hệ thống tự động điều chỉnh pin năng lượng mặt trời dùng ARM STM32

Hệ thống tự động điều chỉnh pin mặt trời dùng 2 cảm biến quan trở gắn trên tấm pin sử dụng vi điều khiển ARM STM32 để điều khiển và động cơ bước để quay tấm pin. Khi có sự chênh lệch giữa 2 cảm biến thì hệ thống sẽ tự động điều chỉnh sao cho giá trị trên 2 cảm biến bằng hoặc xấp xỉ nhau thì dừng lại.

LỜI CAM ĐOAN

Nếu sai em xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

SINH VIÊN THỰC HIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

CHƯƠNG I 3

TỔNG QUAN VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

1.1 Vai trò của pin năng lượng mặt trời 3

1.2 Cấu tạo và nguyên lý ho ạt động của pin mặt trời 5

1.2.1 Cấu tạo 5

1.2.2 Nguyên lý hoạt động 6

1.3 Phương pháp ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời 6

1.3.1 Ghép nối tiếp các module mặt trời 7

1.3.2 Ghép song song các module mặt trời 7

1.3.3 Hiện tượng “điểm nóng” 8

1.4 Hệ thống nguồn pin năng lượng mặt trời 9

1.5 Bộ lưu giữ năng lượng 10

CHƯƠNG II 11

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO MODUL PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 11

2.1 Đặt vấn đề 11

2.2 Một số phương thức sử dụng trong điều hướng pin mặt trời 11

2.2.1 Giới thiệuchung 11

2.2.2 Đặc điểm hệ thống điều hướng pin mặt trời 12

2.2.3 Phương pháp thiết kế 12

2.3.Mạch điều khiển 15

2.3.1 Giới thiệu về dòng vi điều khiển STM32 15

2.3.2.Thông số kỹ thuật củaSTM32 17

2.4 Quang trở 18

2.4.1 Nguyên lý làm việc 19

2.4.2 Một số ứng dụng của quang trở 20

2.5 Động có bước 21

2.5.1 Giới thiệu 21

2.5.2 Nguyên lý hoạt động 22

2.5.3 Phân loại 22

CHƯƠNG III: 27

MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 27

3.1 Thiết kế mạch điều khiển 27

3.1.1 Mạch điều khiển 27

3.1.1.1 Yêu cầu chung và phần mềm thiết kế mạch điều khiển 27

3.1.1.2 Sơ đồ nguyên lí và nguyên lí làm việc 28

3.1.2 Mạch driver điều khiển động cơ bước 32

3.2 Viết chương trình đi ều khiển 35

3.2.1 Hướng dẫn tạo project mới 35

3.2.2 Lưu đồ thuật toán 44

3.2.3 Chương trình điều khiển 45

3.3 Mô hình thực nghiệm 53

MỞ ĐẦU

Năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời đã và đang được cả thế giới quan tâm nghiên cứu và sử dụng Trên thế giới, các nước phát triển đã có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và trong công nghiệp để thu được các nguồn năng lượng này Với

ưu điểm là sẵn có, dồi dào, là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, năng lượng mặt trời đang là giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái Đất Tại các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam việc sử dụng năng lượng mặt trời đã được quan tâm và khích lệ, tuy nhiên những ứng dụng còn rất hạn chế

Với mong muốn đưa những ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam được phổ biến và phát triển hơn nữa, đem những kiến thức đã học được áp dụng vào

thực tế sản xuất, vì vậy nhóm sinh viên chúng em đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời”

Nội dung đề tài gồm 3 chương:

Chương I: Tổng quan về pin năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt trời

Chương II: Thiết kế hệ thống điều khiển bám cho modul pin năng lượng mặt trời Chương III: Mô hình thực nghiệm và viết chương trình điều khiển

Sản phẩm làm ra là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và triển khai thực tế trên

cơ sở làm việc theo nhóm Đề tài là sự kết hợp giữa cơ điện tử, thiết kế kết cấu cơ khí, chọn động cơ và thiết kế chế tạo mạch điều khiển, xây dựng phần mềm điều khiển và lập trình

Đây là sản phẩm đầu tiên của nhóm sinh viên chúng em nên không thể tránh khỏi thiếu xót và hạn chế, chúng em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn

Chúng em xin cảm ơn Thầy Ths.Phạm Đức Khẩn, cùng các thầy cô trong bộ

môn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đề tài này, chúng em cũng xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo bộ môn đã tạo mọi điều kiện làm việc cũng như các trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua

Mục đích nghiên cứu của đề tài:

+ Tìm hiểu cơ bản về hệ thống nguồn năng lượng mặt trời, những lợi ích mà hệ thống mang lại

+ Thiết kế thành công hệ thống điều khiển bám cho module pin năng lượng mặt trời

Đối tƣợng nghiên cứu:

+ Các hệ thống năng lượng mặt trời tự xoay

+ Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo góc điều khiển

+ Mô hình thực tế

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết:

+ Dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán về sức bền, chi tiết máy, bài toán vị trí, động học, động lực học…để thiết lập công thức tính toán chung cho hệ dẫn động của hệ thống dàn xoay

+ Nghiên cứu lập trình trên phần mềm Keil C cho vi điểu khiển ARM STM32 và vẽ mạch trên phần mềm Altium

- Nghiên cứu thực nghiệm:

+ Khảo sát quy luật chuyển động của mặt trời tại một số vị trí địa lý của Việt Nam theo các mùa

+ Thiết kế và thực hiện thí nghiệm so sánh hiệu quả dàn pin tự xoay so với dàn cố định

+ Chế tạo mô hình thực nghiệm cho dàn tự xoay

Ý nghĩa của đề tài:

- Ý nghĩa khoa học:

+ Xây dựng cơ sở khoa học về việc chế tạo dàn năng lượng tự xoay

+ Chứng minh hiệu quả của việc ứng dụng dàn năng lượng tự xoay vào sinh hoạt nói riêng cũng như góp phần cải thiện môi trường, đẩy mạnh nguồn tài nguyên mới nói chung

Hải Dương, Ngày 18 Tháng 08 Năm 2017

Sinh viên thực hiện

Lê Ngọc Tuấn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Vai trò của pin năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng sạch và vô tận mà thiên nhiên ban tặng cho con người Một trong những kỹ thuật sử dụng năng lượng mặt trời là sản xuất điện năng – điện Mặt Trời Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng hai công nghệ: Công nghệ Mặt Trời và công nghệ pin Mặt Trời

Trong công nghệ nhiệt mặt trời người ta thường sử dụng hệ thống gương hội tụ

để thu năng lượng mặt trời tạo thành các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng cao và do

đó có nhiệt lượng rất cao, có thể làm bốc hơi nước ở nhiệt độ và áp suất lớn Hơi sinh

ra với áp suất lớn sẽ làm quay các tuabin để sản xuất điện năng

Công nghệ pin mặt trời là thiết bị sử dụng trực tiếp biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện nhờ vào các tế bào quang điện Pin mặt trời rất đơn giản, không

có phần chuyển động, không cần đòi hỏi chăm sóc bảo dưỡng thường xuyên như những hệ thống khác, đặc biệt không ô nhiễm môi trường nên đã được quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng ngày càng mạnh mẽ vào khoa học kỹ thuật cà cuộc sống

Ngày nay, con người đã sử dụng loại điện năng này để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lượng mặt trời, chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, bình nước nóng năng lượng mặt trời, nấu ăn năng lượng mặt trời Để thu năng lượng mặt trời, cách phổ biến nhất là sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời

Công nghệ năng lượng mặt trời có 2 hình thức hoạt động, hoặc thụ động, hoặc chủ động tùy thuộc vào cách chúng ta nắm bắt, chuyển đổi và phân phối năng lượng mặt trời Kỹ thuật năng lượng mặt trời chủ động bao gồm việc sử dụng các tấm quang điện và năng lượng mặt trời nhiệt thu để khai thác năng lượng Còn kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động có thể minh họa bằng việc hướng một tòa nhà về phía mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc ánh sáng phân tán và thiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên trong ngôi nhà đó để khai thác một cách hiệu quả lượng nhiệt thu được từ mặt trời Dưới đây là một số ứng dụng thiết thực của pin mặt trời:

* Xe điện:

Hình 1.1 Xe chạy bằng năng lượng mặt trời

Xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời thường được lắp một số tấm năng lượng mặt trời ở trên mui xe Xe sử dụng 4 tấm pin mặt trời, mỗi tấm có công suất 110W và sạc đầy trong 6 tiếng Mỗi lần sạc đầy xe có thể chạy khoảng 30 km và đạt tốc độ 20km/h Người lái xe có thể theo dõi lượng năng lượng tiêu hao và lượng năng lượng mặt trời thu được qua các loại đồng hồ đo lắp trên xe

* Sân vận động năng lượng mặt trời:

Hình 1.2 Sân vận động sử dụng năng lượng mặt trời

Sân vận động Verona’s Bentegoldi là khu phức hợp thể thao lớn nhất nước Ý có lắp đặt hệ thống pin mặt trời Hơn 13.000 tấm quang năng được lắp đặt tại sân vận động này đã cung cấp trên 1 MegaWatt/năm cho nhu cầu sử dụng điện của sân vận động, ước tính làm giảm phát thải CO2 trên 550 tấn/năm

* Nhà máy điện mặt trời:

Hình 1.3 Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời

Nhà máy được xây dựng chỉ trong 8 tháng với tổng kinh phí 679 triệu USD, gồm 2,5 triệu tấm pin mặt trời, bao phủ diện tích hơn 10,36km2

Công suất hoạt động của nó lên tới 648 MW, đủ khả năng cấp điện cho 150.000 hộ gia đình

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

ra bằng chính năng lượng mà tạo hóa đã ban cho con người – năng lượng mặt trời

Hình 1.4 Pin năng lượng mặt trời

Pin mặt trời ngày nay chủ yêu được sản xuất từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silic(Si)

có hóa trị IV Đối với pin mặt trời làm từ tinh thể Si, khi được chiếu sáng thì điện thế

hở mạch giữa hai bản cực khoảng 0,55V, dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 khoảng 30mA/cm2

Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời là thiết kế, chế tạo các pin gồm một số lớp tiếp xúc p – n để tăng cường khả năng hấp thụ photon có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ mặt trời

1.2.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p – n dưới tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp và cường độ đủ mạnh, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành và do tác dụng của điện trường tiếp xúc Etx nên các cặp tách ra và bị gia tốc về phía đối diện tạo ra một suất điện động quang điện

Nếu nối các đầu bán dẫn p và n bằng một dây dẫn thì trong dây dẫn sẽ xuất hiện một dòng điện gọi là dòng quang điện và cho ở mạch ngoài một công suất hữu ích Suất điện động quang điện xuất hiên trong lớp tiếp xúc p – n khi chiếu sáng nó phụ thuộc vào bản chất vật liệu tạo nên bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, cường độ bức xạ và bước sóng của ánh sáng tác động

1.3 Phương pháp ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời

Như ta đã biết các mô đun pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác đ ịnh

từ nhà sản xuất Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm môdun đó lại với nhau

Có hai cách ghép cơ bản:

- Ghép nối tiếp các tấm modul sẽ cho điện áp ra lớn hơn

- Ghép song song các tấm modul sẽ cho dòng điện ra lớn hơn

Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện

1.3.1 Ghép nối tiếp các module mặt trời

Giả sử các module đều giống nhau, có đường đặc tính V-A cũng giống nhau, các thông số dòng đoản mạch Isc, điện áp hở mạch Voc bằng nhau Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau Khi ghép nối tiếp các tấm module này ta sẽ có:

Hình 1.6 Ghép nối tiếp hai modul pin mặt trời

Khi đó ta sẽ có:

I = I1 = I2 = Ii

V = V1 + V2 +…+ Vi = Vt

P = Vt.I Trong đó:

+ I, P, V: là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ

+ Ii, Vi: là dòng điện, hiệu điện thế của modul thứ i trong hệ

1.3.2 Ghép song song các module mặt trời

Ở cách ghép này, ta cũng giả sử các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A cũng giống nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, điện áp hở mạch VOC bằng nhau Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau

Hình 1.7 Ghép song song hai modul pin mặt trời

Khi đó ta sẽ có:

V = V1 = V2 = Vi

I = I1 + I2 +…+ Ii = It

P = It.V Trong đó:

+ I, P, V: là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ

Ii, Vi: là dòng điện, hiệu điện thế của modul thứ i trong hệ

1.3.3 Hiện tượng “điểm nóng”

Xảy ra khi ta ghép nối các module không giống nhau, tức là khi các thông số ISC, VOC, của các module pin khác nhau Đây là hiện tượng tấm pin yếu hơn (tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn hoặc khi nó bị che nắng trong khi các pin khác trong dàn vẫn được chiếu sáng) sẽ hấp thụ hoàn toàn công suất điện

do các tấm pin khoẻ hơn phát ra và làm giảm công suất điện mạch ngoài Phần năng lượng điện tấm pin yếu nhận được từ tấm pin khoẻ hơn sẽ biến thành nhiệt, làm nóng tấm pin này lên và có thể dẫn tới hư hỏng Hiện tượng điểm nóng này chỉ xảy ra trên các pin yếu hơn các pin khác trong hệ, dẫn tới sự hư hỏng hệ hay làm giảm đáng kể hiệu suất biến đổi quang điện của hệ Để tránh hiệu ứng điểm nóng này, khi thiết kế phải ghép các tấm pin mặt trời cùng loại, có cùng các thông số đặc trưng trong một dàn pin mặt trời Vị trí đặt dàn phải tránh các bóng che do cây cối, nhà cửa hay các vật cản khác trong những ngày có nắng cũng như bảo vệ tránh bụi bẩn phủ bám lên một vùng nào đấy của tấm pin và có thể sử dụng các diode bảo vệ

Hình 1.8.Diode nối song song với module để bảo vệ dàn pin mặt trời

Nhìn trên hình vẽ, giả sử pin Ci là pin yếu nhất được bảo vệ bằng diode phân cực ngược chiều với dòng điện trong mạch mắc song song.Trong trường hợp hệ làm việc bình thường, các pin mặt trời hoạt động ở điều kiện như nhau thì dòng trong mạch không qua diode nên không có tổn hao năng lượng Khi có sự cố xảy ra, vì một nguyên

nhân nào đó mà pin Ci bị che và bị tăng nhiệt độ, điện trở của Ci tăng lên, lúc này dòng điện sẽ rẽ qua diode để tránh gây hư hỏng cho Ci Thậm chí khi Ci bị hỏng hoàn toàn thì hệ vẫn có thể tiếp tục làm việc

1.4 Hệ thống nguồn pin năng lƣợng mặt trời

Hiện nay có hai công nghệ chế tạo nguồn điện Pin năng lượng mặt trời thông dụng Đó là hệ nguồn điện pin mặt trời và hệ nguồn độc lập Trong hệ nguồn pin nối lưới, điên năng một chiều từ dàn pin được biến đổi thành dòng điện xoay chiều và hòa đồng bộ vào mạng lưới điện công nghiệp Ưu điểm của loại nguồn này là không phải

sử dụng bộ tích trữ năng lượng gây tốn kém và ô nhiễm môi trường Trong hệ nguồn điện pin mặt trời độc lập, người ta thường sử dụng cho những vùng không có lưới điện hoặc quy mô hộ gia đình Công nghệ này phần lớn được ưu tiên sử dụng cho những vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa bởi tính gọn nhẹ công suất phù hợp, điều khiển và

sử dụng dễ dàng Trong giới hạn của đề tài chúng em xin nghiên cứu loại hệ nguồn pin mặt trời độc lập

Theo đó, một hệ nguồn năng lượng pin mặt trời độc lập được định nghĩa là một

hệ thống các thiết bị bao gồm dàn pin mặt trời, bộ tích trữ năng lượng, bộ biến đổi điện

và tải tiêu thụ

Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ nguồn pin mặt trời độc lập

Dàn pin mặt trời gồm một hoặc một số môdul pin mặt trời ghép song song, nối tiếp hay hỗ hợp với nhau để có công suất điện, hiệu điện thế phù hợp với tải tiêu thụ Trong hệ thống nguồn điện pin mặt trời thì dàn pin có vai trò chủ đạo và chiếm đến 60% tổng chi phí đầu tư Dàn pin nhận ánh sáng mặt trời và biến đổi trực tiếp thành điện năng một chiều, điên năng này một phần được sử dụng trực tiếp cho tải tiêu thụ, một phần được tích trữ năng lượng nhờ bộ tích trữ sau đó được biến đổi thành điện xoay chiều

Bộ tích trữ năng lượng có vai trò quan trọng khi mà các tải tiêu thụ cần có năng lượng cung cấp một cách liên tục hoặc vào các thời điểm không có nắng

Năng lượng mà pin mặt trời thu được không ổn định vì thế để có thể ổn định điện

áp hay kiểm soát quá trình nạp điện cho ắc quy thì người ta phải chế tạo bộ điều phối năng lượng Bộ điều phối này có thể tự động nạp cho ắc quy khi ắc quy thiếu điện và

tự động dừng nạp khi ắc quy đầy tránh hiện tượng nổ hoặc ảnh hưởng tới tuổi thọ của

ắc quy

Các thiết bị sử dụng trong sinh hoat chủ yếu là các thiết bị điện xoay chiều, vì thế, để

có thể sử dụng chúng từ nguồn điện một chiều thu được chúng ta phải sử dụng một

thiết bị biến đổi điện năng từ một chiều thành xoay chiều hay còn gọi là bộ nghịch lưu điện áp (inverter)

1.5 Bộ lưu giữ năng lượng

Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều

phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV.Phổ biến nhất vẫn là sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng.Ắc quy là thiết bị điện hoá, tồn trữ dưới dạng hoá năng và khi có phụ tải sử dụng đấu nối vào, hoá năng được giải phóng dưới dạng điện năng Bộ ắc quy giúp lưu giữ điện năng chưa sử dụng và sẽ cung cấp cho bộ biến đổi DC/AC trong trường hợp khí hậu xấu, trời nhiều mây mưa không cung cấp đủ ánh sáng Bộ ắc quy cũng đồng thời trực tiếp cung cấp điện một chiều cho các thiết bị sử dụng điện một chiều Cấu tạo của ắc quy gồm hai điện cực khác nhau đặt trong dung dịch điện phân,

có màng ngăn cách Do điện thế của mỗi điện cực đối với dung dịch khác nhau nên

giữa hai điện cực có hiệu điện thế, nếu nối với mạch ngoài có thể sinh ra dòng điện

Có hai loại ắc quy thông dụng là ắc quy chì - axit và ắc quy kiềm

CHƯƠNG II THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO MODUL PIN NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Đặt vấn đề

Trong hệ nguồn pin mặt trời, thành phần quan trọng nhất là dàn pin Tùy thuộc vào công suất của hệ, dàn pin có thể có diện tích chỉ khoảng 0,5m2 nhưng cũng có thể

có diện tích đến hàng chục hay hàng trăm m2 Với pin mặt trời tinh thể silic hiện nay thì một panel pin công suất khoảng 100W có diện tích 1m2

Việc định hướng pin mặt trời là công việc cần được quan tâm đặc biệt vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến điện năng do dàn pin phát ra hàng ngày

Như chúng ta đã biết, Trái Đất phải thực hiện cùng một lúc hai chuyển động, một chuyển động quanh chính trục của nó và một chuyển động xung quanh mặt trời Vì vậy, từ Trái Đất ta có thể coi Mặt Trời “chuyển động” hàng ngày trên bầu trời từ Đông sang Tây và lệch theo hướng Bắc – Nam so với đường xích đạo theo một đường hình sin, đạt vị trí cực Bắc ở vĩ độ 23,45 vào ngày Hạ Chí (21-6) và đạt vị trí cực Nam ở vĩ

độ -23,45 vào ngày Đông Chí (21-12) hàng năm Do vậy phương của mặt trời so với một mặt cố định nào đó đặt trên mặt đất biến thiên liên tục và phức tạp

Về mặt lí thuyết để thu được năng lượng mặt trời một cách triệt để, tức là làm cho lượng bức xạ mặt trời chiếu vào dàn pin là tối đa ở mọi thời điểm trong ngày thì ta phải làm cho dàn pin luôn hướng về mặt trời Muốn vậy dàn pin phải quay theochuyển động của mặt trời

Một hệ thống có thể tự động định hướng pin mặt trời như vậy được gọi là hệ thống điều khiển bám cho modul pin năng lượng mặt trời

2.2 Một số phương thức sử dụng trong điều hướng pin mặt trời

2.2.1 Giới thiệuchung

Một bảng điều khiển năng lượng mặt trời nhận được đầy đủ ánh sáng mặt trời khi nó chiếu tia sáng mặt trời vuông góc với tấm pin năng lượng, nhưng ánh sáng mặt trời có hướng thay đổi thường xuyên theo giờ và với các mùa thay đổi thời tiết Hiện nay, hầu hết các tấm pin mặt trời được cố định, tức là các mảng năng lượng mặt trời có một hướng cố định trên bầu trời và không chuyển theo hướng ánh nắng mặt trời Để tăng đơn vị diện tích chiếu sáng của ánh sáng mặt trời trên các tấm pin mặt trời, chúng ta thiết kế một hệ thống định hướng theo mặt trời Cơ chế thiết kế giữ bảng điều khiển năng lượng mặt trời và cho phép bảng điều khiển thực hiện theo dõi sự chuyển động của mặt trời vào ban ngày và cải thiện thế hệ điện tổng thể Hệ thống này có thể đạt được sự tập trung năng lượng chiếu sáng tối đa nhằm đạt hiệu suất cao nhất

2.2.2 Đặc điểm hệ thống điều hướng pin mặt trời

Do hệ thống pin mặt trời tập trung chỉ có khả năng hấp thụ các tia sáng trực tiếp, nên đòi hỏi phải có bộ phận hướng nắng (solar tracker) đi kèm để tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng mặt trời Có hai hình thức cơ bản để hệ thống định hướng theo mặt trời

đó là hướng chủ động và hướng bị động:

- Hướng đi của mặt trời là di chuyển từ hướng đông sang hướng tây luôn cố định do đó

hệ thống hoạt động theo hướng bị động được áp dụng bằng cách tính toán khoảng thời gian trong ngày mà điều khiển hệ thống sao cho vị trí đó là góc hướng mặt trời chiếu vào tấm pin năng lượng là tốt nhất

- Hình thức hướng chủ động của một hệ thống là nó có khả năng dò được vị trí ánh sáng đâu là mạnh nhất, bất kể ngày hay đêm mà hệ thống có thể xác định được

Ngoài ra có thể áp dụng cả hai hình thức vào cùng một hệ thống sao cho hiệu suất hoạt động ổn định hiệu quả nhất

Hình 2.1.Hướng và góc mặt trời để điều khiển

2.2.3 Phương pháp thiết kế

Mặt trời di chuyển từ hướng đông sang hướng tây Để thu nhận được năng lượng điện tối đa từ tấm pin năng lượng mặt trời ta phải tập trung tối đa cường độ ánh sáng chiếu trên bề mặt tấm pin năng lượng Việc hấp thụ ánh sáng của một tấm pin năng lượng mặt trời phụ thuộc vào vị trí góc của nó so với ánh nắng mặt trời Một tấm pin mặt trời phải luôn vuông góc 90 độ so với ánh nắng mặt trời để được mức năng lượng tối đa, được thực hiện bằng cách sử dụng một hệ thống theo dõi

Có nhiều phương pháp để thiết kế hệ thống theo dõi đang tồn tại nhưng khác nhau về độ tin cậy của hệ thống, chi phí và độ chính xác Một hệ thống theo dõi thông minh cần phải được lựa chọn khôn khéo để đảm bảo rằng phương pháp lựa chọn là làm tăng sản lượng điện nhận được thay vì giảm nó Có vài loại hệ thống điều khiển theo hướng năng lượng mặt trời, nhưng mỗi loại sử dụng những cơ chế chuyển động theo hướng khác nhau:

- Hình thức định hướng bị động: Những hệ thống định hướng này không sử dụng động

cơ, thay vào đó lựa chọn cho hệ thống này có thể sử dụng hệ thống hóa học hay cơ khí Một ý tưởng cổ điển hiện nay ít được sử dụng là áp dụng nguyên lý giản nở nhiệt của vật liệu như là một phương pháp để định hướng Một tấm hợp kim sẽ được đặt hai bên của hệ thống, khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vuông góc với tấm pin năng lượng thì 2 bên của tấm hợp kim sẽ cân bằng Khi mặt trời di chuyển, một trong hai bên của vật liệu sẽ được làm nóng và gây ra giản nở về mặt cơ khí Hệ thống sẽ xoay sao cho ánh sáng cân bằng trên 2 tấm hợp kim Ngoài ra có thể dùng phương pháp mất cân bằng áp suất khí nén bên trong bình chất lỏng làm nghiêng bảng điều khiển từ bên này sang bên kia dựa vào sức nóng của mặt trời Những hệ thống định hướng bị động này thông thường sử dụng ít năng lượng hoạt động hơn.Chi phí thiết kế ít tốn kém, yêu cầu bảo trì bảo dưỡng ít hơn và hiệu suất hoạt động cũng tương đối

- Hình thức theo dõi chủ động: Có hai loại chính cho hệ thống theo dõi là hệ thống

quang điện và hệ thống bộ vi điều khiển hay hệ thống máy tính Hệ thống vi điều khiển hay hệ thống máy tính là một sự kết hợp của điện trở, tụ điện, bộ khuếch đại, cổng logic, diode và bóng bán dẫn được sử dụng để tạo thành một mạch so sánh và mạch điều khiển Ngõ ra của mạch so sánh sẽ được đưa vào mạch điều khiển để mở nguồn cấp cho động cơ quay và thay đổi hướng sao cho nhận được nhiều ánh sáng nhất làm cho bảng điều khiển tấm pin năng lượng được vuông góc với mặt trời

- Hình thức theo dõi thời gian: Hình thức theo dõi độc đáo này hoạt động theo hướng

mặt trời nhưng không được chính xác hoàn toàn Bộ theo dõi này chứa một bộ đếm thời gian và một động cơ tương tự như bộ theo dõi chủ động bằng cách lập trình sẵn khoảng thời gian trong ngày, góc quay và các yếu tố khác Với hệ thống này, hoạt động chưa thật sự tối ưu khi mà khoảng thời gian theo từng mùa trong năm và các năm không giống nhau chính vì vậy việc tính toán các khoảng thời gian để điều khiển góc quay sẽ thêm phức tạp và độ chính xác chưa cao Những bộ theo dõi này thường chi phí thấp, hoạt động một cách máy móc đã được định sẵn và cần phải được kiểm tra định kì vào các mùa mỗi năm Hình thức chung của hệ thống điều hướng pin mặt trời: xoay 1 trục và xoay 2 trục

Với hệ thống dàn xoay 1 trục thường được áp dụng đối với những vùng nằm trong đường xích đạo của trái đất Tức là mặt trời di chuyển từ hướng đông sang

hướng tây thẳng đứng so với mặt đất, vì vậy các tấm pin năng lượng được đặt sẽ được chiếu vuông góc đạt hiệu quả tối đa hơn Việc bố trí những dàn xoay này cần phải xem xét để tránh những dàn xoay khác bị khuất bóng giảm hiệu suất làm tổn thất năng lượng thất thoát và không gian mặt đất bố trí tránh bị lãng phí.Hệ thống dàn xoay 2 trục thường được áp dụng đối với những vùng nằm ở gần phía 2 cực của trái đất Như vậy góc quay của mặt trời sẽ không thẳng đứng nữa mà sẽ di chuyển theo một hình vòng cung Hệ thống dàn xoay 2 trục với hai bậc tự do hoạt động như trục quay Trên trục được cố định đối với mặt đất coi như là trục chính, trục được tham chiếu với trục chính được gọi là trục thứ cấp.Bố trí thường phải xem xét góc che để tránh tổn thất không cần thiết và tiết kiệm không gian bố trí mặt đất

Hình 2.2 (a): Dàn xoay 1 trục, (b): Dàn xoay 2 trục

Đặc điểm của 2 phương pháp hệ thống định hướng dàn xoay 1 trục và 2 trục:

* Hệ thống định hướng dàn xoay 1 trục:

- Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây bằng cách sử dụng một trục duy nhất

- Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 34%

- Thiết kế đơn giản, hiệu quả, bảo dưỡng thấp

- Chi phí thấp hơn so với trục kép

- Giảm thấp khả năng hư hỏng

* Hệ thống định hướng dàn xoay 2 trục:

- Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây, và phía Bắc đến phía Nam bằng cách sửdụng hai trục quay

- Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 37%

- Thiết kế phức tạp hệ thống các cảm biến và điều khiển động cơ

- Chi phí đầu tư cao hơn do các bộ phận bổ sung và thời gian lắp

- Chi phí bảo trì cao hơn

- Các bộ phận bổ sung thêm tăng thêm khả năng hư hỏng

Dựa trên những phân tích, so sánh đặc điểm của 2 hệ thống trên đây, nhóm em lựa chọn phương án hệ thống định hướng dàn xoay 1 trục

Các nghiên cứu của thế giới đã chỉ ra hệ thống định hướng theo trục kép chỉ có thể tăng thêm thêm 3% năng lượng so với trục đơn Với chi phí thiết bị, chi phí bảo trì cao hơn, và có thời gian ngừng để sửa chữa cao, hệ thống định hướng theo trục kép thực tế có thể ít khả năng phát triển mạnh như loại một trục

2.3.Mạch điều khiển

2.3.1 Giới thiệu về dòng vi điều khiển STM32

Những đặc điểm nổi trội của dòng ARM Cortex đã thu hút các nhà sản xuất IC, hơn 240 dòng vi điều khiển dựa vào nhãn Cortex đã được giới thiệu Không nằm ngoài

xu hướng đó, hãng sản xuất chip ST Microelectronic đã nhanh chóng đưa ra dòng STM32 STM32 là vi điều khiển dựa trên nền tảng lõi ARM Cortex-M3 thế hệ mới do hãng ARM thiết kế Lõi ARM Cortex-M3 là sự cải tiến từ lõi ARM7 truyền thống từng mang lại thành công vang dội cho công ty ARM

ST đã đưa ra thị trường 4 dòng vi điều khiển dựa trên ARM7 và ARM9, nhưng STM32 là một bước tiến quan trọng trên đường cong chi phí và hiệu suất (price/performance), giá chỉ gần 1 Euro với số lượng lớn, STM32 là sự thách thức thật

sự với các vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống STM32 đầu tiên gồm 14 biến thể khác nhau, được phân thành hai dòng: dòng Performance có tần số hoạt động của CPU lên tới 72Mhz và dòng Access có tần số hoạt động lên tới 36Mhz Các biến thể STM32 trong hai nhóm này tương thích hoàn toàn về cách bố trí chân (pin) và phần mềm, đồng thời kích thước bộ nhớ FLASH ROM có thể lên tới 512K và 64K SRAM

Hình 2.3 Hình ảnh bộ kit STM32

Một vài đặc điểm nổi bật của STM32:

* Sự tinh vi:

Thoạt nhìn thì các ngoại vi của STM32 cũng giống như những vi điều khiển khác, như 2 bộ chuyển đổi ADC, Timer, I2C, SPI, CAN, USB và RTC Tuy nhiên, mỗi ngoại vi trên đều có những đặc điểm rất thú vị Ví dụ như bộ ADC 12-bit có tích hợp một cảm biến nhiệt độ để tự động hiệu chỉnh khi nhiệt độ thay đổi và hỗ trợ nhiều mode chuyển đổi Mỗi bộ timer có 4 khối capture compare, mỗi khối timer có thể liên kết với các khối timer khác để tạo ra một mảng các timer tinh vi Một timer cao cấp chuyên hỗ trợ điều khiển động cơ, với 6 đầu ra PWM với dead time lập trình được và một đường break input sẽ buộc tín hiệu PWM sang một trạng thái an toàn đã được cài đặt sẵn Ngoại vi nối tiếp SPI có một khổi kiểm tổng CRC bằng phần cứng cho 6 và 18 word hỗ trợ tích cực cho giao tiếp thẻ nhớ SD hoặc MMC

STM32 có hỗ trợ thêm 7 kênh DMA (Direct Memory Access) Mỗi kênh có thể được dùng để truyền dữ liệu đến các thanh ghi ngoại vi hoặc từ các thanh ghi ngoại vi

đi với kích thước từ (word) liệu truyền đi có thể là 8/16 hoặc 32-bit Mỗi ngoại vi có thể có một bộ điều khiển ngoại vi DMA (DMA cotroller) đi kèm dùng để gửi hoặc đòi hỏi dữ liệu như yêu cầu Một bộ phân xử bus nội (bus arbiter) và ma trận bus (bus matrix) tối thiểu hóa sự tranh chấp bus giữa truy cập dữ liệu thông qua CPU (CPU data access) và các kênh DMA Điều đó cho phép đơn vị DMA hoạt động linh hoạt, dễ dùng và tự động điều khiển các luồng dữ liệu bên trong vi điều khiển

STM32 là một vi điều khiển tiêu thụ năng lượng thấp và đạt hiệu suất cao Nó có thể hoạt động ở điện áp 2V, chạy ở tần số 72Mhz và dòng tiêu thụ chỉ có 36mA với tất

cả các khối bên trong vi điều khiển đều được hoạt động Kết hợp với các chế độ tiết kiệm năng lượng của Cortex.STM32 chỉ tiêu thụ 32μA khi ở chế độ standby Một bộ dao động nội RC 8Mhz cho phép chip nhanh chóng thoát khỏi chế độ tiết kiệm năng lượng trong khi bộ dao động ngoài đang khởi động Khả năng nhanh đi vào và thoát khỏi chế độ tiết kiệm năng lượng làm giảm nhiều sự tiêu thụ năng lượng tổng thể

Hệ thống bảo vệ xung nhịp có thể phát hiện lỗi của bộ dao động chính bên ngoài (thường là thạch anh) và tự động chuyển sang dùng bộ dao động nội RC 8Mhz

* Tính bảo mật:

Một trong những yêu cầu khắt khe khác của thiết bị hiện đại là nhu cầu bảo mật

mã chương trình để ngăn chặn sao chép trái phép phần mềm Bộ nhớ Flash của STM32 có thể được khóa để chống truy cập đọc Flash thông qua cổng debug Khi tính năng bảo vệ đọc được kích hoạt, bộ nhớ Flash cũng được bảo vệ chống ghi để ngăn chặn mã không tin cậy được chèn vào bảng vector ngắt Hơn nữa bảo vệ ghi có thể được cho phép trong phần còn lại của bộ nhớ Flash STM32 cũng có một đồng hồ thời gian thực và một khu vực nhỏ dữ liệu trên SRAM được nuôi nhờ nguồn pin Khu vực này có một đầu vào chống giả mạo, có thể kích hoạt một sự kiện ngắt khi có sự thay đổi ở trạng thái đầu vào này Ngoài ra một sự kiện chống giả mạo sẽ tự động xóa dữ liệu được lưu trữ trên SRAM được nuôi bằng nguồn pin

2.3.2.Thông số kỹ thuật củaSTM32

Chip ARM hiện nay được sử dụng phổ biến trên thế giới với số lượng thiết bị lên tới hàng tỷ thiết bị, với cầu hình cao và giá thành rẻ nhưng vẫn đáp ứng được những yêu cầu khắt khe trong dân dụng và công nghiệp kit STM32 là thiết bị không thể thiếu cho những kỹ sư, sinh viên muốn nghiên cứu về lập trình

Hình 2.4 Cấu trúc kit STM32

- Thông số kỹ thuật cơ bản của STM32:

+ Kit sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 nhân Cortex-M3

+ Tốc độ: 72Mhz

+ Số chân: 48 chân

+ Flash: 64KB giúp bạn phát triển những ứng dụng nặng nề dùng OS nhúng

+ Ram: 20KB

+ Timer: 24bit & 16 bit

+ Hỗ trợ nhiều loại bộ nhớ rời: NOR/ NAND FLASH, SRAM, PSRAM

+ USB: 2.0, DMA

+ Kết nối: SPI, USART, I2C, I2S, CAN

+ RTC độ chính xác cao, hỗ trợ lịch trong phần cứng

+ Chip có cảm biến nhiệt độ

+ Nhiều I/O hỗ trợ 5V không như các loại ARM khác trên thị trường chi sử dụng 3.3v

HÌnh 2.5 Sơ đồ chân vi điều khiển STM32F103C8T6

- Ứng dụng:

+ Điều khiển động cơ

+ Thiết bị cầm tay và thiết bị y tế

+ Ứng dụng trong công nghiệp

theo ánh sáng chiếu vào, đó là điện trở phi tuyến Quang trở được dùng làm cảm biến ánh sáng trong các mạch dò, như trong mạch đóng cắt đèn sáng tối, mạch điều hướng pin mặt trời,…

Hình 2.6 Quang trở

2.4.1 Nguyên lý làm việc

Quang trở làm bằng chất bán dẫn trở kháng cao, và không có lớp tiếp giáp nào.Trong bóng tối, quang trở có điện trở đến vài MΩ Khi có ánh sáng, điện trở giảm xuống mức vài trăm Ω Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất Khi photon ánh sáng có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong khối chất và làm chất bán dẫnthành dẫn điện Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ

Hình 2.7 Kí hiệu quang trở trong mạch

Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác nhau với bước sóng photon khác nhau Quang trở phản ứng trễ hơn diode quang, cỡ 10 ms, nên nó tránh được thay đổi nhanh của nguồn sáng

* Vật liệu:

- Sunfua cadmi (CdS) và selenua cadmi (CdSe) nhưng tại Châu Âu đang cấm dùng Cadmi

- Sunfua chì (PbS) và indi antimonit (InSb) được sử dụng cho vùng phổ hồng ngoại

- Gecu là loại cảm biến dò hồng ngoại tốt nhất, được sử dụng trong thiên văn và vùng quang phổ hồng ngoại

*Thông số kỹ thuật quang trở:

Hình 2.8 Mạch báo động dùng quan trở

Người ta cũng có thể dùng mạch như trên, với tải là một bóng đèn để có thể cháy sáng về đêm và tắt vào ban ngày Hoặc có thể tải là một rơle để điều khiển một mạch báo động có công suất lớn hơn

b Mạch tự động mở điện về đêm dùng điện AC:

Hình 2.9 Mạch tự động mở điện về đêm dùng điện AC

Ban ngày, trị số của quang điện trở nhỏ Điện thế ở điểm A không đủ để mở Diac nên Triac không hoạt động, đèn tắt về đêm, quang trở tăng trị số, làm tăng điện thế ở điểm A, thông Diac và kích Triac dẫn điện, bóng đèn sáng lên

2.5 Động có bước

2.5.1 Giới thiệu

Động cơ bước hay còn gọi là động cơ step là loại động cơ tạo ra chuyển động quay khi có dòng điện chạy qua motor Kích thước của động cơ bước lớn hay nhỏ tùy vào công suất của chúng Khác với động cơ DC thông thường, động cơ step chãy theo từng bước đúng như tên gọi của chúng Tuy nhiên, ta có thể bắt chúng chạy liên tục như động cơ DC bằng cách áp dụng các dạng sóng điều khiễn thích hợp lên động cơ bước Phần sau mô tả một số loại động cơ bước thông dụng

Hình 2.10 Động cơ bước

Động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển và đo lường Một vài ứng dụng đơn giản của động cơ bước như: XY table (CNC – close loop control), boat loader (Furnace System), bơm lưu lượng,… Ngoài ra động cơ bước (STEP) còn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống máy từ đơn giản đến phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao STEP có các đặc tính cơ bản sau:

- Brushlesss (không chổi than): STEP là loại động cơ không chổi than

- Load Independent (độc lập với tải): động cơ bước quay với tốc độ ổn định trong tầm moment của động cơ

- Open loop positioning (điều khiển vị trí vòng hở): thông thường chúng ta có thể đếm xung kích ở động cơ để xác định vị trí mà không cần phải có cảm biến hồi tiếp vị trí, nhưng đôi khi trong những ứng dụng đòi hỏi tính chính xác cao STEP thường được sử dụng kết hợp với các cảm biến vị trí như: encoder, biến trở,…

- Holding Torque (moment giữ): STEP có thể giữ được trục quay của nó, so với động

cơ DC không có hộp số thì moment giữ của STEP lớn hơn rất nhiều

- Excellent Response (đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và đảo chiều quay một cách dễ dàng

2.5.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Trong hình 3a), dòng điện đưa vào cực ̅ và chạy ra ở C, do đó tạo ra lực từ giữ động cơ ở vị trí như hình 3a) Sau đó, chúng ta tắt dòng điện này đi và chuyển sang cặp ̅ và A, như vậy động cơ sẽ bị xoay về vị trí mới do lực từ thay đổi hướng Sau đó đến cặp B và ̅ Như vậy, bằng cách tạo các dòng điện chạy qua các cuộn dây, ta đã làm xoay roto theo chiều mong muốn, mỗi lần quay một bước khoảng cách giữa hai cuộn dây sát nhau Như vậy nếu ta đặt các cuộn dây càng sát nhau thì ta có độ phân giải càng cao, các động cơ trong thực tế có thể đạt tới độ phân giải góc 1.80

2.5.3 Phân loại

Có 3 loại động cơ bước cơ bản:

- Động cơ nam châm vĩnh cửu

-Động cơ từ trở thay đổi

- Động cơ lai (kết hợp giữa hai loại động cơ trên)

STEP nam châm vĩnh cửu là động cơ có rotor được từ hóa, trong khi STEP từ trở thay đổi có rotor được xẻ rãnh nhỏ, và động cơ lai kết hợp cả hai kĩ thuật trên tạo thành

Stator của STEP có nhiều cuộn dây quấn trên nó.Sự sắp xếp các cuộn dây này tạo nên

hệ số thứ cấp, hệ số này sẽ phân biệt thành các loại động cơ khác nhau STEP nam châm vĩnh cửu và loại STEP lai có thể được kết liên kết lại với nhau để phân biệt thành các chủng loại motor: đơn cực, lưỡng cực, và STEP hai dây song song

a STEP từ trở thay đổi:

STEP từ trở thay đổi bao gồm 3 cuộn dây được nối chung ở một đầu, stator STEP có 6 cực và rotor có 4 răng Chúng ta có thể nhìn vào hình thì cuộn dây 1 đang được cấp điện, vì thế răng X ở vị trí cực 1 Sau đó khi cuộn 2 được cấp điện lực từ sinh

ra sẽ hút đầu Y về cực 2, và trong trường hợp này nếu cuộn 3 được cấp điện thì răng Y

sẽ di chuyển về phía cực 3 lúc đó động cơ STEP sẽ di chuyển ngược chiều kim đồng

hồ Như vậy chúng ta thấy mỗi bước động cơ di chuyển là 30 độ, và để thực hiện một vòng thì STEP phải di chuyển 12 bước

Hình 2.12 Động cơ bước từ trở thay đổi

- Cuộn dây 1: 1001001001001

- Cuộn dây 2: 0100100100100

- Cuộn dây 3: 0010010010010

Trên thực tế thì động cơ STEP từ trở thay đổi có số cực và số răng nhiều hơn để

di chuyển những bước nhỏ hơn STEP loại này có thể đạt tới 1 độ / bước

b STEP đơn cực:

STEP loại đơn cực bao gồm 2 cuộn dây, mỗi cuộn được nối ra ngoài ở giữa cuộn,

vì vậy thông thường trên thực tế đây là loại động cơ 5 hoặc 6 dây ra, STEP loại này được điều khiển bẳng cách cho đầu dây chung nối lên nguồn và từng đầu dây còn lại lần lượt được nối mass

Hình 2.13 SYEP loại đơn cực

STEP loại đơn cực hoạt động giống như tất cả động cơ STEP nam châm vĩnh cửu

và STEP lai, nghĩa là nó hoạt động trên nguyên tắc dòng từ thông ngắn nhất giữa cực stator và răng rotor STEP hoạt động dựa trên lực hút giữa cực bắc và cực nam của rotor được nhiễm từ vĩnh cửu và cực của stator tạo ra do chiều dòng điện chạy qua stator Cực bắc và nam trên rotor nam châm vĩnh cửu đã được từ hóa trước, và cực từ của stator được quy định tùy theo chiều di chuyển của dòng điện qua các cực stator, và trên nguyên tắc từ thông sẽ hướng từ cực bắc đến cực nam

Trên hình vẽ chúng ta thấy cuộn dây 1a được cấp điện chạy theo hướng từ trên xuống dưới, nghĩa là khi đó, cực phía trên sẽ trở thành cực bắc và phía dưới là cực nam, cực bắc cửa cuộn dây sẽ hút cực nam của rotor và làm cho rotor di chuyển, và sau đó chúng ta sẽ cấp điện cho cuộn 2a, thì cuộn bên trái sẽ trở thành cực bắc sẽ hút cực nam của rotor làm cho rotor xoay theo chiều kim đồng hồ, ngược lại nếu chúng ta cấp điện cho cuộn 2b thì động cơ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ

- Cuộn dây 1a: 100010001000

hơn (full step) Kết hợp hai phương pháp trên khi đó động cơ sẽ di chuyển ở các góc với độ phân giải nhỏ hơn 2 lần các phương pháp trên (half step)

- Cuộn dây 1a: 11000001110000011100000111

STEP lưỡng cực bao gồm 2 cuộn dây, vì thế trên thực tế đối với loại STEP này sẽ

có 4 dây ra Không giống với động cơ loại đơn cực, tại mỗi thời điểm dòng điện sẽ đi qua toàn bộ cuộn dây, nhờ vậy moment sinh ra sẽ lớn hơn nhiều so với STEP đơn cực Dòng điện qua hai cuộn dây là hai chiều điều này đòi hỏi cực của động cơ STEP phải được thay đổi Dựa vào hình chúng ta thấy dòng điện chạy từ đầu 1b sang đầu 1a

và dòng điện sẽ chạy theo hướng ngược lại khi đảo chiều cấp điện Vì vậy để điều khiển được động cơ loại lưỡng cực chúng ta cần 2 mạch cầu H để thay đổi cực tính ởmỗi cuộn dây

Hình 2.14 STEP lưỡng cực

Phương pháp điều khiển động cơ STEP loại lưỡng cực: đối với phương pháp trên thì tại mỗi thời điểm chỉ có 1 cuộn dây được cấp điện, khi đó công suất tiêu thụ của động cơ thấp (full step)

Khi cuộn dây động cơ được cấp điện cùng lúc, khi đó moment động cơ là cực đại

và công suất tiêu thụ của động cơ lúc này lớn (full step) Kết hợp hai phương pháp này động cơ STEP sẽ di chuyển ở các góc với độ phân giải nhỏ hơn 2 lần các phương pháp trên (half step), tuy nhiên khi đó moment do động cơ sinh ra sẽ không đều

CHƯƠNG III:

MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Thiết kế mạch điều khiển

3.1.1 Mạch điều khiển

3.1.1.1 Yêu cầu chung và phần mềm thiết kế mạch điều khiển

a Yêu cầu chung

Mạch điều khiển là mạch điện thực hiện trước hết đưa ra các tín hiệu điều khiển

để linh kiện công suất trong mạch động lực làm việc theo đúng nguyên tắc biến đổi, và đảm nhận nhiệm vụ xử lý thông tin từ các ngõ vào và ngõ ra, để đưa ra các tín hiệu sao cho giữ vững mục tiêu điều khiển đã đặt ra

Yêu cầu chung :

 Yêu cầu về độ lớn của dòng điện và điện áp điều khiển:Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép

 Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển: Phải làm việc tin cậy trong mọi môi trường như trường hợp nhiệt độ thay đổi, có từ truờng…

 Yêu cầu về lắp ráp và vận hành: Sử dụng dễ dàng, dễ thay thế, lắp ráp

b Giới thiệu phần mềm Altium 16.0.6

Phần mềm thiết kế mạch tự động Altium Designer là một môi trường thiết kế

điện tử đồng nhất, tích hợp cả thiết kế nguyên lý, thiết kế mạch in PCB…

- Các điểm đặc trưng của Altium Designer :

 Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế

 Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối

ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo các tham số mới

 Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…

 Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất

cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…

 Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trên PCB

 Mô phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trong không gian 3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mô hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện, cấu hình cho cả 2D và 3D

3.1.1.2 Sơ đồ nguyên lí và nguyên lí làm việc

a Sơ đồ nguyên lí

Hình 3.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển

b Nguyên lí làm việc

Vi điều khiển STM32F103C8T6 với chức năng nhận và chuyển đổi tín hiệu

thông qua các kênh ADC ADC (analog-to-digital converter) bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số là thuật ngữ nói đến sự chuyển đổi một tín hiệu tương tự (analog) thành tín hiệu số hóa (digital) để dùng trong các hệ số hay vi điều khiển Tín hiệu quang trở

nhận là tín hiệu ánh sáng cũng giống như các tín hiệu khác như âm thanh, điện áp, nhiệt độ… đều tồn tại dưới dạng tương tự có nghĩa là tín hiệu liên tục và có mức độ chia nhỏ vô hạn Ví dụ như trong khoảng điện áp từ 0 → 5V thì sẽ có vô số khoảng giá trị điện áp, đối với ánh sáng thì sẽ tồn tại từ mờ cho tới sáng mạnh Tuy nhiên, trong vi điều khiển chỉ có khái niệm số (digital), cấu trúc từ nhân cho đến bộ nhớ hoạt động dựa trên các bóng bán dẫn chỉ gồm mức 0-1 nên muốn giao tiếp với chip thì cần phải

số hóa trước khi đưa vào chip

Nguyên lí làm việc của mạch: Khi được cấp nguồn từ Acquy vào đầu Header1, Led 1 sáng báo mạch được cấp nguồn qua hai tụ lọc nguồn và lọc nhiễu, ổn

áp IC 7805 giúp ổn áp và giảm nguồn đầu vào xuống còn 5V trước khi đưa vào vi điều khiển Mạch điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ 2 cảm biến là quang trở được gắn trên tấm pin mặt trời sau đó sẽ thực hiện so sánh và biến đổi tín hiệu ADC Nhiệm vụ của