Thiết kế và thi công máy tự động quấn dây cho stator động cơ BLDC

Nội dung thực hiện:  Nội dung 1: nghiên cứu, tìm hiểu về cơ cấu của stator động cơ điện một chiều không chổi than BLDC  Nội dung 2: Nghiên cứu, tìm hiểu về vi điều khiển STM32F4103, cá

o0o

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Ngô Thị Hồng Vương MSSV: 14141377

Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông Mã ngành: 41

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY TỰ ĐỘNG QUẤN DÂY CHO

STATOR ĐỘNG CƠ BLDC

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

Tìm hiểu các tài liệu về động cơ BLDC

2 Nội dung thực hiện:

 Nội dung 1: nghiên cứu, tìm hiểu về cơ cấu của stator động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC)

 Nội dung 2: Nghiên cứu, tìm hiểu về vi điều khiển STM32F4103, cách kết nối, giao tiếp với máy tính, đọc tín hiệu, xuất xung

 Nội dung 3: Tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị sử dụng trong mô hình điều khiển: driver AC servo, Step motor, cảm biến sợi quang, motor quay…

 Nội dung 4: Nghiên cứu giải thuật, viết chương trình điều khiển

 Nội dung 5: Dựa trên những nghiên cứu tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị điện cũng như cơ cấu của động cơ điện, tiến hành tính toán thiết kế và thi công mô hình (tủ điện, cơ khí…)

 Nội dung 6: Viết báo cáo thực hiện đồ án

 Nội dung 7: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.S Nguyễn Thanh Bình

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép

từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Những người thực hiện đề tài

Ngô Thị Hồng Vương

LỜI CẢM ƠN

Nhóm thực hiện xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Thanh Bình_Giảng viên

bộ môn Vi Xử Lý đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài

Nhóm thực hiện gửi lời chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài

Nhóm thực hiện gửi lời cảm ơn chân thành đến Công ty Trách nhiệm Hữu hạn Avant Garde Việt Nam và Công ty Trách nhiệm Hữu hạn Trí Việt đã hỗ trợ, tạo điều kiện cho nhóm em thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Những người thực hiện đề tài

Ngô Thị Hồng Vương

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1: Stator động cơ BLDC 4

Hình 2.2: Rotor có nam châm gắn trên bề mặt 5

Hình 2.3: Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi 5

Hình 2.4: Các loại rotor của động cơ BLDC 6

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh chip STM32F103C8T6 7

Hình 2.6: Nguồn tổ ong 24V 12

Hình 2.7: Động cơ bước 13

Hình 2.8: Driver điều khiển động cơ bước 14

Hình 2.9: Cấu tạo động cơ AC Servo 16

Hình 2.10: Sơ đồ mô tả kết nối thiết bị điều khiển Driver và động cơ AC Servo 17

Hình 2.11: Hình minh họa các thành phần của bộ Driver 17

Hình 2.12: Bộ lọc nhiểm điện áp xoay chiều 19

Hình 2.13: Hình ảnh Xi lanh 20

Hình 2.14: Cảm biến hành trình D-Z73 20

Hình 2.15: Sơ đồ mạch điều khiển 20

Hình 2.16: Cảm biến quang EE-SX671 21

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý cảm biến quang EE-SX671 22

Hình 2.18: Hình ảnh MCB 22

Hình 2.19: Hình ảnh Contactor 23

Hình 3.1: Hình ảnh mô phỏng máy quấn dây 24

Hình 3.2: Sơ đồ khối của máy tự động quấn dây 25

Hình 3.3: Hình ảnh mô tả kết nối các thiết bị 26

Hình 3.4: Sơ đồ kết nối cảm biến D-Z73 26

Hình 3.5: Sơ đồ kết nối cảm biến quang 27

Hình 3.6: Sơ đồ khối mạch ngõ ra 28

Hình 3.7: Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa Ic và Vce trên opto TLP-280 28

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý 1 kênh mạch ngõ ra 29

Hình 3.9: Sơ đồ khối mạch ngõ vào 30

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch ngõ vào 30

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch vi xử lý 31

Hình 3.12: Sơ đồ khối mạch nguồn 32

Hình 3.13: Sơ đồ nối dây các thiết bị trong tủ điện 33

Hình 4.1: Tạo một dự án mới 35

Hình 4.2: Đặt tên dự án và chọn nơi lưu dự án 36

Hình 4.3: Thanh công cụ Libraries và nút Libraries 37

Hình 4.4: Cửa sổ “Available Libraries” 38

Hình 4.5: Board PCB ban đầu 39

Hình 4.6: Chuyển sơ đồ nguyên lý sang sơ đồ PCB 39

Hình 4.7: Cửa số “Engineering Change Order” 40

Hình 4.8: Các linh kiện chưa được sắp xếp 40

Hình 4.9: Lớp trên board mạch 41

Hình 4.10: Lớp dưới của board mạch 42

Hình 4.11: Hình mô phỏng mặt trên board mạch khi chưa có linh kiện 42

Hình 4.12: Hình mô phỏng mặt dưới board mạch khi chưa có linh kiện 43

Hình 4.13: Hình mô phỏng 3D mặt trên của board 43

Hình 4.14: Hình mô phỏng 3D mặt dưới của board 44

Hình 4.15: Kiểm tra nguồn cấp vào cho mạch điều khiển 48

Hình 4.16: Kiểm tra nguồn 3.3v cấp cho vi xử lý 48

Hình 4.17: Sơ đồ bố trí các thiết bị trong tủ điện 50

Hình 4.18: Tủ điện sau khi đã hoàn thiện 51

Hình 4.19: Kiểm tra điện áp ngõ ra của MCB bằng VOM 52

Hình 4.20: Vị trí các thiết bị trong cơ cấu quấn 53

Hình 4.21: Vị trí cảm biến quang 53

Hình 4.22: Vị trí cảm biến hành trình trên xilanh 53

Hình 4.23: Phía trong hộp nhựa 54

Hình 4.24: Nắp hộp nhựa 54

Hình 4.25: Lưu đồ giải thuật của chương trình chính 55

Hình 4.26: Lưu đồ trở về vị trí ban đầu 56

Hình 4.27: Lưu đồ chương trình bắt đầu quấn 57

Hình 4.28: Lưu đồ Chương trình con quấn 6 cuộn 58

Hình 4.29: Lưu đồ quấn 1 cuộn 59

Hình 4.30: Lưu đồ chương trình CachQuan 60

Hình 4.31: Lưu đồ cách quấn 1 lớp 62

Hình 4.32: Lưu đồ chương trình MayQuanDay1_Handle() 63

Hình 4.33: Lưu đồ chương trình con chỉnh góc quấn 64

Hình 4.34: Lưu đồ chương trình lưu góc 65

Hình 4.35: Màn hình Download Arduino IDE 66

Hình 4.36: Mở chương trình cài đặt 66

Hình 4.37: Màn hình cài đặt “License Agreemen” 67

Hình 4.38: Màn hình cài đặt “Installation Options” 67

Hình 4.39: Màn hình chờ cài đặt 68

Hình 4.40: Màn hình cài đặt driver 68

Hình 4.41: Màn hình cài đặt hoàn thành 69

Hình 4.42: Tạo một project mới 69

Hình 4.43: Màn hình viết code 70

Hình 4.44: Biên dịch code 71

Hình 4.45: Kết nối với cổng COM3 71

Hình 4.46: Màn hình biên dịch thành công 72

Hình 4.47: Giao diện phần mềm Microsoft Vitual Studio 72

Hình 4.48: Cách tạo một dự án mới 73

Hình 4.49: Chọn môi trường soạn thảo phần mềm 73

Hình 4.50: Giao diện soạn thảo phần mềm 74

Hình 4.51: Thanh công cụ Toolbox 74

Hình 4.52: Thanh công cụ Properties 75

Hình 4.53: Giao diện sau khi thiết kế 76

Hình 4.54: Lập trình hoạt động tại cửa sổ “Form1.cs” 76

Hình 4.55: Vị trí đặt lõi sắt trong mâm xoay 77

Hình 4.56: Vị trí các thiết bị trong cơ cấu quấn 77

Hình 4.57: Vị trí MCB trong tủ điện 78

Hình 4.58: Các nút nhấn dùng để điều khiển máy 78

Hình 4.59: Cuộn dây đã quấn hoàn thiện 79

Hình 5.1: Khung máy sau khi hoàn thành 81

Hình 5.2: Bàn làm việc của máy 82

Hình 5.3: Lõi sắt sau khi được quấn hoàn thiện 83

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: So sánh động cơ BLDC với động cơ điện một chiều thông thường 3

Bảng 2.2: Cài đặt cường độ dòng điện 15

Bảng 2.3: Cài đặt vi bước cho driver 15

Bảng 3.1: Các ngõ vào được sử dụng 34

Bảng 3.2: Các ngõ ra được sử dụng 34

Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện 44

Bảng 4.2: Danh sách các thiết bị 49

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BLDC: Brushless Direct Current

UART: Universal Asynchronous Receiver – Transmitter

USART: Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter

MCB: Miniature Circuit Breaker

LSB: Least Significant Bit

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 1

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 2

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC (BRUSHLESS DIRECT CURRENT) 3 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 6

2.2.1 Vi điều khiển STM32F103C8T6 6

2.2.2 Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6: 7

2.2.3 Giao Tiếp UART: 8

a Các khái niệm liên quan đến giao tiếp qua module UART gồm: 9

b Giới thiệu chuẩn giao tiếp RS-485 9

c Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS-485 10

2.2.4 Nguồn tổ ong 24V-5A: 12

2.2.5 Động cơ bước 13

2.2.6 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước TB6600 14

2.2.7 Động cơ AC Servo (Megatorque Motor): 15

a Tính năng: 15

b Thông số kỹ thuật: 16

c Thông số kỹ thuật 18

2.2.8 Bộ lọc nhiễu: 18

2.2.9 Xi lanh 19

2.2.10 Cảm biến hành trình xi lanh D-Z73 20

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 24

3.1 GIỚI THIỆU 24

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 25

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 25

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 26

a Thiết kế khối cảm biến 26

b Thiết kế khối ngõ ra: 27

c Thiết kế khối ngõ vào: 29

d Thiết kết khối vi xử lý: 31

e Khối nguồn: 32

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch: 32

a Sơ đồ nguyên lý toàn mạch bộ điều khiển: 32

b Sơ đồ bố trí: 33

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 35

4.1 GIỚI THIỆU 35

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 35

4.2.1 Thi công board mạch 35

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 47

4.2.3 Lắp ráp tủ điện 48

4.2.4 Lắp ráp cảm biến 52

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 54

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 54

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 55

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 55

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 65

4.5 Phần mềm viết giao diện: 72

4.6 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 76

Chương 5: KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 80

5.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 80

5.2 ĐÁNH GIÁ NHẬN XÉT 83

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 84

6.1 KẾT LUẬN 84

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 84

Phụ Lục 86

Tài liệu tham khảo 102

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Các thành tựu đạt được ở nữa đầu thế kỷ XX trong lĩnh vực tự động hóa đã cho phép chế tạo ra nhiều loại máy tự động, liên kết giữa phần cứng và mềm góp phần thúc đẩy, phát triển và ứng dụng linh hoạt tự động hóa vào quy trình sản xuất công nghiệp

Từ thực tế quá trình thực tập và làm việc tại Công ty Trách nhiệm Hữu hạn Avant Garde Việt Nam, nhóm thực hiện đề tài đã được tiếp xúc, làm việc và nhận ra tầm quan trọng của

tự động hóa trong sản xuất công nghiệp Nhóm thực hiện đề tài đã nhận thấy một số công đoạn nhất định vẫn phụ thuộc vào lao động thủ công, cụ thể trong sản xuất stator động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC) Với cấu tạo gồm lõi sắt và các cuộn dây đồng quấn quanh các cặp cực, việc quấn dây đồng cho động cơ BLDC phức tạp hơn so với cách quấn dây động cơ xoay chiều thông thường Chính vì lý do đó, nên quá trình sản xuất động

cơ BLDC tại Công ty Trách Nhiệm Hữu Hạn Avant Garde Việt Nam còn nhiều công đoạn phải làm bằng phương pháp thủ công, dẫn đến năng suất còn thấp, chất lượng sản phẩm chưa cao

Nhằm khắc phục những hạn chế của việc quấn stator bằng tay như lỗi sản phẩm và tốn nhiều nhân công, nhóm thực hiện đã quyết định chọn đề tài: “Thiết kế và thi công máy tự động quấn dây cho stator động cơ BLDC” Đề tài này cũng là cơ hội để nhóm thực hiện có thể áp dụng những kiến thức đã được học ở trường vào nhìn nhận và giải quyết các vấn đề còn tồn tại trong quá trình sản xuất thực tế

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công máy tự động quấn dây cho stator động cơ BLDC

Máy vận hành hoạt động ổn định quấn được sản phẩm hoàn thiện

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 NỘI DUNG 1: nghiên cứu, tìm hiểu về cơ cấu của stator động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC)

 NỘI DUNG 2: Nghiên cứu, tìm hiểu về vi điều khiển STM32F4103, cách kết nối, giao tiếp với máy tính đọc tín hiệu, xuất xung

 NỘI DUNG 3: Tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị sử dụng trong mô hình điều khiển: driver AC servo, động cơ bước…

 NỘI DUNG 4: Nghiên cứu giải thuật, viết chương trình điều khiển

 NỘI DUNG 5: Dựa trên những nghiên cứu tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị điện cũng như cơ cấu của động cơ điện, tiến hành tính toán thiết kế và thi công mô hình (tủ điện,

cơ khí…)

 NỘI DUNG 6: Viết báo cáo thực hiện đồ án

 NỘI DUNG 7: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp

 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài

 Chương 3: Thiết Kế và Tính Tóan

Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài và các tính toán, thiết kế Chương gồm những phần như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán thiết kế mạch

 Chương 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Tính toán, thiết kế lắp ráp phần cơ khí, điện, viết chương trình điều khiển cho mô hình máy quấn dây tự động

 Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC (BRUSHLESS DIRECT CURRENT)

Động cơ một chiều không cổ góp (BLDC) từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong các

hệ truyền động công suất nhỏ (vài W đến vài chục W) như trong các ổ đĩa quang, quạt làm mát trong máy tính cá nhân, thiết bị văn phòng (máy in, scan…) Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được thiết kế rất đơn giản và có độ tin cậy cao

Mặc dù được gọi là động cơ một chiều nhưng thực chất động cơ BLDC thuộc loại động

cơ xoay chiều đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu Nhưng có một lý do của tên gọi “động

cơ một chiều không cổ góp” là nó được tạo ra nhằm loại bỏ những nhược điểm của động

cơ một chiều trong khi vẫn giữ được đặc tính mômen/tốc độ tuyến tính và những ưu điểm trong điều khiển của động cơ một chiều Cụ thể là động cơ một chiều thông thường có hiệu suất cao và đặc tính của chúng thích hợp với các truyền động servo Tuy nhiên có hạn chế

là trong cấu tại của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thành phần này dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bão dưỡng thường xuyên [1]

So sánh BLDC với động cơ một chiều thông thường:

Mặc dù đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và động cơ điện một chiều thông thường giống nhau, nhưng trên thực tế chúng có những khác biệt đáng kể, ở động cơ điện một chiều sự biến đổi chiều dòng điện nhờ vào hoạt động của cố góp và chổi than, nhưng với dộng cơ một chiều không chổi than, đổi chiều được thực hiện bằng cách sử dụng bán dẫn

Bảng dưới đây so sánh một số đặc tính cơ bản của hai loại động cơ

Bảng 2.1: So sánh động cơ BLDC với động cơ điện một chiều thông thường

Nội dung Động cơ điện một chiều thông

cổ góp

dễ bão dưỡng hoặc ít yêu cầu bão dưỡng

Phương pháp xác

định vị trí rotor

Tự động xác định bằng chổi than Sử dụng cảm biến vị trí:

Cấu tạo động cơ BLDC

Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện ghép với nhau) và các cuộn dây quấn Các lá thép và các cuộn dây được đặt trong các khe cắt phía trong của stator

Các bối dây được đặt trong khe và được nối liền nhau để tạo nên 1 cuộn dây, mỗi cuộn dây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các cực Cách bố trí và số rảnh trên stator của động cơ khác nhau thì cho ra số cực của động cơ khác nhau

Hình 2.1: Stator động cơ BLDC

Rotor của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh cửu được gắn trên đó theo các cách khác nhau Về cơ bản có hai phương pháp gắn các nam châm vĩnh cửu trên lõi rotor:

Rotor có nam châm gắn trên bề mặt lõi:

Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt lõi rotor Kết cấu này đơn giản trong chế tạo nhưng không chắc chắn nên thường được sử dụng trong phạm vi tốc độ trung bình và thấp

Hình 2.2: Rotor có nam châm gắn trên bề mặt

Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi:

Trong lõi rotor có các khe dọc trục và các thanh nam châm vĩnh cửu được chèn vào các khe này Kết cấu này khó khăn trong chế tạo và lắp ráp, đặc biệt là khi công suất lớn, nhưng chắc chắn và được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao

Hình 2.3: Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi

Trong động cơ BLDC, các nam châm vĩnh cửu trên rotor tạo ra từ trường hướng tâm

và phân bố đều dọc theo khe hở không khí giữa stato và rotor

Vật liệu làm nam châm thông thường là ferit, mặc dù giá thành rẻ nhưng mật độ từ trường thấp Các loại nam châm được sản xuất từ các hợp kim đất hiếm có mật độ từ trường

cao hơn, kích thước và trọng lượng thấp Điều này đặc biệt có ích đối với các động cơ công suất lớn

Hình 2.4: Các loại rotor của động cơ BLDC

Hall sensor: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor

Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh chip STM32F103C8T6

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh chip STM32F103C8T6

Thạch anh 8Mhz chân 8-9 tạo xung đòng hồ cho các hoạt động của hệ thống

Thạch anh 32.768 Khz chân 3-4 tạo xung dung cho đồng hồ thực và Watchdog

2.2.2 Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6:

ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz

 Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz

 Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC

 Trong trường hợp điện áp thấp:

 Có các mode: ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ

 Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin để hoạt động bộ RTC và sử dụng lưu trữ data khi mất nguồn cấp chính

 2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ

 Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V

 Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh

 Có cảm biến nhiệt độ nội

 DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không có sự can thiệp quá sâu của CPU

 7 kênh DMA

 Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART

 7 timer

 3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM

 1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ như ngắt input, dead-time

 2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi

 1 sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho các ứng dụng như hàm Delay…

 Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm:

 2 bộ I2C (SMBus/PMBus)

 3 bộ USART (ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control)

 2 SPIs (18 Mbit/s)

 1 be CAN interface (2.0B Active)

 USB 2.0 full-speed interface

 Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID

2.2.3 Giao Tiếp UART:

UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter có nghĩa là truyền

dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ UART là một mạch tích hợp được dùng trong truyền thông nối tiếp (Serial communication) qua port nối tiếp của máy tính hay thiết bị ngoại vi UART lấy từng byte dữ liệu, chuyển dữ liệu từ song song sang nối tiếp và truyền tuần tự từng bit riêng biệt lên kênh truyền nối tiếp Tại phía nhận, một khối UART khác sẽ tập hợp những bit nối tiếp nhận được lại thành các byte dữ liệu Để làm được những việc như vậy, bên trong UART có một thanh ghi dịch (shift register) đóng vai trò hỗ trợ chuyển đổi dữ liệu

từ dạng nối tiếp sang song song và ngược lại UART hỗ trợ truyền thông bất đồng bộ (asynchronous), nghĩa là dữ liệu truyền không phụ thuộc vào tín hiệu xung clock, do đó dữ liệu được truyền từ bên gửi sang bên nhận mà không cần phải có dây tín hiệu xung clock

nối giữa bộ truyền và nhận Những chip hiện đại tích hợp bộ UART hỗ trợ cả truyền thông đồng bộ và bất đồng bộ, chúng được gọi là USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)

a Các khái niệm liên quan đến giao tiếp qua module UART gồm:

 Tốc độ baud (baud rate): số bit truyền trong 1 giây

 Frame: là một khung dữ liệu gồm bit bắt đầu (start bit), bit kết thúc (stop bit), các bit dữ liệu (data bits), bit kiểm lỗi (parity bit)

 Start bit: là bit đầu tiên trong frame được truyền đi, báo hiệu với bên nhận rằng một frame dữ liệu đang tới

 Data bits: là dữ liệu cần truyền đi, số bit dữ liệu không bắt buộc phải là 8 bit, LSB (Least Significant Bit) sẽ được truyền trước

 Parity bit: bit kiểm tra lỗi của dữ liệu truyền

 Stop bit: bit chỉ báo gói dữ liệu đã được truyền xong

b Giới thiệu chuẩn giao tiếp RS-485

Khi một mạng cần phải chuyển các khối nhỏ thông tin trên một khoảng cách dài,

RS-485 thường là chuẩn giao tiếp được lựa chọn Các nút mạng có thể là máy tính cá nhân, vi điều khiển, hoặc bất kỳ thiết bị có khả năng truyền thông nối tiếp không đồng bộ, so với Ethernet và giao diện mạng khác, phần cứng và giao thức yêu cầu của RS-485 đơn giản hơn và rẻ hơn

Năm 1983, Hiệp hội công nghiệp điện tử (EIA) đã phê duyệt một tiêu chuẩn truyền cân bằng mới gọi là RS-485, Đã được chấp nhận rộng rãi và sử dụng trong công nghiệp, y

tế, và dân dụng Có thể coi chuẩn RS-485 là một phát triển của RS-232 trong việc truyền

dữ liệu nối tiếp Những bộ chuyển đổi RS-232/RS-485 cho phép người dùng giao tiếp với bất kỳ thiết bị mà sử dụng liên kết nối tiếp RS-232 thông qua RS-485 Liên kết RS-485 được hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển cho những ứng dụng Những đặc điểm nổi trội của RS-485 là nó có thể hỗ trợ một mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng một đường truyền, tốc độ baud có thể lên tới 115.200 cho một khoảng cách là 4000feet (1200m)

Với kiểu truyền cân bằng và các dây được xoắn lại với nhau nên khi nhiễu xảy ra ở dây này thì cũng xảy ra ở dây kia tức là hai dây cùng nhiễu giống nhau Điều này làm cho điện

áp sai biệt giữa hai dây thay đổi không đáng kể nên tại nơi thu vẫn nhận được tín hiệu đúng nhờ tính năng đặc biệt của bộ thu đã loại bỏ nhiễu Liên kết RS-485 được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nơi mà môi trường nhiễu khá cao và sự tin tưởng vào tính ổn định của hệ thống là điều quan trọng Bên cạnh đó khả năng truyền thông qua khoảng cách xa ở tốc độ cao cũng rất được quan tâm, đặc biệt là tại những nơi mà có nhiều trạm giao tiếp được trải ra trên diện rộng

c Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS-485

 Truyền dẫn cân bằng: Hệ thống truyền dẫn cân bằng gồm có hai dây tín hiệu A, B nhưng không có dây mass, sở dĩ được gọi là cân bằng là do tín hiệu trên dây này ngược với tín hiệu trên dây kia Nghĩa là dây này đang phát mức cao thì dây kia phải đang phát mức thấp và ngược lại

 Mức tín hiệu: với hai dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL được quy định khi áp của dây A lớn hơn dây B tối thiểu là 200mV, nếu điện áp VAB mà nằm trong khoảng -200mV < VAB< 200mV thì tín hiệu lúc này được xem như là rơi vào vùng bất định Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm trong khoảng –7V đến +12V

 Cặp dây xoắn: như chính tên gọi của nó, cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) đơn giản chỉ là cặp dây có chiều dài bằng nhau và được xoắn lại với nhau Sử dụng cặp dây xoắn sẽ giảm thiểu được nhiễu, nhất là khi truyền ở khoảng cách xa và với tốc độ cao

 Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn: phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có một trở kháng đặc tính (Characteristic impedence -Zo), điều này thường được chỉ rõ bởi nhà sản xuất Theo như khuyến cáo thì trở kháng đặc tính của đường dây vào khoảng từ 100 - 120Ω nhưng không phải lúc nào cũng đúng như vậy

 Điện áp kiểu chung: tín hiệu truyền dẫn gồm hai dây không có dây mass nên chúng cần được tham chiếu đến một điểm chung, điểm chung lúc này có thể là mass hay bất kì một mức điện áp cho phép nào đó Điện áp kiểu chung (Common-mode voltage -VCM) về mặt toán học được phát biểu như là giá trị trung bình của hai điện áp tín hiệu được tham chiếu với mass hay một điểm chung

 Vấn đề nối đất: tín hiệu trên hai dây khi được tham chiếu đến điểm chung là điểm nối đất thì khi đó nó cần được xem xét kỹ lưỡng Lúc này bộ nhận sẽ xác định tín hiệu bằng cách tham chiếu tín hiệu đó với đất của nơi nhận, nếu đất giữa nơi nhận và nơi phát có một

sự chênh lệch điện thế vượt qua ngưỡng cho phép thì tín hiệu thu được sẽ bị sai hoặc phá hỏng thiết bị Điều này cho thấy mạng RS-485 gồm hai dây nhưng có tới ba mức điện áp được xem xét Do đất là một vật dẫn điện không hoàn hảo nên nó có một điện trở xác định, gây ra chênh lệch điện thế từ điểm này tới điểm khác, đặc biệt là tại các vùng có nhiều sấm sét, máy móc tiêu thụ dòng lớn, những bộ chuyển đổi được lắp đặt và có nối đất

 Chuẩn RS485 cho phép chênh lệch điện thế đất lên tới 7V, lớn hơn 7V là không được Như vậy đất là điểm tham chiếu không đáng tin tưởng và một cách tốt hơn cho việc truyền tín hiệu lúc này là ta đi thêm một dây thứ ba, nó sẽ được nối mass tại nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu

 Điện trở đầu cuối: điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản là điện trở được đặt tại hai điểm tận cùng kết thúc của đường truyền Giá trị của điện trở đầu cuối lí tưởng là bằng giá trị trở kháng đặc tính của đường dây xoắn, thường thì vào khoảng 100 - 120Ω

 Nếu điện trở đầu cuối không phù hợp với giá trị trở kháng đặc tính của đường dây thì nhiễu có thể xảy ra do có sự phản xạ xuất hiện trên đường truyền, nhiễu ở mức độ nhỏ thì không sao nhưng nếu ở mức độ lớn thì có thể làm tín hiệu bị sai lệch Sau đây là hình minh họa dạng tín hiệu thu được khi dùng hai điện trở đầu cuối khác nhau

 Phân cực đường truyền: khi mạng RS-485 ở trạng thái rảnh thì tất cả các khối thu đều ở trạng thái lắng nghe đường truyền và tất cả khối phát đều ở trạng thái tổng trở cao cách li với đường truyền Lúc này trạng thái của đường truyền được xem là bất định

 Nếu -200mV ≤ VAB ≤ 200mV thì trạng thái logic tại ngõ ra khối thu sẽ mang giá trị của bit cuối cùng nhận được Điều này không đảm bảo vì đường truyền rảnh trong truyền

dữ liệu nối tiếp đòi hỏi phải ở mức cao để khối thu không hiểu nhầm là có dữ liệu xuất hiện trên đường truyền

 Để duy trì trạng thái mức cao khi đường truyền rảnh thì việc phân cực đường truyền (Biasing) phải được thực hiện Một điện trở R kéo lên nguồn ở đường A và một điện trở R kéo xuống mass ở đường B sao cho VAB ≥ 200mV sẽ ép đường truyền lên mức cao

 Để đáp ứng nhu cầu truyền thông công nghiệp, người ta sử dụng chuẩn truyền thông RS-485 khi cần tăng khoảng cách và tốc độ truyền thông (khoảng cách truyền thông tối đa 1.200m và vận tốc truyền lên đến 10Mbits/s) Nguyên nhân mà RS-485 có thể tăng tốc độ

và khoảng cách truyền thông là do RS-485 sử dụng phương pháp truyền 2 dây vi sai (vì 2

dây có đặc tính giống nhau, tín hiệu truyền đi là hiệu số điện áp giữa 2 dây do đó loại trừ được nhiễu chung) Mặt khác do chuẩn truyền thông RS-232 không cho phép có hơn 2 thiết bị truyền nhận tin trên đường dây trong khi đó với chuẩn RS-485 ta có thể nồi 32 thiết bị thu phát trên hai dây cho phép tạo thành một mạng cục bộ

2.2.4 Nguồn tổ ong 24V-5A:

 Điện áp đầu vào: AC 220V (Chân L và N)

 Điện áp đầu ra: DC 24V 5A (Chân dương V+, Chân Mass-GND: V-)

 VADJ: chiết áp điều chỉnh điện áp đầu ra

 Công suất 120W

 Điện áp ra điều chỉnh: +/-10%

 Phạm vi điện áp đầu vào: 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC

 Bảo vệ quá tải

 Bảo vệ quá áp

 Bảo vệ nhiệt độ cao

độ tùy ý và mỗi lần quay nó sẽ quay được 1 bước, mỗi bước ở đây là bao nhiêu còn phụ thuộc vào động cơ bước

Hình 2.7: Động cơ bước

Về hoạt động: động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stator theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

 Ưu điểm:

 Có thể điều khiển chính xác góc quay

Hình 2.8: Driver điều khiển động cơ bước

Thông số kĩ thuật:

 Nguồn đầu vào là 9V - 42V

 Dòng cấp tối đa là 4A

 Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao

 Có tích hợp đo quá dòng quá áp

 Cân nặng: 200G

 Kích thước: 96 * 71 * 37mm

Bảng 2.2: Cài đặt cường độ dòng điện

Bảng 2.3: Cài đặt vi bước cho driver

Vi bước Số xung trên 1

2.2.7 Động cơ AC Servo (Megatorque Motor):

a Tính năng:

 Truyền động trực tiếp: động cơ Megatorque được truyền tải trực tiếp mà không cần

sử dụng bộ giảm tốc cơ học, nên nó đạt được vị trí chính xác cao mà không bị phản ứng

ngược và mất chuyển động Megatorque Motor là động cơ servo trang bị bộ dò vị trí để tạo thành điều khiển vòng kín hoàn toàn

 Độ chính xác cao: động cơ có độ phân giải cao có 819 200 xung / vòng này góp phần vào độ lặp lại chính xác đặc biệt là ± 1,6 giây

 Độ tin cậy cao: động cơ Megatorque là một động cơ không chổi than và không sử dụng nam châm vĩnh cửu trong cấu trúc đơn giản của nó Nó được trang bị ổ trục chính xác và cứng, được đóng gói bằng mỡ bôi trơn, do đó mang lại độ tin cậy cao và hoạt động lâu dài ít cần bảo trì

Hình 2.9: Cấu tạo động cơ AC Servo

Hình 2.10: Sơ đồ mô tả kết nối thiết bị điều khiển Driver và động cơ AC Servo

Hình 2.11: Hình minh họa các thành phần của bộ Driver

(1) Đèn LED nguồn

(2) LED 7 đoạn

(3) CN1 (9 chân) Đầu nối cáp nối tiếp RS-232C

(4) CN2 (50 chân) Điều khiển động cơ đầu vào / đầu ra tín hiệu (I / O) kết nối

(5) CN3 (14 chân)

Đầu nối cáp Resolver Kết nối cáp motor

(6) CN4 Đầu nối cáp động cơ

(7) Thiết bị đầu cuối

 Điều kiện nhiệt độ làm việc: -20o ~70o C

 Chuẩn giao tiếp: không đồng bộ RS-232C, tôc dộ Baud: 9600b.p.s

 Tín hiệu ngõ ra vào I/O

 Tín hiệu đầu vào: dừng khẩn cấp, bật servo, giới hạn vị trí ban đầu

 Tín hiệu đầu ra: tín hiệu sẵn sàng điều khiển, vị trí phanh…

2.2.8 Bộ lọc nhiễu:

Chức năng:

 Lọc các xung điện áp gây nhiễu các thiết bị, sử dụng cho các bộ nguồn xung, máy hàn, UPS, Máy dệt, oscilloscopes, máy tính công nghiệp, bộ điều khiển, biến tần, driver servo, driver step, và các thiết bị khác

 Bộ lọc nhiễu đồng thời cũng lọc các sóng nhiễu sinh ra từ thiết bị quay ngược vào

hệ thống, sẽ giúp cho các thiết bị xung quanh hoạt động ổn định, chính xác, và tăng tuổi thọ

Hình 2.12: Bộ lọc nhiễm điện áp xoay chiều

Thông số kỹ thuật Bộ lọc nguồn 1 pha:

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý cảm biến D-Z73

Thông só kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động: 24VDC

 Dãi dòng điện hoạt động: 5-40 mA

 Trạng thái hiển thị hoạt động: led màu đỏ sáng

2.2.9 Cảm biến quang EE-SX671

Cảm biến giới hạn dùng để phát hiện giới hạn hành trình của vật chuyển động, các vật chắn ngang như giấy, kim loại…

 Loại cảm biến có đèn báo sự cố

 Khoảng cách phát hiện: 5 mm (slot width)

 Ngõ ra loại NPN, Dark ON và light-ON

 Connector: EE-1001, EE-1006, EE-1006A

 Đối tượng phát hiện: Loại vật đục (chắn sáng) kích thước nhỏ nhất 2 × 0.8 mm min

 Nguồn cung cấp: 5 to 24 VDC ±10%

Ngõ ra:

 NPN open collector: 5 to 24 VDC, 100 mA max

 Dark-ON/Light-ON (phát hiện có vật thì kích ngõ ra / không có vật thì kích ngõ ra Chọn Light-ON bằng cách nối dây chân 2 với nguồn 24VDC)

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý cảm biến quang EE-SX67

Chân (1): Vcc

Chân (2): L

Chân (3): OUTPUT

Chân (4): GND

2.2.10 Thiết bị tác động điều khiển

a MCB (Miniature Circuit Breaker)

Chức năng: đóng vai trò đảm bảo an toàn, đóng ngắt điện áp cung cấp cho toàn bộ hệ thống

Hình 2.18: Hình ảnh MCB

Thông số kỹ thuật:

 Dòng định mức: 20A

 Điện Áp định mức: 400V AC

 Công suất giới hạn (mức lớn nhất của dòng điện sự cố mà có thể an toàn): 4500A

 Dòng tiếp điểm: 18A

 Tiếp điểm phụ: 1NO+1NC

 Điện áp định mức: 415VAC

 Điện áp cuộn dây điều khiển AC: 220, 380V

 Số pha cực: 3P và 4P

 Nhiệt độ hoạt động: -5ºC ~ +40ºC

 Tiêu chuẩn bảo vệ: NXC-06M~38: IP20; NXC-40~100: IP10; NXC-120~630: IP00

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

 Ống dẫn dây đồng phải không làm trầy lớp cách điện bên ngoài dây đồng

 Cơ cấu xoay lõi sắt phải xoay được 360 độ

Hình 3.1: Hình ảnh mô phỏng máy quấn dây

Từ những ý tưởng về cơ cấu chấp hành, những người thực hiện đã thống nhất phương

án cơ khí, từ đó có cái nhìn sơ lược về các loại động cơ, xilanh để có thể lựa chọn các thiết bị điều khiển phù hợp nhất cho cơ cấu chấp hành

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Dựa trên cơ cấu chấp hành đã được bàn bạc và thống nhất, những người thực hiện đã

có những tìm hiểu và thiết kế nên một sơ đồ khối như sau:

Vi điều khiển STM32F103C8T6

Cảm Biến

Giao diện máy tính

Động cơ AC Servo

Hình ảnh mô tả kết nối các thiết bị:

Hình 3.3: Hình ảnh mô tả kết nối các thiết bị

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch

a Thiết kế khối cảm biến

Do hệ thống có sử dụng động cơ bước để điều khiển chuyển động tịnh tiến và AC Servo chuyển động quay cần giới hạn hành trình nên nhóm thực hiện đề tài quyết định lựa chọn cảm biến quang EE-SX 671A với thông số như sau:

Dãi điện áp hoạt động từ 5-24V

Đối tượng phát hiện: Loại vật đục (chắn sáng) kích thước nhỏ nhất 2 × 0.8 mm

Đấu nối đơn giản (Chọn Light-ON bằng cách nối dây chân 2 với nguồn 24VDC)

Hình 3.4: Sơ đồ kết nối cảm biến D-Z73

Xanh

Đối với xilanh dòng SMC nên ta chọn cảm biến Là loại cảm biến D-Z73 sử dụng chuyên cho các dòng xi lanh khí nén, xi lanh thủy lực của hảng SMC với thông số như sau:

LOAD

Hình 3.5: Sơ đồ kết nối cảm biến quang

Cảm biến được lựa chọn hoàn toàn phù hợp với yêu cầu chức năng và khối điều khiển

sử dụng nguồn 24V hiện tại

Tóm lại, hệ thống gồm 4 cảm biến:

 2 cảm biến hành trình xi lanh D-Z73 để phát hiện hành trình, giới hạn trong chuyển động của xilanh

 2 cảm biến quang EE-SX 671A để giới hạn chuyển động của động cơ bước, và động

cơ AC Servo

b Thiết kế khối ngõ ra:

Với yêu cầu thiết kế mạch có thể điều khiển 1 động cơ bước, 1 động cơ AC Servo, 1 van xi lanh Những người thực hiện đã chọn mạch ngõ ra có 8 kênh để có thể điều khiển được hết các thiết bị trên máy Ở đây nhóm chỉ trình bày cách thiết kế 1 kênh ngõ ra, các kênh còn lại tương tự

Mạch ngõ ra

OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 OUT5 OUT6 OUT7 OUT8 O8

O7 O6 O5 O4 O3 O2 O1

Hình 3.6: Sơ đồ khối mạch ngõ ra

Các chân O1, O2, O3, O4, O5, O6, O7, O8 là các chân tín hiệu nhận từ vi điều khiển, các chân OUT1, OUT2, OUT3, OUT4, OUT5, OUT6, OUT7, OUT8 là các chân tín hiệu ngõ ra dùng để điều khiển các thiết bị

Để có thể cách ly điện áp ở mạch xử lý và điện áp ở mạch ngõ ra Chọn opto TLP-280 làm linh kiện cách ly

Hình 3.7: Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa Ic và Vce trên opto TLP-280

Chế độ hoạt động của TLP281 ở vùng bão hòa, suy ra

𝑉𝐶𝐶 = 3.3𝑉, 𝑉𝐹𝑚𝑎𝑥 = 1.3𝑉, 𝐼𝐹𝑚𝑖𝑛 = 5𝑚𝐴

Để Opto hoạt động ở chế độ đóng cắt tốt hơn, chọn 𝐼𝐹 = 6𝑚𝐴

𝑅𝑁1𝐴 =3.3−1.3

0.006 = 333.33Ω (1)

Chọn 𝑅𝑁1𝐴 = 330Ω.

Chọn MOSFET 50N06 làm linh kiện khuyếch đại tín hiệu ngõ ra Vì MOSFET 50N06

có công suất hoạt động lên đến 130W

Để MOSFET 50N06 có thể hoạt động ở chế độ đóng cắt thì 𝑉𝐺𝑆 = 10𝑉

Với 𝐼𝐹 = 6𝑚𝐴 chọn 𝐼𝐶 = 4𝑚𝐴

𝑅1 =24−0.2−10

0.004 = 3450Ω (2) Chọn 𝑅1 = 3.3𝑘Ω.

Để hạn chế các xung gai làm hại tới MOSFET, dùng DO214AA mắc song song với cặp chân G và S của MOSFET, DO214AA cắt xung vọt lố quá 12V

Để chống dòng ngược từ các loại tải cảm có thể làm hư MOSFET, mắc song song Diode 1N4007 để chống dòng ngược

Mắc cầu chì tự phục hồi 5A để bảo vệ quá dòng cho ngõ ra

Sơ đồ nguyên lý cho một ngõ ra như sau:

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý 1 kênh mạch ngõ ra

c Thiết kế khối ngõ vào:

Với yêu cầu thiết máy có 4 cảm biến và 2 nút nhấn như đã trình bày trong phần trên Những người thực hiện đã chọn mạch ngõ vào có 8 kênh, với 2 kênh dự trữ cho các nâng