabin

U¿: điện áp đầu ra lí tưởng

* tốc độ gió qua 4 cánh của tuabin:

U=6,42*18=115.56 (v)

Chương 3 TÍNH TOÁN BỘ SẠC ACQUY VÀ LỰA CHỌN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI

3.1.Sơ đồ nguyên lí mạch sạc aquy

- Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực hiện các bộ

biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng các điện cảm chuyển mạch Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn

-Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp) Hình 1.2 thể hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thi đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm

Cấu tạo

Cấu tạo của mạch Buck rất đơn giản với MOSFET bên cao và tắt Sẽ

có một vi mạch điều khiển trong mạch Buck sử dụng một vòng phảnhồi kín có chức năng điều chỉnh điện áp ở đầu ra Trong mạch Buck còn hàm truyền DC liên quan đến điện áp đầu vào, điện áp đầu ra

và chu kỳ làm việc của mạch Buck

Trong mạch Buck còn có tụ điện và cuộn cảm, chúng được kết nối với nhau để tạo thành một bộ lọc thông thấp có nhiệm vụ làm mịn hoạt động chuyển mạch MOSFET và giúp điện áp DC trở nên mượt

mà và ổn định hơn

Hình 3.1 sơ đồ mạch buck converter

Công thức tính mạch Buck như sau:

Vout = Vin * D

Trong đó:

 Vout là ký hiệu tương trưng cho điện áp đầu ra của mạch

 Vin là ký hiệu tượng trưng cho điện áp đầu vào của mạch

 D là chu kỳ làm việc hoặc % thời gian MOSFET được bật khi mạch vận hành

Mạch Buck còn có một biến thể khác gọi là mạch Buck đồng bộ Cấu tạo sẽ có sự khác biệt hơn so với mạch Buck thông thường, đó là MOSFET sẽ được thay thế bằng DIODE, giúp mạch có thể truyền được tín hiệu 2 chiều dễ dàng hơn

3.2.Tính toán và tối ưu bộ điều khiển sạc

*thông số yêu cầu:

3.3.Lựa chọn bộ biến đổi

3.3.1 Cấu tạo mạch băm xung 1 chiều song song ( boost áp ):

- Cấu tạo cơ bản của mạch gồm một linh kiện đóng cắt ( mosfet, igbt, tranz, ) như hình dưới, nhờ các xung của stm32 để kích chân G của mosfet để đóng điện cho cuộn cảm L1 Thông qua hiện tượng tự cảm trong cuộn cảm tạo ra điện áp được mắc nối tiếp với nguồn tạo ra nguồn điện có sức điện động cao hơn nguồn Sau đó được chỉnh lưu và lọc bởi D1 và C1

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch boost áp.

có điện áp trên tụ C1, tải bằng với điện áp cấp vào là 12v

Nửa chu kì còn lại vì mosfet bị ngưng dẫn do nửa chu kì sau xung ở mức 0, do tính chất tự cảm của cuộn cảm L1 trong quá trình đóng cắt liên tục ở tần số cao sẽ sinh ra điện áp tự cảm có chiều ngược với chiều dòng điện ban đầu đi qua nó Chiều dòng điện sẽ đi từ dương nguồn 12v qua cuộn cảm qua diode D1, nạp cho tụ C1, qua tải và

về âm nguồn Vì tính chất tự cảm nên lúc này sẽ có một điện áp 1 chiều xuất hiện trên cuộn cảm đóng vai trò như một nguồn điện DC được mắc nối tiếp với nguồn 12v tạo một điện áp cap hơn

 Đặc điểm: Ở mạch boost converter này ta luôn có điện áp đầu ra là lớn hơn hoặc bằng điện áp đầu vào Sau khi được lọc qua tụ C1 sẽ cho điện áp phẳng một chiều

Hình 3.6 Đồ thị dòng điện điện áp mạch băm xung 1 chiều song song

Hình 3.7 Các thời điểm xung G được phát

Như hình trên cho thấy điện áp tăng vọt lên là phần điện áp do cuộn cảm tự sinh ra Khi mosfet dẫn lại điện áp trên cuộn cảm lại giảm dần về bằng điện áp nguồn

Mô phỏng trên PSIM

Hình ảnh 3.8 Mô phỏng psim

3.3.1.2.Các kiểu băm xung điện áp 1 chiều:

* Điều khiển theo phương pháp điều chỉnh độ rung xung PWM:

Phương pháp thực hiện băm xung với tần số không đổi f=const, điện áp ra tải thay đổi nhờ chỉ điều chỉnh độ rộng khoảng dẫn của van to= var Để thực hiện điều này sử dụng sơ đồ cấu trúc như hình 4.1, còn hình 4.2 là đồ thị minh họa nguyên lý hoạt động Chức năng các khâu là:

1 Khâu phát xung chủ đạo nhằm tạo dao động với tần số cố định nhằm đảm bảo điều

kiện băm xung với tần số không đổi

2 Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thời đảm

bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số .

Khâu so sánh tạo xung: So sánh điện áp răng cưa urc với điện áp điều khiển uđk , 3

điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm t0 Do đó khi điện áp điều khiển thay đổi sẽ làm thay đổi t0 và do đó thay đổi tham số điều chỉnh γ Điện áp ra của khâu này có dạng xung tương ứng với giai đoạn van lực Tr dẫn

Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ở khâu so sánh, đồng 4

Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ5

Hình 3.9 Đồ thị điện áp

*Điều chỉnh theo phương pháp xung – tần:

Phương pháp này ngược với phương pháp kiểu thay đổi độ rộng xung, cần phải thay đổi được tần số băm xung trong khi khoảng dẫn của van lực Tr được giữ không đổi.Cấu trúc điều khiển như hình 4.3, gồm các khâu sau đây:

Khâu tạo điện áp điều khiển với chức năng tương tự như mạch trước1

Khâu biến đổi U/f nhằm tạo dao động xung với tần sô tỉ lệ thuận với điện áp vào là2

điện áp điều khiển

Khâu tạo khoảng dẫn không đổi cho van lực Tr, tức là t0 = const với tần số do bộ 3

U/f quyết định

Khâu khuếch đại công suất.4

Hình 3.10 sơ đồ điều chỉnh theo phương pháp xung tần

3.3.2 Chuyển đổi DC-AC (1 PHASE)

3.3.2.1 Nghịch lưu 1 phase tải R+L

Hình.3.11 Sơ đồ nguyên lí nghịch lưu 1 pha

Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id Đồng thời dòng qua tụ

C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ởbên phải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không Do iN = iC + iZ = Id = hằng

số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên

Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời Sau đó tụ C sẽ được nạp điện theochiều ngược lại với cực tính “ + ” ở bên phải và cực tính “ – ” ở bên trái, dòng nghịchlưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu Đến thời điểm t = t2 người ta đưa xung vào mở T1,T2 thì T3, T4 sẽ bị khóa lại và quá trình được lặp lại như trước

Như vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các tiristo Ởthời điểm t1, khi mở T3 và T4 , tiristo T1 và T2 sẽ bị khóa lại bởi điện áp ngược của

tụ C đặt lên ( hình 1.3) Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t1 t1’ là cần thiết đểduy trì quá trình khóa và phục hồi tính chất điều khiển của van và t1 – t1’ = tk toff ;toff là thời gian khóa của tiristo hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển

Hình 3.12 Đồ thị nghịch lưu 1 pha

Mô phỏng trên PSIM

Hình.3.13 Mô phỏng 1 pha trên PSIM

• Phần tử mắc nối tiếp với tải (hình 7.2) hình thành một bộ chia áp theo tỉ lệ

tương quan tổng trở giữa chúng, tổng trở nào lớn thì điện áp trên nó cũng

lớn, bởi vậy cần:

- Với tần số sóng hài cơ bản mong muốn Znt << Ztải , và tốt nhất Znt=0 (cộng hưởng), lúc đó toàn bộ sóng hài cơ bản được đưa ra tải, không tổn thất ở khâu lọc

- Với các thành phần bậc cao thì ngược lại Znt >> Ztải , để điện áp với các tần sốnày rơi chủ yếu ở Znt, tức là được giữ lại ở khâu lọc

Hình 3.14 Các mạch lọc tần số cho nghịch lưu độc lập điện áp

Tuy nguyên tắc lọc đơn giản như vậy, song vì mạch lọc hình thành từ phần tử LC nên có khả năng gây dao động, tần số này khó biết trước vì không cố định do có sự tham gia của các phần tử L, C của tải, dây dẫn của nguồn, …

Có ba mạch lọc thường dùng trên hình 4.7 và cách tính toán khác nhau, tuy nhiên yêu cầu chung về tính mạch lọc là nhằm thỏa mãn đồng thời các chỉ tiêu:

- Hệ số méo nhỏ Tùy tải mà có hệ số méo khác nhau, thường TDH phải dưới20%, một yêu cầu dạng khác là hệ số sóng hài thấp nhất dưới 5% thì điện

áp ra được coi là tốt

• Công suất đặt thấp nhất có thể

• Tổn thất công suất của bộ lọc thấp

• Đặc tính tần số dốc

Hình 3.15 Các bộ lọc cho tần số cho nghịch lưu độc lập điện áp

*Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp một pha:

- Điều chế PWM tuy được phân thành hai loại lớn là điều chế hình sin (SPWM) và điều chế vecto (VPWM), song sự đa dạng của từng kiểu điều chế rất phong phú, đặc biệt là VPWM, và vẫn được tiếp tục nghiên cứu phát triển Do đó dưới đây chỉ đề cập một kiểu kinh điển là điều chế SPWM

- Nguyên tắc của SPWM là trong một khoảng dẫn của van không dẫn liên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn bám theo giá trị tức thời của hình sin có tần số bằng sóng hài cơ bản

Hình 3.16 minh họa nguyên lý này khi dùng xung tam giác tần số cao (gọi là sóng mang – carrier) để so sánh với điện áp hình sin (gọi

là sóng điều chế - modulation), điểm cắt nhau giữa hai điện áp này

là điểm chuyển đổi trạng thái của hai cặp van cho nhau.

Hình.3.17 Điều chế PWM hình SIN hai cực tính

Điện áp ra không chỉ còn hai xung chữ nhật với biên độ +E và –E mà là một dãy xung có độ rộng biến thiên theo quy luật của sóng điều chế hình sin Khi điện áp đầu

ra sau mỗi lần đóng ngắt van luôn tồn tại cả hai dấu ± E như vậy thì được gọi là điều chế hai cực tính, nếu PWM cho điện áp ra ở suốt nửa chu kỳ chỉ có một dấu, hoặc dương, hoặc âm, được gọi là điều chế một cực tính

3.3.3 Chuyển đổi DC-AC( 3 PHASE)

3.3.3.1 Mạch nghịch lưu 3 pha PWM (Pulse Width Modulation)

Là mạch điện tử biến đổi điện áp DC ba pha thành điện áp AC ba pha bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) Mạch này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như điều khiển động cơ AC, hệ thống năng lượng mặt trời,

xe điện, và máy biến tần

3.3.3.2 Cấu tạo

Mạch nghịch lưu 3 pha PWM bao gồm các thành phần chính sau:

 Bộ nguồn DC: Cung cấp điện áp DC cho mạch nghịch lưu hoạt động.

 Bộ điều khiển PWM: Tạo ra các tín hiệu PWM điều khiển công suất và dạng

sóng của điện áp ngõ ra

 6 công tắc bán dẫn (IGBT hoặc MOSFET): Bật và tắt theo tín hiệu PWM để

điều khiển dòng điện qua tải

 Lọc: Loại bỏ các thành phần hài hòa cao trong điện áp ngõ ra

3.3.3.3 Nguyên lý hoạt động:

Mạch nghịch lưu 3 pha PWM hoạt động dựa trên nguyên tắc đóng ngắt các

MOSFET/IGBT theo trình tự nhất định để tạo ra điện áp AC ba pha Tín hiệu PWM được sử dụng để điều khiển thời gian đóng ngắt của các MOSFET/IGBT, từ đó điều chỉnh điện áp và tần số của điện áp AC ba pha ngõ ra

 Điều chế đơn cực: Đây là phương pháp đơn giản nhất, trong đó các

MOSFET/IGBT được đóng ngắt theo chu kỳ cố định

 Điều chế SPWM (Sinusoidal PWM): Đây là phương pháp phổ biến nhất,

trong đó các MOSFET/IGBT được đóng ngắt theo dạng sóng hình sin

 Điều chế SVM (Space Vector Modulation): Đây là phương pháp tiên tiến

nhất, trong đó các MOSFET/IGBT được đóng ngắt theo quỹ đạo trên mặt phẳng điện áp

3.3.3.5 Ứng dụng:

Mạch nghịch lưu 3 pha PWM được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như:

 Điều khiển động cơ AC: Cung cấp điện áp AC cho động cơ AC hoạt động.

 Hệ thống năng lượng mặt trời: Biến đổi điện áp DC từ tấm pin năng lượng

mặt trời thành điện áp AC để sử dụng cho gia đình hoặc hòa vào lưới điện

 Xe điện: Cung cấp điện áp AC cho động cơ kéo của xe điện.

 Máy biến tần: Biến đổi tần số của điện áp AC.

Mô phỏng trên PSIM

Hình ảnh 3.19 Mô phỏng trên psim

Mạch trên sử dụng 6 MOSFET IRF 3203 để tạo ra điện áp AC ba pha Tín hiệu PWM được tạo ra bởi vi điều khiển STM32F407M Điện áp DC ngõ vào là 12V và điện áp

AC ngõ ra có điện áp RMS là 220V và tần số 50Hz

Hình 3.20 Mô phỏng nghịch lưu 3 pha trên PSIM

3.3.3.6 Kết luận:

Mạch nghịch lưu 3 pha PWM là một mạch điện tử quan trọng được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp Mạch này có cấu tạo đơn giản, dễ dàng điều khiển và cóhiệu suất cao

Chương 4 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG

4.1 Vi điều khiển STM32F103C8T6

4.1.1 Giới thiệu STM32

Hình ảnh 4.1 sơ đồ khối stm32

-STM32 là dòng vi điều khiển (MCU) phổ biến được sản xuất bởi công ty

STMicroelectronics Nổi tiếng với sự linh hoạt và hiệu suất cao, STM32 là lựa chọn hàng đầu cho nhiều ứng dụng nhúng và dự án IoT (Internet of Things)

-Dòng hiệu suất STM32F103x4 và STM32F103x6 kết hợp lõi RISC 32-bit ARM® Cortex™-M3 hiệu suất cao hoạt động ở tần số 72 MHz,

bộ nhớ nhúng tốc độ cao (Bộ nhớ flash lên tới 32 Kbyte và SRAM lên đến 6 Kbyte), và một loạt các I/O nâng cao cũng như các thiết bị ngoại vi được kết nối với hai bus APB Tất cả các thiết bị đều cung cấp hai ADC 12 bit, ba bộ định thời 16 bit cho mục đích chung cộng với một bộ định thời xung, cũng như các giao diện truyền thông tiêu chuẩn và nâng cao: tối đa hai Iv vC và SPI, ba USART, một USB và 2

-Dòng dòng hiệu suất mật độ thấp STM32F103xx bao gồm các thiết

bị ở bốn loại gói khác nhau: từ 36 chân đến 64 chân Tùy thuộc vào thiết bị được chọn, các bộ thiết bị ngoại vi khác nhau được bao gồm,phần mô tả bên dưới cung cấp cái nhìn tổng quan về toàn bộ các thiết bị ngoại vi được đề xuất trong dòng này

- Phần cứng bên trong STM32 STM32 là một vi điều khiển cao cấp không chỉ chỉ do

bộ nhớ, tốc độ và sự phong phú về phần cứng, mà còn bởi có phần cứng hỗ trợ bên trong nâng cao Hầu hết chúng ta đều biết về Timer watchdog từ các trải nghiệm trướcđây với các MCU 8 bit phổ biến như AVR và PIC Tuy nhiên, khi nói đến STM32, ý tưởng về mạch watchdog được trau chuốt hơn Các tùy chọn có sẵn cho xung nhịp cũng được cải tiến trong STM32 Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một số phần cứng hỗ trợ bên trong STM32 Chúng ta sẽ kiểm tra việc sử dụng và vận hành hai timer giám sát khác nhau - Bộ giám sát độc lập ( Independent Watchdog - IWDG )

và Bộ giám sát cửa sổ ( Window Watchdog - IWDG ) và các tùy chọn xung nhịp thường có trong vi điều khiển STM32

-CÁC TÙY CHỌN XUNG NHỊP Trong một vi điều khiển mạnh như STM32, có

một số tùy chọn cho xung nhịp Lúc đầu, toàn bộ công cụ có thể trông hơi phức tạp Quả thực nó phức tạp nhưng không quá khó hiểu Sơ đồ khối đơn giản hóa dưới đây cho thấy sự sắp xếp xung nhịp phổ biến bên trong MCU thuộc sê ri STM32F103

Hình ảnh 4.2Các tùy chọn xung nhịp

Sơ đồ bố trí xung nhịp bên trong STM32F103

-Sơ đồ trên cung cấp một cái nhìn sâu sắc ban đầu về phần cứng xung nhịp Khi chuyển sang phần mềm, rất dễ dàng để cấu hình mảng phần cứng khổng lồ này Sau đây là phần điểm qua các nguồn xung nhịp có trong vi điều khiển STM32 Có hai loạixung nhịp cơ bản và bản thân chúng được chia thành hai loại tốc độ

-Các nguồn bên ngoài :Các nguồn xung nhịp bên ngoài tốc độ cao ( HSE ) có thể là

bộ dao động tinh thể, bộ cộng hưởng hoặc mạch tạo tín hiệu xung nhịp Khi sử dụng các mạch tạo xung nhịp, dạng sóng từ các mạch như vậy không nhất thiết phải luôn luôn là sóng vuông HSE chấp nhận sóng hình sin và hình tam giác, nhưng dù sử dụngdạng sóng nào thì nó phải đối xứng, tức là ở mức cao trong 50 % và ở mức thấp trong

50 % chu kỳ và chỉ sử dụng chân OSC_IN để cấp tín hiệu xung nhịp, để mở chân OSC_OUT Thông thường, HSE của STM32 MCU chấp nhận tần số xung nhịp từ 4 -

25 MHz Nếu mạch xung nhịp bên ngoài được sử dụng thì nên bỏ qua bộ dao động HSE Điều này sẽ đảm bảo không có xung đột Các nguồn xung nhịp bên ngoài tốc độthấp ( LSE ) có các thuộc tính tương tự như các nguồn HSE nhưng thường là các tinh thể xung nhịp rất chính xác với tần số 32,768 kHz được sử dụng để cung cấp LSE Đây là cách sử dụng LSE sâu nhất khi LSE cung cấp mô đun đồng hồ thời gian thực ( RTC ) của STM32

- Các nguồn bên trong :Nguồn xung nhịp nội bộ tốc độ cao ( HST ) là nguồn xung nhịp 8 MHz cố định bên trong Nó được hiệu chuẩn tại nhà máy và có dung sai 1 % Nguồn xung nhịp nội bộ tốc độ thấp ( LSI ) tương tự như LSE nhưng không chính xáclắm Thông thường tần số của LSI là khoảng 30 - 60 kHz Đối với hầu hết các mục đích sử dụng phổ biến, LSI được coi là có tần số trung bình 45 kHz Do LSI có độ lệch cao nên khuyến cáo được đưa ra là không nên sử dụng LSI cho RTC nội bộ Có các prescalar chia tần số dao động tại các vị trí khác nhau và chúng có thể được sử dụng để cấu hình các xung nhịp riêng lẻ của các bộ phận khác nhau trong MCU STM32 Tính năng này không chỉ đảm bảo tiết kiệm năng lượng mà còn hỗ trợ chạy các thành phần khác nhau của vi điều khiển với tốc tối ưu Một đơn vị bảo mật xung nhịp tùy chọn cũng có sẵn để sử dụng, có thể chuyển sang HS nếu HSE không thành công vì một số lý do Ngoài các nguồn xung nhịp khác nhau, còn có mô đun vòng

khóa pha (Phase Lock Loop - PLL) có thể nhân giá trị HSE hoặc HS để tạo ra các giá trị lớn hơn của xung nhịp

-Các nguồn bên trong Nguồn xung nhịp nội bộ tốc độ cao ( HST ) là nguồn xung nhịp

8 MHz cố định bên trong Nó được hiệu chuẩn tại nhà máy và có dung sai 1 % Nguồn xung nhịp nội bộ tốc độ thấp ( LSI ) tương tự như LSE nhưng không chính xáclắm Thông thường tần số của LSI là khoảng 30 - 60 kHz Đối với hầu hết các mục đích sử dụng phổ biến, LSI được coi là có tần số trung bình 45 kHz Do LSI có độ lệch cao nên khuyến cáo được đưa ra là không nên sử dụng LSI cho RTC nội bộ Có các prescalar chia tần số dao động tại các vị trí khác nhau và chúng có thể được sử dụng để cấu hình các xung nhịp riêng lẻ của các bộ phận khác nhau trong MCU STM32 Tính năng này không chỉ đảm bảo tiết kiệm năng lượng mà còn hỗ trợ chạy các thành phần khác nhau của vi điều khiển với tốc tối ưu Một đơn vị bảo mật xung nhịp tùy chọn cũng có sẵn để sử dụng, có thể chuyển sang HS nếu HSE không thành công vì một số lý do Ngoài các nguồn xung nhịp khác nhau, còn có mô đun vòng khóa pha (Phase Lock Loop - PLL) có thể nhân giá trị HSE hoặc HS để tạo ra các giá trị lớn hơn của xung nhịp Cuối cùng, chúng ta cũng có thể nhận được đầu ra xung nhịp tử một chân đặc biệt gọi là Microcontroller Clock Output ( MCO ) Chân MCO thường được đặt ở chân PA8 Tuy nhiên, để sử dụng MCO, cần đặt PA8 làm đầu ra Alternate Function ( AFIO ) Chân MCO có thể được sử dụng để tạo xung nhịp cho vịđiều khiển khác hoặc làm cơ sở thời gian cho mạch hoặc thiết bị khác

-Bộ xử lý và đơn vị xử lý trung tâm Cortex Trong suốt phần còn lại của tài liệu này, các thuật ngữ bộ xử lí Cortex (Cortex processor) và đơn vị xử lí trung tâm Cortex (Cortex CPU) sẽ được sử dụng để phân biệt giữa nhúng lõi Cortex hoàn chỉnh và bộ

xử lí trung tâm RISC nội (internal RISC CPU) Trong phần tiếp theo ta sẽ xem xét cácđặc điểm chính của đơn vị xử lí trung tâm Cortex, tiếp theo là hệ thống thiết bị ngoại

vi bên trong bộ xử lý Cortex

-Đơn vị xử lý trung tâm Cortex (Cortex CPU) Trung tâm của bộ xử lý Cortex là một CPU RISC 32-bit CPU này có một phiên bản được đơn giản hóa từ mô hình lập trình (programmer’s model) của ARM7/9, nhưng có một tập lệnh phong phú hơn với sự hỗ trợ tốt cho các phép toán số nguyên, khả năng thao tác với bit tốt hơn và khả năng đápứng thời gian thực tốt hơn

-Kiến trúc đường ống CPU Cortex có thể thực thi hầu hết các lệnh trong một chu kì đơn Giống như CPU của ARM7 và ARM9, việc thực thi này đạt được với một đườngống ba tầng Tuy nhiên Cortex-M3 khả năng dự đoán việc rẽ nhánh để giảm thiểu số lần làm rỗng (flush) đường ống

Hình ảnh 4.3 Kiến trúc cpu STM32

-Trong khi một lệnh đang được thực thi, thì lệnh tiếp theo sẽ được giải mã và lệnh tiếptheo nữa sẽ được lấy về từ bộ nhớ Phương thức hoạt động này sẽ phát huy hiệu quả tối đa cho mã tuyến tính (linear code), nhưng khi gặp phải một rẽ nhánh (ví dụ cấu lệnh if…else) thì các đường ống phải được làm rỗng (flush) và làm đầy (refill) trước khi mã có thể tiếp tục thực thi

-Bản đồ bộ nhớ Bộ xử lý Cortex-M3 là một lõi vi điều khiển được tiêu chuẩn hóa,

như vậy nó có một bản đồ bộ nhớ cũng được xác định Mặc dù có nhiều bus nội, bản

đồ bộ nhớ này là một không gian địa chỉ 4 Gbyte tuyến tính Bản đồ bộ nhớ này là chung cho tất cả các thiết bị dựa trên lõi Cortex

Hình ảnh 4.4 Bản đồ bộ nhớ tuyến tính

-Timer hệ thống (System timer) Lõi Cortex có một bộ đếm xuống 24-bit, với tính

năng tự động nạp lại (auto reload) giá trị bộ đếm và tạo sự kiện ngắt khi đếm xuống zero Nó được tạo ra với dụng ý cung cấp một bộ đếm thời gian chuẩn cho tất cả vi điều khiển dựa trên Cortex Đồng hồ SysTick được sử dụng để cung cấp một nhịp đập