Thiết kế bộ điều khiển cho máy hàn CHIPSET BGA (1)

Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năngcung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng cácquá trình điều chỉnh, điều khiển tron

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 nghệmang 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 cườngquốc Gần đây, cũng nhờ công nghệ mà Trung Quốc, Ấn Độ có bước phát triển vượtbậc Để làm được điều kỳ diệu đó, những công nghệ cũ kỹ, lỗi thời sẽ dần bị thaythế bằng những công nghệ tiên tiến, hiện đại và cũng vì lẽ đó mà “công nghệ hànchipset” là không thể thiếu được

Như chúng ta đã biết, các board mạch trước đây được thiết kế bằng các linhkiện điện tử có “chân hàn” bên ngoài Ngày nay, để làm gọn nhẹ và tăng tốc cho cácthiết bị, người ta thiết kế ra các chipset “chân bi chì ” gọi là chipset BGA, cácchipset 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 chipsetBGA là không thể thiếu được Thiết bị hàn chipset BGA mang yếu tố quyết địnhcho sự thành công cho các cơ sở kỹ thuật và là một yêu cầu thực sự cấp bách

Thiết bị hàn chipset BGA dựa trên cơ sở của bài toán là bài toán nhiệt Nhưchúng ta đã biết, bài toán nhiệt thường rất khô khan và cũ kỹ, tuy nhiên khi nghiêncứu 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, phầnmềm, 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 đạicông nghệ mới nên đề tài đưa ra nhiều mẫu máy hàn chipset BGA Cơ sở của máyhàn 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

III Điểm mới của đề tài

Dùng hàm năng lượng để giải bài toán điều khiển theo mô hình PIDthay thế cho các phương pháp khác Với mong muốn ở nước ta sớm có nhàmáy sản xuất các board mạch , đề tài đưa ra mô hình máy đóng chipset tự độngdưa trên 2 cơ sở là ứng dụng kỹ thuật đồ họa và tác dụng nhiệt độ curie lên vậtliệu từ dùng để định vị chipset

IV Cấu 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 lệPID

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 gồmcảm biến nhiệt, mạch chuyển đổi, các kiểu mẫu từ rẻ tiền đến cao cấp, cácchương 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 thựchiện 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 họatrong máy đóng chipset và ứng dụng từ và nhiệt trong nhà máy đóng chipsetvới hi vọng một ngày nào đó chúng ta cũng có nhà máy đóng chipset củariêng chúng ta

CHƯƠNG ITỔNG 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 dòngkhông khí do quạt gió thổi ra đưa đến vật gia nhiệt Về nguyên tắc súng bắn nhiệtcũng như các thiết bị dùng nhiệt khác, tuy nhiên khi ứng dụng vào thiết bị hànchipset thì có rất nhiều khác biệt do vậy khác biệt do vậy hướng nghiên cứu và ứngdụng 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 nhưcác bài toán nhiệt trước đây được, vì với thời gian chỉ không tới 5 phút nênvật 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 cùnglàm việc và làm ở những chế độ khác nhau, còn các thiết bị dùng nhiệtkhác thì đơn giản hơn nhiều

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 kỹthuật các chipset thế hệ mới ra đời ( chipset BGA ) đã làm cho thiết bị hàn BGA làkhông 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, Nhật,Đài loan, Trung quốc nên thường có giá thành cao và chỉ đáp ứng cho yêu cầu xửdụng, còn về mặt công nghệ ( lý thuyết, sơ đồ, nguyên lý, phần mềm, cơ sở khoahọc…) điều được các công ty dấu kỹ hoặc nói chung chung, tản mạn nên sẽ cónhiều 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 nghiêncứu 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

1.2 Cở sở nhiệt học

Định luật Jun-Lenxơ:

Q=I2RT (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 mộtdây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra theo một lượng nhiệt Tuy nhiên ta khôngkhảo sát trực tiếp mà thông qua hiệu suất nhiệt đến vật gia nhiệt, vật gia nhiệt sẽtiếp 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 điệnthế hoặc điện trở Tuy nhiên, các giải pháp nầy hiệu quả rất hạn chế và không ổnđịnh Như vậy làm thế nào để làm chủ được hiệu suất trên vật gia nhiệt? câu trả lờichính 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 lạilàm 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

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 côngsuất Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như nhữngkhóa bán dẫn ( khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòngđiện 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 thuộcvào cách thức điều khiển các khóa trong bộ biến đổi Như vậy quá trình biến đổinăng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổnthất 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 năngcung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng cácquá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phùhợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa Đây là đặc tính mà các bộ biếnđổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được

Linh kiện điện tử công suất nói chung hoạt động dựa vào tốc độ đóng ngắtcủa 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 súngbắn nhiệt mà thay vào đó dựa vào đặc tính đóng cắt linh kiện công suất làm chohiệu suất nhiệt lên vật gia nhiệt thay đổi Tốc độ thay đổi khóa điện tử được quyếtđịnh bằng độ rộng xung

Hình 1.4 Độ phụ thuộc công suất nhiệt vào độ rộng xung

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 kiệnchịu 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 độrộng xung) Yếu tố đầu liên quan đến linh kiện công suất (chọn loại phù hợp ) vàyếu tố thứ hai liên quan chương trình điều khiển (softwave )

Tóm lại xu hướng khống chế nhiệt độ bằng cách đóng ngắt nguồn điện tửcông suất như SCR, TRIAC, FET, UJT… rất được ưa chuộng vì chúng ta hoàntoàn 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

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 :

Hình 1.7 Đặc tính Thyristor

1.3.3 Triac

Hình 1.8 Đặc tính Triac

1.3.4 Linh kiện điện tử công suất SSR ( solid state relay )

Ưu diểm nổi trội của 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 lýhoặc PLC Bộ điều khiển nhiệt độ được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đápứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra “ Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho súngbằn nhiệt dùng SSR” trên cơ sở những lý thuyết đã học được chủ yếu trong mônhọc lý thuyết điều khiển, kèm theo đó là kiến thức của các môn học cơ sở ngành vàcác môn học có liên quan như kỹ thuật cảm biến, cơ sở kỹ thuật đo

Ưu điểm SSR ( solid state relay )

Các bộ rơ-le tiếp điểm thường có tần suất đóng mở thấp, dễ hư, nhiễu ….Các linh kiện điện tử công suất nói chung và SSR nói riêng khắc phục được cáckhutyết điểm nầy.vì các lý do sau:

Tần suất đóng mở cao (thời gian cỡ mili giây )Bền, giảm tiếng ồn trong quá trình chuyển đổi Nhạy

Giao tiếp tốt với các bộ xử lý mới

Hình 1.9 Các dạng SSR Tóm lại, trong súng bắn nhiệt, với 2 tiêu chí nêu trên thì TRIAC thườngdùng cho các loại vi xử lý thông thường và PIC16 , còn SSR xử dụng cho PLC

1.4 Mạch hổ trợ ( mạch động lực, mạch kích.)

Mục đích: Nhận xung từ bộ điều khiển, cho ra các tín hiệu phù hợp dùng đểđiều khiển chế độ đóng ngắt bán dẫn công suất để thay đổi công suất đặt vào súngbắn nhiệt Do đó từ mạch điều khiển sẽ xuất ra xung có độ rộng thay đổi trongkhoảng thời gian T nhất định để thay đổi công suất cung cấp cho súng bắn nhiệt

Tóm lại, mạch hổ trợ làm việc ở 2 chế độ là khuếch đại và đóng ngắt

Ở chế độ khuếch đại, thường mạch được ráp là transistor hoặc darligton đểtăng độ khuếch đại, đầu vào lấy tín hiệu điều khiển từ bộ xử lý còn đầu ra đến ngõvào bán dẫn công suất

Ở chế độ đóng ngắt, transistor làm việc ở chế độ bảo hòa và tùy theo điểm làmviệc mà transistor dẫn hay ngưng dẫn

Hình 1.10 Sơ đồ chức năng mạch động lực

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, hệ thống sẽ làm việc khi dưới giá 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 phậnđiều 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 quákhứ, sai sồ hiện tại và thành phần hồi tiếp chính xác, cho phép hệ thống điều khiểnchính xác và hiệu quả hơn

Ngày nay, với sự hổ trợ công cụ máy tính cùng các phương pháp tính toánhiện đại cho phép việc ứng dụng bộ điều khiển PID trong các thiết bị linh hoạt vàhiệu 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

Nếu ta xử dụng nguyên thanh nhiệt độ thì sẽ rất tốn bộ nhớ và vô ích vì thực

tế bộ điều khiển chỉ lấy một vùng giá trị quanh Tđặt mà thôi

Thành phần vi phân

Hình 2.3 Mô tả vi phânPhương trình vi phân mô tả động học:

U(t ) = Td ( 2.2)

Trong đó :

e(t) : Tín hiệu vào của bộ điều khiển

U(t): tín hiệu điều khiển

Td: Hằng số thời gian vi phân

Thành phần tỉ lệ

Sai số được định nghĩa là hiệu số giữa giá trị mong muốn (điểm đặt) y s và giá trị hiện tại (đo lường) y Nếu sai số lớn, thì tác động điều khiển lớn Ta có:

u(t) = Kc * e(t) – u0 (2.3 )

Trong đó

u(t) miêu tả tác động điều khiển (đầu ra bộ điều khiển)

e(t) = y s (t) − y(t) miêu tả sai số

K c miêu tả độ lợi của bộ điều khiển

u o miêu tả trạng thái ổn định của tác động điều khiển (độ lệch) cần thiết để duytrì 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) + (2.4)

U(t) = (2.5)

Trong đó

- e (t) : tín hiệu vào 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

khiển vi tích phân tỉ lệ) được mô tả như sau:

Một giá trị mong muốn cho đối tượng (vật gia nhiệt )

Một giá trị đo được ( giá trị đo được thông qua cảm biến)

Một hệ thống giám sát phát hiện sai số giữa 2 giá trị trên

Một bộ điều khiển điều chỉnh giá trị sai số đến tối thiểu bằng cách điều khiểngiá trị đầu vào

Ý Nghĩa vật lý

Để có được nhiệt độ mong muốn cho vật gia nhiệt, nguồn phát nhiệt sẽ thổinhiệt vào vật được gia nhiệt, vật được gia nhiệt nhận nhiệt từ nhiệt độ thấp nhấtđến nhiệt độ mong muốn và giữ lại ở nhiệt độ nầy trong một khoảng thời gian.thiếtlập trước Để giữ được nhiệt độ cần phải thấy được sự thay đổi nhiệt độ quanh vị trímong muốn để điều khiển các nguồn nhiệt cho phù hợp

Như vậy biến đầu vào(các súng bắn nhiệt) và giá trị nhiệt độ mong muốn(nhiệt độ ở vật gia nhiệt) phải liên quan chặt chẽ theo mô hình như sau :

Tích phân (nhiệt độ đối tượng gồm tổng các nhiệt độ đưa vào),

Vi phân (thay đổi nhiệt độ tạm thời)

Tỉ lệ (so sánh đưa về điều chỉnh)

Trong thiết bị hàn chipset, mô hình điều khiển PID là một sự kết hợp phức tạptrong 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 bịhàn chipset BGA có rất những yêu cầu phức tạp hơn nhiều nhằm đáp ứng nhữmgyêu cầu công nghệ cao Để điều khiển các thiết bị dùng nhiệt (lò sưởi, máy điềuhòa ) 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 khôngcần thiết lập như trong máy điều hòa

Trong thiết bị hàn chipset, một thao tác điều khiển thường làm việc với nhiềutiến trình mà thông thường là :

Hâm gia nhiệt 1 gia nhiệt 2 gia nhiệt 3 Làm mát làm nguội

Thời gian điều khiển ngắn

Với thời gian thao tác lên vật gia nhiệt rất ngắn, nên bộ điều khiển phải nhạy

và chính xác, do đó việc thiết kế bộ điếu khiển rất phức tạp và khó khăn; Tuy nhiên

đó cũng là ưu điểm vì các bộ xử lý ngày nay (PIC16 , PLC ) rất mạnh và hoàn toàn

có thể đáp ứng được

Khả năng và phạmvi nghiên cứu

Các chipset rất đa dạng, đối tượng gia nhiệt phong phú, do đó cần phải thiếtlập nhiều kiểu điều khiển và đưa vào bộ nhớ (profiles) Thêm vào đó, với sự hổ trợcác chương trình mô phỏng, các công cụ toán học, logic mờ càng tăng khả năng ứngdụng 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 côngnghệ cao rất phức tạp vì yêu cầu rất chính xác trong kỹ thuật, thông thường chia làm

3 khối và mỗi khối được thiết lập khác nhau

Hình 2.5 Sơ đồ chức năng mạch phức hợp

Tóm lại, bài toán nhiệt động học trong thiết bị hàn chipset là hoàn toàn mới,

nó kế thừa và phát triển các bài toán nhiệt trước đây nên sẽ có rất nhiều điều mới

mẻ cần nghiên cứu Thêm vào đó, nhìn vào các sơ đồ trên ta thấy mức độ số hóagần như tối đa, điều nầy sẽ làm chúng ta gặp rất nhiều khó khăn khi tiếp cận chúngnhư: phần cứng, phần mềm chương trình điều khiển, nhưng cũng vì vậy nó cànglàm tăng sự hấp dẫn trong quá trình nghiên cứu

CHƯƠNG 3 LOGIC MỜ CHO SÚNG BẮN NHIỆT

3.1 Giới Thiệu

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, tất cả mọinghiên cứu đều nghiên về tính toán mềm, trong đó các yếu tố, mô phỏng, thuật giải,phần cứng, phần mềm được đề cập thường xuyên và là thành phần gần như khôngthể thiếu trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ

Khái niệm logic mờ là một hướng nghiên cứu hiện đại và hiện thực Nó rõ hơnhộp đen, nó uyển chuyển hơn đại số BOOL và mạch logic Nó là hình tượng“ hình

và bóng” của á đông để giải quyết vấn đề nội tại bên trong mà chỉ có kết quả mớichứng minh được

Nó theo qui luật “ nhân quả” của phật giáo, luật IN-OUT của công nghệ thôngtin Thực tế người ta rất mong chờ một sự phát triển vũ bão trong lãnh vực nầy,nhưng có chăng chỉ là một sự tán đồng hờ hững, gốc sâu xa là ở đâu?

Trong bối cảnh đó, đề tài mong muốn đi sâu và nâng tầm lên vì các bài nghiêncứu trước thường chỉ xem logic mờ như là một phương tiện để giải thích hơn là để

áp dụng thực tế, có lẽ thường thì chúng ta chỉ ngừng ở logic tĩnh, mà logic tĩnh thìlàm sao ứng dụng nhiều

Do đó, việc nghiên cứu logic mờ cấp thiết phải là logic mờ động, là một quátrình hổ tương, là quá khứ, là hiện tại, là tương lai, là nhân quả, là hệ servo mà nềntản là mô hình điều khiển vi, tích phân tỉ lệ

3.2.Hệ Thống Xử Lý Mờ.

Các thành phần cơ bản của bộ điều khiển mờ bao gồm khâu mờ hóa, thiết bịthực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ.

3.2.1 Hệ Mờ Tĩnh

H3.1 Sơ đồ khối hệ thống xử lý mờ

X: tín hiệu vào (rõ), Y: tín hiệu ra (rõ)

Mờ hóa: Các giá trị đầu vào được chuyển đổi ( mờ hóa ) thành tập hợp có giátrị thể hiện giá trị rõ đầu vào Ở súng bắn nhiệt giá trị đó chính là các giá trị nhiệt độ

do súng bắn nhiệt được mờ hóa và nó cũng thể hiện được giá trị nhiệt độ của súngbắn nhiệt

Thiết bị hợp thành, Chuyển đổi tập mờ thành tập ra là hàm thành viên dựatrên cơ sở tri thức ( luật hợp thành )

Khâu giải mờ: Có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ My thành một giá trị rõ

Y đặc trưng cho thông tin chứa trong tập mờ đó

Xác định biến in/out

Khối mờ hóa :

Ngõ vào: Nhiệt độ súng bắn nhiệt

Ngõ ra : Ba mức được gọi: yếu, vừa, cao

Khối xử lý mờ :

Ngõ vào: Yếu, vừa, cao

Ngõ ra : Hàm thành viên dựa theo luật hợp thành

Khối giải mờ :

Ngõ vào: Hàm thành viên

Ngõ ra: Nhiệt độ mong muốn cho đối tượng

3.2.2 Logic mờ cho bài toán nhiệt đơn giản

µY(y ) = [ µT(y) , µV(y),µC(y) ]

Khối suy diễn mờ :

IF A THEN B được mô tả cụ thể sau :

- Nếu lạnh thì hồi tiếp cao

- Nếu vừa thì hồi tiếp vừa

- Nếu thấp thì hồi tiếp cao

Hình 3.3 Giản đồ liên hệ nhiệt độ và hồi tiếp

Luật hợp thành :

3.3 Hệ mờ động

Khuyết điểm hệ mờ tĩnh: là chỉ xét yếu tố tức thời nên chưa đủ để áp dụng,

vì thực tế ta đã bỏ qua yếu tố tích lũy nhiệt độ trước đó, và giá trị sửa sai quanh vịtrí nhiệt độ áp đặt Vế mặt vật lý tiến trình trong súng bắn nhiệt (bỏ qua yếu tốkhoảng cách từ súng đến vật gia nhiệt) như sau :

Nhiệt độ từ 0˚ đến giá trị mong muốn là quá trình tích lũy nhiệt, do đó đây làhàm tích phân

Khi đến giá trị mong muốn phải giữ lại nhiệt độ, bằng tần suất đóng mở linhkiện công suất ( giá trị vi phân )

Để làm được cần phải có cảm biến (hồi tiếp) để thông báo (tỉ lệ ), phần việccòn lại là bộ xử lý

Như vậy hệ mờ động chính là xử dụng mô hình điều khiển vi, tích phân tỉ lệvào bài toán nhiệt học Mối quan hệ giữa x(c˚) với Et và DET theo mô hình PID.Trong mô hình súng bắn nhiệt, nhiệt độ đặt trước là T đặt và nhiệt độ từ cảmbiến là Tđo

Nếu Tđặt – Tđo = 0 thì nhiệt độ không thay đổi (Biến Et đưa vào) (Liên quanđến tần suất đóng mở điện tử công suất)

Vật gia nhiệt nhận được do khóa điện tử (scr ,triac , ssr , …) đóng mở Nếuđóng mở chậm - hiệu suất giảm và ngược lại Biến DET diễn tả sự thay đổi quanh

vị trí nhiệt độ đặt

3.4 Quan điểm về Logic mờ trong bài toán nhiệt

3.4.1 Ý nghĩa vật lý trong bài toán Logic mờ

Hình 3.4 Tập mờ Et

Biến DET: diễn tả tốc độ thay đổi ( tốc độ đóng mở khóa điện tử ) trong 1 chu

kỳ clock gồm rất ít (RRI ), rất ít ( RI), ít ( I), vừa ( V), lớn (L), rất lớn ( RL ), rất rấtlớn ( RRL)

Hình 3.5 tập mờ DET

RRI RI I V N RN

Xử dụng luật PROG cho phép giao và MAX cho phép hội kết quả cho ra nhưsau :

Bảng 3.1 Giá trị hàm thành viên của tập Et

Bảng 3.2 Giả trị tập mờ DET

3.4.1.2 TẬP mờ đầu ra

50 62,5 75 87,537,5

2512,5

Hình 3.5 Hàm OUTPUT

Hình 3.6 INPUT1 HÀM DET

Hình 3.7 INPUT2 HÀM Et

OUTPUT

Sở dĩ như vậy vì hướng thứ hai là bài toán số hóa nhiệt độ và dùng xung điệnđóng mở các khóa điện tử, từ đó mở ra hàng loạt các công trình nghiên cứu cùngvới sự hổ trợ những thành tựu mới nhứt là các phần mềm máy tính đã làm cho bàitoán nhiệt được khai thác triệt để và hầu như được xem là những bài bản kinh điểntrong một thời gian dài.

Các bài toán nhiệt trong những năm gần đây có yêu cầu cao hơn nhiều, và dovậy các bài toán nhiệt ở trên có vẻ lạc hậu và dĩ nhiên bài toán Logic mờ cũng phảiđược xem xét lại Một ví dụ dễ thấy là sự tương quan giữa tập ngõ ra và tín hiệu hồitiếp trong kỹ thuật thường không được chú trọng vì với thời gian điều khiển dài thìnhư vậy là quá đủ

Tuy nhiên nếu tiến trình điều khiển nhiệt trong thời gian vài phút thì tập đầu

ra như thế thì quá thiếu và sự giám sát việc điều khiển chắc chắn bị đổ vỡ Đâychính là bài toán nhiệt trong chế độ cưỡng bức mà sao ít thấy tài liệu nào đề cập tới

Có lẽ phần nầy hoàn toàn trao cho phần cứng và phần mềm máy tính rồi Vậy vaitrò của Logic mờ ở đâu trong trường hợp nầy? phải chăng là dùng Logic mờ tínhtoán tối ưu quá trình xảy ra bên trong của quá trình điều khiển Do đó, hướng mớitrong việc nghiên cứu vấn đề nầy tập trung hai điểm: một là dùng Logic mờ thôngqua công cụ MATLAB và so sánh với sự tính toán dùng phương pháp ZIEGLER-NICHOLS

Trong quá trình tìm hiểu về sự tối ưu hóa trong bộ điều khiển chúng tôi rút ramột số kết luận như sau:

Ba thông số quan trọng để tính tối ưu bộ điều khiển là thời gian gia tăng (risetime ), thời gian xác lập (settling time ) và độ vượt lố ( overshoot ) Để giải quyếtvấn đề nầy, nhiều tác giả cũng như nhiều công trình nghiên cứu đã tìm hiểu rất sâusắt và hầu như không còn đất để nghiên cứu nữa

Tuy nhiên chúng ta cũng nhận thấy các công trình nghiên cứu trước đâythường tập trung ở bộ điều khiển PID hoặc PID-MỜ thông qua cơ sờ thực nghiệmcủa phương pháp ZIEGLER-NICHOLS và dùng phương tiện MATLAB để môphỏng

Cũng từ trong quá trình làm việc với các bộ điều khiển chúng tôi lại nhận thấyvới các kết quả đề xuất ở trên, chúng ta còn có thể dùng hướng nghiên cứu khác vàthực sự đã tìm thấy những điều mới mẻ trong hướng nầy.

Với mục đích kế thừa và phát triển, trong phần nầy chúng tôi đưa ra các bướcsau :

Nêu kết quả đạt được theo mô hình PID dùng phương phápZIEGLER-NICHOLS

-Nêu kết quả đạt được theo mô hình PID-MỜNêu ý kiến cá nhân về việc xử dụng hàm năng lượng cho mô hìnhPID trong bài toán nhiệt

A-Tổng kết các kết quả đã được nghiên cứu Trong mọi cố gắng nhằm tối ưu hóa bộ điều khiển, nhiểu tác giả và nhiều côngtrình nghiên cứu đưa ra nhiều giải pháp có thể tóm tắc như sau :

Dùng mô hình PIDHàm truyền của bộ điều khiển PID:

Thời gian quá độ : tqd= 18.1s.

Độ quá điều chỉnh: σ max= 0.516%.

Đường đặc tính tần đã bao lấy điểm Nyquist Hệ thống là một hệ ổn định

3.5.2 Nghiên cứu mô hình điều khiển theo PID-MỜ

Hình 3.9 Mẫu PID-MỜ, mô phỏng

Y(t) = ( 3.2)

e(t) = (3.3)

- Ta có đáp ứng của hệ thống khi có sự can thiệp của bộ điều khiển mờ: ( tham khảo và tổng hợp các công trình trên internet )

Kết luận

Phương pháp nghiên cứu bộ điều khiển theo PID-MỜ có nhiều ưu điểm hơn

so với các phương pháp trước đây vì các lý do sau :

+Giảm được công việc do không phải xác định mô hình

+Giảm khối lượng tính toán với những bài toán phức tạp

+Dễ hiểu và khả năng thay đổi linh hoạt

3.6 PHƯƠNG PHÁP DÙNG HÀM NĂNG LƯỢNG

lố ) ,đó cũng chính là thời gian xung nhịp bộ điều khiển (ts(đặt) + txung), ta suy rađược thành phần thứ nhất là thời gian gia tăng (rise time) (Ts)

- Thành phần vi phân: Để đạt được trạng thái ổn định quanh vị Tđặt chính làtính toán nhiệt lượng tích lũy và nhiệt lượng suy giảm trong một chu kỳ, thời gian viphân là thời gian từ tđặt đến thời điểm mà ở chu kỳ lấy mẫu đó hiệu số hàm tíchlũy và hàm suy giảm bằng không ( thông số Td-settling time )

- Thành phần tỉ lệ: giá trị điều chỉnh để đạt được ổn định quanh Tđặt Đóchính là giá trị tinh chỉnh thời gian đóng mở ∆t để hiệu chỉnh nhiệt độ như mongmuốn (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 điềukhiển, điều nầy cho chúng ta dễ dàng lập trình và tính toán các tham số bằng lýthuyết mà không cần phải từ thực nghiệm như phương pháp ZIEGLER-NICHOLS

Ví dụ :

#include <16F877A.h> ‘’ vi điều điều khiển PIC 16f887A.h”

#use delay(clock=12000000) “ tần số 12 Mhz”

3.6.2.Cơ sở tính toán

Phương trình truyền nhiệt theo không gian và thời gian

Nhiệt độ truyền đến vật gia nhiệt là môi trường đẳng hướng phụ thuộc vào 4 biến , 3 biến không gian (x,y,z) và một biến thời gian (t )

Hình 3.10 Giản đồ mô tả mô hình PID theo hàm năng lượng

3.6.2.1.Thành phần tích phân –diện tích tích lũy

Diện tích từ 0▫C đến Tđặt▫C

Tđặt = (3.5)

với t=1/f với f=6MHZ ( tần số thạch anh )

Từ (1) Suy ra thời gian tích lũy tương ứng với số xung nhịp từ 0▫C đến Tđặt▫C

3.6.2.2.Thời gian điều chỉnh vi phân

Khi hiệu suất nhiệt đạt đến giá trị tương ứng với Tđặt thành phần vi phân thong báo dộ sai lệch và xung nhịp vào khóa điện tử thay đổi để giữ hiệu suất nhiệt quanh vị trí ổn định ;đó là thời gian xác lập và thời gian nầy phải nhỏ hơn thời giantạo điện tích vượt lố

Diện tích

S1(t) = (3.6)

Điều kiện ổn định là diện tích vượt lố phải nhỏ hơn diện tích S1(t)

Cơ sở cho bài toán vi phân là chuỗi FOURIER

Công thức tính chu kỳ xung chuẩn

T =1/f (s) (3.7)

Với f là tần số dao động bộ vi xử lý ( f= 6Mhz cho PLC )

Công thức số xung từ 0▫c đến Tđặt▫C

N= T1 /T (3.8)Xung cuối cùng gần Tđặt tới xung kế tiếp là tạo ra diện tích vọt lố Công thức tính diện tích vọt lố maximum

Ti≤ Svlmax = ( 3.12)

Đây cũng là công thức tính thời gian xác lập bộ điều khiền

3.6.2.3.Tính toán thành phần tỉ lệ

Thành phần tỉ lệ dùng để điều chình độ rộng xung tức là điều chỉnh khóa điện tử sao cho giữ được độ ổn định

Trong mỗi chu kỳ hiệu số( ∆T+1) -∆T có thể dương hoặc âm và độ lớn khác nhau , do đó quyết định giá trị hồi tiếp ( được điều khiển bằng chương trình )

3.6.3.Thuật giải

Hình 3.11 Thuật giải

3.6.4.Kết luận

Hoàn toàn có thể tính các thông số tối ưu cho bộ điều khiển dựa vào tính toán

mà không phải dựa trên cơ sở thực nghiệm ZIEGLER-NICHOLS

- Dễ dàng viết chương trình điều khiển theo nhiều ngôn ngữ lập trình

- Sát thực tế với bộ điều khiển

Trên đây là một số ý kiến về việc tối ưu hóa bộ điều khiển Vì nội dung chínhcủa đề tài là hướng ứng dụng bài toán nhiệt vào máy hàn chipset BGA, do đó chúng

ta sẽ không đi sâu hơn nữa và chỉ dừng ở mức đề xuất ý tưởng Để hoàn chỉnh cầnphải có nhiều thời gin và sự đóng góp nhiều người, hi vọng sẽ trở lại vấn đề nầytrong thời gian rất gần

CHƯƠNG 4 CẢM BIẾN VÀ MẠCH CHUYỂN ĐỔI

4.1 Cảm biến

Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận, các đại lượng vật lý khôngđiện thành các tín hiệu điện Ví dụ: Nhiệt độ là 1 đại lượng không liên quan đếnđiện chúng ta phải chuyển nó về 1 đại lượng khác ( điện trở, điện áp ) để phù hợpvới các cơ cấu điện tử Do đó để có thể xác định giá trị chính xác của nhiệt độ làvấn đề không đơn giản Tuy vậy nhiều đại lượng vật lý phụ thuộc nhiệt độ như: sựgiản nở của chất `khí, lỏng, rắn, sự truyền nhiệt, độ nóng của các chất tinh khiết, và

sự thay đổi màu sắc theo nhiệt độ

Dựa vào những đặc điểm trên mà người ta chế tạo ra các loại cảm biến nhiệt

độ với khả năng chuyển đổi nhiệt độ thành các giá trị áp, dòng, điện trở, và cũngtùy theo cấu tạo của chúng mà ta có các loại cảm biến nhiệt độ khác nhau Tùy theolĩnh vực đo và điều kiện thực tế mà có thể chọn một trong bốn loại cảm biếnthermocouple, RTD, thermistor, và IC bán dẫn Mỗi loại có ưu điểm và khuyết điểmriêng của nó

Tùy theo lĩnh vực đo và điều kiện thực tế mà có thể chọn một trong bốn loạicảm biến: thermocouple, RTD, thermistor, và IC bán dẫn Mỗi loại có ưu điểm vàkhuyết điểm riêng của nó