Thiết kế bộ điều khiển cho máy hàn CHIPSET BGA

1 MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài Chúng ta đang sống trong thời đại mà nền khoa học kỹ thuật phát triển như vũ bão và chi phối hoàn toàn mọi lãnh vực. Có thể nói rằng phát triển công nghệ mang yếu tố quyết định cho sự phát triển nền kinh tế quốc gia. Từ lâu, các quốc gia như Mỹ, Nhật. nhờ công nghệ mà trở thành cường quốc. Gần đây, cũng nhờ công nghệ mà Trung Quốc, Ấn Độ có bướ c phát triển vượt bậc. Để làm được điều kỳ diệu đó, những công nghệ cũ kỹ, lỗi thời sẽ dần bị thay thế bằng những công nghệ tiên tiến, hiện đại và cũng vì lẽ đó mà “công nghệ hàn chipset” là không thể thiếu được. Như chúng ta đã biết, các board mạch trước đây được thiết kế bằng các linh kiện điện tử có “chân hàn” bên ngoài. Ngày nay, để làm gọn nhẹ và tăng tốc cho các thiết bị, người ta thiết kế ra các chipset “chân bi chì ” gọi là chipset BGA, các chipset BGA ra đời dần dần thay thế các chipset cũ và tỏ rất có nhiều ưu điểm. Do vậy với các kỹ thuật viên, các kỹ sư và các nhà sản suất thì thiết bị hàn chipset BGA là không thể thiếu được. Thiết bị hàn chipset BGA mang yếu tố quyết định cho sự thành công cho các cơ sở kỹ thuật và là một yêu cầu th ực sự cấp bách . Thiết bị hàn chipset BGA dựa trên cơ sở của bài toán là bài toán nhiệt. Như chúng ta đã biết, bài toán nhiệt thường rất khô khan và cũ kỹ, tuy nhiên khi nghiên cứu về bài toán nhiệt cho thiết bị hàn chipset BGA thì lại có quá nhiều điểm mới mẻ Sở dĩ như vậy vì nó quá hợp trong thời đại công nghệ cao, do đó phần cứng, phần mềm, giải pháp điều được khai thác tối đa. II. Mục đích của đề tài Mục đích chính của đề tài là đáp ứng nhu cầu quá cấp thiết trong thời đại công nghệ mới nên đề tài đưa ra nhiều mẫu máy hàn chipset BGA. Cơ sở của máy hàn chipset BGA là bài toán nhiệt, do đó bộ điều khiền sẽ được phân tích kỹ lưỡng và sẽ upload miễn phí cho mọi người. 2 III Điểm mới của đề tài Dùng hàm năng lượng để giải bài toán điều khiển theo mô hình PID thay thế cho các phương pháp khác Với mong muốn ở nước ta sớm có nhà máy sản xuất các board mạch , đề tài đưa ra mô hình máy đóng chipset tự động dưa trên 2 cơ sở là ứng dụng kỹ thuật đồ họa và tác dụng nhiệt độ curie lên vật liệu từ dùng để định vị chipset . IV. Cấ u trúc luận văn Đề tài chia làm 6 chương tóm lược như sau: Chương 1,2 giới thiệu tổng quan và mô hình điều khiển vi, tích phân tỉ lệ PID. Chương 3 nêu cái nhìn mới về LOGIC mờ, mối tương quan giữa LOGIC mờ và các chương trình điều khiển thiết bị hàn chipset BGA. Chương 4,5 giới thiệu cơ sở để thực hiện một thiết bị hàn chipset BGA gồm cảm biến nhiệt, mạch chuyển đổi, các kiểu mẫu từ rẻ tiền đến cao cấp, các chương trình con phục vụ cho từng mẫu cùng nhiều sơ đồ thực tế đi kèm. Đề tài còn đi sâu. Về thiết kế các mẫu máy hàn chipset BGA, tiến hành thực hiện cài đặt chương trình điều khiển vào thiết bị. Chương 6 là nghiên cứu riêng của cá nhân gồm 2 phần là kỹ thuật đồ họa trong máy đóng chipset và ứng dụng từ và nhiệt trong nhà máy đóng chipset với hi vọng một ngày nào đó chúng ta cũng có nhà máy đóng chipset của riêng chúng ta . 3 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA SÚNG BẮN NHIỆT 1.1 Giới thiệu Súng bắn nhiệt là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng và theo dòng không khí do quạt gió thổi ra đưa đến vật gia nhiệt. Về nguyên tắc súng bắn nhiệt cũng như các thiết bị dùng nhiệt khác, tuy nhiên khi ứng dụng vào thiết bị hàn chipset thì có rất nhiều khác biệt do vậy khác biệt do vậy hướng nghiên cứu và ứng dụng cũng khác nhiều, chúng ta có thể thấy được ở các vấn đề sau. Thứ 1: Các thiết bị dùng nhiệt khác thời gian hoạt động là dài (vd: Điều khiển nhiệt độ phòng) kéo theo mọi việc có vẻ đơn giản. Còn ở thiết bị hàn chipset, thời gian thao tác lên vật gia nhiệt là rất ngắn (thường dưới 5 phút) do đó thao tác điều khiển phải thật nhanh và chính xác. Cũng vì lẽ đó, ta không thể dùng kiểu phân chia “nóng, lạnh, ấm” theo logic mờ như các bài toán nhiệt trước đây được, vì vớ i thời gian chỉ không tới 5 phút nên vật gia nhiệt nhận nhiệt lượng phải ổn định (đề cập logic mờ chương 3). Thứ 2: Thiết bị hàn chipset làm việc trong phạm vi hẹp và rất hẹp, ở đó nhiệt độ tập trung phân bổ cưỡng bức, thông thường 3 nguồn nhiệt cùng làm việc và làm ở những chế độ khác nhau, còn các thiết bị dùng nhiệt khác thì đơn giản hơn nhiều. 4 Thứ 3: Trong 1 chu kỳ điều khiển , máy hàn chipset còn chia ra làm nhiều tiến trình ( ít nhất 3 tiến trình: hâm, cưỡng bức, làm mát ) do dó đòi hỏi kỹ thuật cao mới đáp ứng được. Thứ 4: Vật gia nhiệt rất nhiều dạng ( nhiều kích cỡ, độ dày, chất liệu ), nên bộ nhớ cần thiết lập nhiều chế độ . Hình 1.1: Mẫu súng bắn nhiệt và chipset BGA Súng bắn nhiệt từ lâu đã được xử dụng nhiều trong công nghiệp và kỹ thuật . Tuy nhiên, trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng trong kỹ thuật các chipset thế hệ mới ra đời ( chipset BGA ) đã làm cho thiết bị hàn BGA là không thể thiếu được trong các hoạt động kỹ thuật . Các thiết bị hàn chipset BGA hiện nay đa số nhập ở nước ngoài như Mỹ, Nh ật, Đài loan, Trung quốc nên thường có giá thành cao và chỉ đáp ứng cho yêu cầu xử dụng, còn về mặt công nghệ ( lý thuyết, sơ đồ, nguyên lý, phần mềm, cơ sở khoa học…) điều được các công ty dấu kỹ hoặc nói chung chung, tản mạn nên sẽ có nhiều khó khăn để tiếp cận chúng . Một vấn đề rất thiết thực và được rất nhiều người quan tâm nhưng lại là vấn đề ít được các tài liệu đề cập tới. Mọi cố gắng trong đề tài nầy nhằm hệ thống hóa, đưa ra giải pháp hoàn thiện và tiết kiệm nhất, đồng thời phát triển những hướng nghiên cứu trước đây về thiết bị dùng nhiệt lên tầm cao hơn, đưa những cái mới vào trong đề tài để hoàn thành một sản phẩm hiệu quả . 5 1.2 Cở sở nhiệt học Định luật Jun-Lenxơ: Q=I 2 RT (1.1) - Q: Lượng nhiệt tính bằng Jun(J) - I: Dòng điện tính bằng Ampe(A) R-R:Điện trở tính bằng Ôm. - T:thời gian tính bằng giây(S). Súng bắn nhiệt làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra theo một lượng nhiệt. Tuy nhiên ta không khảo sát trực tiếp mà thông qua hiệu suất nhiệt đến vật gia nhiệt, vật gia nhiệt sẽ tiếp nhận nhiệt độ nầy và giữ không đổi trong 1 thời gian xác lập. 1.2.1 Các giải pháp điều chỉnh nhiệt độ Theo định luật Jun-Lenxơ, để thay đổi nhiệt lượng ta cần phải thay đổi điện thế hoặc điện trở. Tuy nhiên, các giải pháp nầy hiệu quả rất hạn chế và không ổn định. Như vậy làm thế nào để làm chủ được hiệu suất trên vật gia nhiệt? câu trả lời chính là các khóa nhiệt mà quyết định là điện tử công suất, ý tưởng như sau : Hiệu suất bắt đầu từ 0٪ đến hiệu suất mong muốn . Nếu tăng lên thì mở khóa cho nhiệt độ giảm xuống và ngược lại làm sao cho giữ được hiệu suất lên vật chịu nhiệt không đổi . Tốc độ mở đóng khóa đáp ứng nhanh hoàn toàn phù hợp với góc mở công suất và các bộ xử lý . Hình 1.2 Mô hình súng bắn nhiệt 6 1.2.2 Giới thiệu đặc tính đóng mở của các loại công suất Điện tử công suất có nhiệm vụ đóng cắt dòng điện công suất lớn theo mô hình sau : Hình 1.3 Mô hình điện tử công suất Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn ( khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua). Ưu điểm của các bán dẫn điện tử công suất có thể tóm tắt như sau: Thực hiện đóng cắt đóng mà không gây ra tia lửa điện . Không bị mòn theo thời gian . Tín hiệu kích cho phần tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các khóa trong bộ biến đổi. Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử nên không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được. 7 Linh kiện điện tử công suất nói chung hoạt động dựa vào tốc độ đóng ngắt của linh kiện, tốc độ nầy do xung từ mạch kích phát ra mà cụ thể là độ rộng xung và tần số xung . 1.2.3.Vai trò độ rộng xung trong súng bắn nhiệt Thông thường, để thay đổi nhiệt độ ta thường thay đổi điện áp hoặc điện trở ( theo định luật joule), tuy nhiên quan điểm trên hầu như không dùng trong súng bắn nhiệt mà thay vào đó dựa vào đặc tính đóng cắt linh kiện công suất làm cho hiệu suất nhiệt lên vật gia nhiệt thay đổi. Tốc độ thay đổi khóa điện tử được quyết định b ằng độ rộng xung . Hình 1.4 Độ phụ thuộc công suất nhiệt vào độ rộng xung 8 Độ rông xung càng lớn, thời gian đóng mở lớn nên công suất giảm . Như vậy, ta dùng các xung điện điều khiển bán dẫn công suất làm cho linh kiện chịu nhiệt tốt hơn và hoàn toàn phù hợp với số hóa . 1.2.4 Bài toán tốc độ ngắt , mở bán dẫn công suất Hai yếu tố quyết định góc mở bán dẫn công suất là tần số xung kích và độ rộng xung). Yếu tố đầu liên quan đến linh kiện công suất (chọn loại phù hợp ) và yếu tố thứ hai liên quan chương trình điều khiển (softwave ). Tóm lại xu hướng khống chế nhiệt độ bằng cách đóng ngắt nguồn điện tử công suất như SCR, TRIAC, FET, UJT… rất được ưa chuộng vì chúng ta hoàn toàn có thể đưa vào các công cụ toán học, kỷ thuật, công nghệ, máy tính. Hình 1.5 Độ phụ thuộc giữa độ rộng xung và góc mở linh kiện 9 1.3 Các loại linh kiện bán dẫn công suất 1.3.1 GTO ( Gate turn off Thyristor) : Hình 1.6 Đặc tính GTO 1.3.2 Thyristor : 10 Hình 1.7 Đặc tính Thyristor [...]... trị cho phép và trên giá trị đó thì hệ thống sẽ ngưng làm việc 2.1.2 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển ON-OFF chỉ đáp ứng trong hệ điều khiển đơn giản, còn bộ phận điều khiển phức tạp cần phải dùng hệ điều khiển phức tạp hơn mà hay dùng nhất là bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID mô tả được các hành vi liên quan với quá khứ, sai sồ hiện tại và thành phần hồi tiếp chính xác, cho phép hệ thống điều khiển. .. động lực 14 CHƯƠNG 2 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 2.1 Giới thiệu Bộ điều khiển là một thiết bị giám sát và tác động vào các điều kiện làm việc của một hệ động học cho trước Các điều kiện làm việc đặc trưng cho các biến đầu ra của hệ thống mà có thể được tác động bởi việc điều chỉnh các biến đầu vào đã biết Hình 2.1 Mô hình tổng quát bộ điều khiển PID 2.1.1 Bộ điều khiển ON-OFF Là bộ điều khiển đơn giản nhất,... về điều chỉnh) Trong thiết bị hàn chipset, mô hình điều khiển PID là một sự kết hợp phức tạp trong đó có nhiều bật trong một tiến trình điều khiển Một khái niệm mới được đưa vào tạm gọi là nhiệt độ mong muốn nhiều mức độ để mô tả hành vi điều khiển phức tạp hơn 2.3 Bộ điều khiển PID dùng trong thiết bị hàn chipset Đặt vấn đề Bài toán nhiệt học đã được khảo sát rất nhiều, tuy nhiên đối với thiết bị hàn. .. của bộ điều khiển -U(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển - Km: hệ số khuyếch đại -Td = K3/K1 : hằng số thời gian vi phân -Ti = hằng số thời gian tích phân 2.2 Bộ điều khiển PID dùng trong súng bắn nhiệt Đặt vấn đề Bộ điều khiển nhiệt độ được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, là những công cụ khởi đầu và quan trọng cho sự điều khiển nhiệt độ để nhận được kết quả mong muốn bộ điều khiển nhiệt độ... hàn chipset BGA có rất những yêu cầu phức tạp hơn nhiều nhằm đáp ứng nhữmg yêu cầu công nghệ cao Để điều khiển các thiết bị dùng nhiệt (lò sưởi, máy điều hòa ) thường bộ nhớ chứa nhiều chế độ làm việc và nhiều mức điều khiển, trong đó 1 tiến trình được cài đặt kéo dài trong 1 thời gian ( thường rất dài ) thậm chí không cần thiết lập như trong máy điều hòa Trong thiết bị hàn chipset, một thao tác điều. .. động điều khiển (đầu ra bộ điều khiển) e(t) = ys(t) − y(t) miêu tả sai số Kc miêu tả độ lợi của bộ điều khiển (2.3 ) 17 uo miêu tả trạng thái ổn định của tác động điều khiển (độ lệch) cần thiết để duy trì biến số ở trạng thái ổn định khi không có sai số Phương trình vi phân mô tả quan hệ tín hiệu vào ra của bộ điều khiển PID: U(t) = * e(t) + U(t) = (2.4) (2.5) Trong đó - e (t) : tín hiệu vào của bộ điều. .. SSR là độ điều chỉnh nhiệt độ chính xác công suất cao và lợi về giải nhiệt, đồng thời giao diện tốt với các bộ điều khiển dùng vi xử lý hoặc PLC Bộ điều khiển nhiệt độ được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra “ Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho súng bằn nhiệt dùng SSR” trên cơ sở những lý thuyết đã học được chủ yếu trong môn học lý thuyết điều khiển, kèm... hơn 15 Ngày nay, với sự hổ trợ công cụ máy tính cùng các phương pháp tính toán hiện đại cho phép việc ứng dụng bộ điều khiển PID trong các thiết bị linh hoạt và hiệu quả hơn Ý nghĩa bộ điều khiển PID Gồm 3 phần là thành phần tích lũy ở quá khứ, sự thay đổi quanh vị trí thiết lập, và bộ phận hồi tiếp để bù trừ Thành phần tích phân Gọi U( t) là tín hiệu điều khiển, e (t) là tín hiệu vào thì phương trình... phạmvi nghiên cứu Các chipset rất đa dạng, đối tượng gia nhiệt phong phú, do đó cần phải thiết lập nhiều kiểu điều khiển và đưa vào bộ nhớ (profiles) Thêm vào đó, với sự hổ trợ các chương trình mô phỏng, các công cụ toán học, logic mờ càng tăng khả năng ứng dụng của thiết bị 2.4 Mô hình phức hợp thiết bị hàn chipset Trong thực tế, việc thiết lập hệ thống điều khiển thiết bị hàn chipset công nghệ cao... thông số Td-settling time ) - Thành phần tỉ lệ: giá trị điều chỉnh để đạt được ổn định quanh Tđặt Đó chính là giá trị tinh chỉnh thời gian đóng mở ∆t để hiệu chỉnh nhiệt độ như mong muốn (overshoot) Trong thực tế làm việc với bộ điều khiển, chúng ta thường làm việc với loại vi điều khiển có tần số (do XTAL) cho trước kèm theo thời gian trễ của bộ điều khiển, điều nầy cho chúng ta dễ dàng lập trình . 2.1.2 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển ON-OFF chỉ đáp ứng trong hệ điều khiển đơn giản, còn bộ phận điều khiển phức tạp cần phải dùng hệ điều khiển phức tạp hơn mà hay dùng nhất là bộ điều khiển. đáp ứng nhu cầu quá cấp thiết trong thời đại công nghệ mới nên đề tài đưa ra nhiều mẫu máy hàn chipset BGA. Cơ sở của máy hàn chipset BGA là bài toán nhiệt, do đó bộ điều khiền sẽ được phân. Về thiết kế các mẫu máy hàn chipset BGA, tiến hành thực hiện cài đặt chương trình điều khiển vào thiết bị. Chương 6 là nghiên cứu riêng của cá nhân gồm 2 phần là kỹ thuật đồ họa trong máy