Thiết kế bộ điều khiển cho máy hàn chipset bga

Điểm mới của đề tài Dùng hàm năng lượng để giải bài toán điều khiển theo mô hình PID thay thế cho các phương pháp khác Với mong muốn ở nước ta sớm có nhà máy sản xuất các board mạch ,

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Hồ Đắc Lộc, TS Nguyễn Thanh Phương

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ

TP HCM ngày 22 tháng 01 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

1.PGS TS Bùi Xuân Lâm - Chủ tịch hội đồng

2.PGS TS Ngô Văn Dưỡng - Ủy viên

3.TS Đồng Văn Hướng - Phản biện 1

4.TS Trương Việt Anh - Phản biện 2

TP HCM, ngày … tháng… năm 20 …

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh:08/01/1959 Nơi sinh: Bình Định

I- TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY HÀN CHIPSET BGA

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Mục đích chính của đề tài là đáp ứng nhu cầu quá cấp thiết trong thời đại công nghệ mới nên đề tài đưa ra nhiều mẫu máy hàn chipset BGA Cơ sở của máy hàn chipset BGA là bài toán nhiệt, do đó bộ điều khiền sẽ được phân tích kỹ lưỡng

và sẽ upload miễn phí cho mọi người

Điểm mới của đề tài

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

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:21- 06 - 2012

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM :29 – 12 - 2012

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS HỒ ĐẮC LỘC, TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

BẢN CAM ĐOAN

Họ và tên học viên:Võ Hoa Sơn

Ngày sinh: 08/01/1959 Nơi sinh: Bình Định

Trúng tuyển đầu vào năm:2011

Là tác giả luận văn:Thiết kế bộ điều khiển cho máy hành chip set BGA

Chuyên ngành:Kỹ thuật điện Mã ngành:605202202

Bảo vệ ngày: 22 Tháng 01 năm 2013

Điểm bảo vệ luận văn:8,2

Tôi cam đoan chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với đề tài trên theo góp ý của Hội đồng

đánh giá luận văn Thạc sĩ Các nội dung đã chỉnh sửa:

Định dạng lại chương mục rỏ ràng cụ thể Đánh giá kết quả của 03 sản phảm thiết kế

Người cam đoan Cán bộ Hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

VÕ HOA SƠN

Tôi xin bày tỏ lời cám ơn sâu sắc đến PGS.TSKH Hồ Đắc Lộc, TS Nguyễn Thanh Phương đã tạo nhiều điều kiện, hướng dẫn cho tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng cám ơn quý Thầy, Cô khoa Điện - Điện tử, Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau đại học, Trường Đại học kỹ thuật công nghệ TP HCM

đã nhiệt tình giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quý giá giúp tôi hoàn thiện luận văn này Tôi cũng xin cám ơn bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã động viên trong suốt quá trình học tập

Tp HCM, ngày 20 tháng 12 năm 2012

Võ Hoa Sơn

TÓM TẮT

Đề tài thiết kế bộ điều khiển cho máy hành chip set BGA dựa trên yêu cầu bức thiết trong lãnh vực kỹ thuật trong thời đại công nghệ Như chúng ta đã biết, các board mạch trước đây được thiết kế bằng các linh kiện điện tử có “chân hàn” bên ngoài Ngày nay, để làm gọn nhẹ và tăng tốc cho các thiết bị, người ta thiết kế ra các chipset có “chân bi chì ” gọi là chipset BGA Các chipset BGA ra đời dần dần thay thế các chipset cũ, vì vậy máy hàn chipset BGA là rất cần thiết trong các hoạt động kỹ thuật

Hàng năm chúng ta phải tốn rất nhiều ngoại tệ nhập máy hàn chipset BGA phục vụ cho kỹ thuật Các cơ sở đào tạo cũng rất khó khăn để có phòng thực hành đóng chipset BGA vì quá đắt

Từ thực tế nêu trên, đề tài giới thiệu nhiều mô hình điều khiển máy hàn chipset BGA và đưa ra nhiều mẫu máy hàn từ rẻ tiền đến cao cấp từ vài triệu đồng đến vài trăm triệu đồng rất có ý nghĩa trong ứng dụng thực tế

Ngoài ra để tăng hàm lượng nghiên cứu sáng tạo đề tài còn đưa ra một cái nhìn mới về mô hình PID – đó là dùng hàm năng lượng với mong muốn bổ sung vào các mô hình PID theo công thức thực nghiệm ZIEGLER-NICHOLS và mô hình PID-MỜ đã từng được xem là kinh điển khi tối ưu bộ điều khiển

Cuối cùng với mong muốn có nhà máy sản xuất board mạch như các nước tiên tiến đề tài cũng đưa ra giải pháp “Dây chuyền đóng chip set trong nhà máy” với hai ý tưởng kỹ thuật đồ họa trong thiết bị hàn chipset và phương pháp định vị chipset bằng vật liệu từ với mong muốn được đóng góp để hoàn chỉnh

Threads "CONTROLLER DESIGN FOR SOLDERING BGA CHIPSET MACHINE" based on urgent requirements in the field of technology in As we know, the previous circuit boards are designed by the electronic components to have "solder pins " outside

Today, to make to compact and acceleration devices, one designed chipset with

"lead ball pins" called BGA chipset The BGA chipsets gradually replace the old chipsets Therefore, soldering BGA chipset machine is indispensable in technique activities

Every year we have a lot of foreign currency to import soldering BGA chipset machines Training facilities is also very difficult to have close BGA chipset practice room because it is too expensive

From the above fact, the subjest introduced many chipset soldering machine controller and offers many models from cheaper to expensive from several million to several hundred million and it is significant in practical applications

In addition to increased levels of creativity research, subject was given a new look model PID that use energy desired function to add the PID model , which it is according to Ziegler-Nichols empirical formula and the PID-model has been considered a classic optimization controller

Finally, with the expectation that factory circuit board as the advanced countries subject also provides chipset solutions "line close chipset solvering in factory” with two ideas are technical graphic applications for soldrering chipset machine and positioning method chipset from magnetic materials

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Abtrast iv

Mục lục v

Danh mục các từ viết tắt x

Danh mục các bảng xi

Danh mục các biểu đồ, hình ảnh xii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 1

3 Điểm mới của đề tài 2

4 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA SÚNG BẮN NHIỆT 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Cơ sở nhiệt học 5

1.2.1 Các giải pháp điều chỉnh nhiệt độ 5

1.2.2 Giới thiệu đặt tính đóng mở của các loại công suất 6

1.2.3 Vai trò độ rộng xung trong súng bắn nhiệt 7

1.2.4 Bài toán ngắt mở bán dẫn công suất 8

1.3 Các loại linh kiện bán dẫn công suất 9

1.3.1 GTO 9

1.3.2 THYRISTOR 9

1.3.3.TRIAC 11

1.3.4 SSR 11

CHƯƠNG 2: BỘ ĐIỀU KHIỂN VI, TÍCH PHÂN TỈ LỆ 14

2.1 Giới thiệu 14

2.1.1 Bộ điều khiển ON-OFF 14

2.1.2 Bộ điều khiển PID 14

2.2 Bộ điều khiển PID dùng trong súng bắn nhiệt 17

2.3 Bộ điều khiển PID dùng trong thiết bị hàn chipset 18

2.4 Mô hình phức hợp thiết bị hàn chipset 19

CHƯƠNG 3: LOGIC MỜ CHO SÚNG BẮN NHIỆT 21

3.1.Giới thiệu 21

3.2.Hệ thống xử lý mờ 22

3.2.1.Hệ mờ tĩnh 22

3.2.2.Logic mờ cho bài toán nhiệt đơn giản 23

3.3.Hệ mờ động 24

3.4.Quan điểm về Logic mờ trong bài toán nhiệt 25

3.4.1.Mờ hóa 25

3.4.1.1.Hệ mờ tập vào 25

3.4.1.2.Tập mờ đầu ra 27

3.5.Quan điểm mới về Logic mở trong bài toán nhiệt 30

3.5.1.Đặt vấn đề 30

3.5.2.Mô hình điều khiển theo PID-MỜ 33

3.6.Phương pháp dùng hàm năng lượng 35

3.6.1.Cơ sở lý thuyết 35

3.6.2.Cơ sở tính toán 36

3.6.2.1.Thành phần tích phân 37

3.6.2.2.Thành phần vi phân 37

3.6.2.3.Thành phần tỉ lệ 38

3.6.3 Thuật giải 38

3.6.4 Kết luận 339

CHƯƠNG 4: CẢM BIẾN VÀ MẠCH CHUYỂN ĐỔI 40

4.1.Cảm biến 40

4.1.1 Thermocouple 41

4.1.2 Điện trở nhiệt 42

4.1.3 Thermistor 42

4.1.4 IC bán dẫn 44

4.2.Mạch chuyển đổi 46

4.2.1.Tổng quát 46

4.2.2.Môi trường đo lý tưởng 47

4.2.3.Hiển thị nhiệt độ 48

CHƯƠNG 5 : CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY HÀN CHIPSET BGA 50

5.1.Giới thiệu 50

5.2 Giải pháp mạch tổ hợp 50

5.2.1.Cơ sở lý thuyết 50

5.2.2.Sơ đồ mạch điều khiển nhiệt độ dùng DIOD muỗi 53

5.2.3.Board mạch điều khiển nhiệt độ 53

5.2.4.Mạch Timer 54

5.2.4.1.Giới thiệu VXL AT89C2051 54

5.2.4.2.Mạch hiển thị LED 7 đoạn dùng VXL AT89C2051 56

5.2.4.3.Chương trình phục vụ 58

5.2.5 Nạp chương trình 58

5.2.6 Thiết kế 59

5.2.7 Kết nối thiết bị 62

5.2.8 Mẫu hoàn chỉnh 63

5.3.1.Giới thiệu 63

5.3.2.Sơ đồ chân,sơ đồ khối 64

5.3.3 Thiết kế phần cứng 65

5.3.4.Các chương trình phục vụ 65

5.3.4.1.Chương trình chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số 65

5.3.4.2.Chương trình điều khiển bàn phím 67

5.3.4.3.Chương trình hiển thị nhiệt độ lên LCD 1602 69

5.3.4.Thuật giải 69

5.4.Giải pháp dùng PLC 69

5.4.1.Giới thiệu 69

5.4.2.Cấu trúc PLC 70

5.4.3.Nguyên lý hoạt độngcủa PLC 71

5.4.4.Sơ đồ chức năng 74

5.4.5.Thiết kế máy hàn chipset BGA dùng PLC 75

5.4.5.1.Giới thiệu mẫu PLC 75

5.4.5.2.Giới thiệu màn hình đa điểm chạm (HMI) 75

5.4.5.3.Bộ nguồn 77

5.4.5.3.Giới thiệu cable giao tiếp PLC va HMI 77

5.4.5.4.Giới thiệu cable chuyên dụng giao tiếp PC và bộ xử lý 78

5.4.6.Thiết lập dự án cho máy hàn chipset BGA 78

5.4.6.1.Cài đặt WINCC và STEP7 78

5.4.6.2.Sơ đồ công nghệ 79

5.4.6.3.Thực hiện kết nối ,truyền thông 80

5.4.6.4.Mẫu hoàn chỉnh 84

CHƯƠNG 6 : NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỒ HỌA TRONG MÁY HÀN

CHIPSET BGA 85

6.1.Đặt vấn đề 85

6.2.Kỹ thuật đồ họa trong thiết bị hàn chipset BGA 86

6.2.1.Hệ trục tương đối 2 chiều 86

6.2.2.Ứng dụng kỹ thuật đồ họa 87

6.3 Phương pháp định vị chipset bằng vật liệu từ 90

6.3.1.Mối liên hệ giữa nhiệt độ và từ trường 90

6.3.2.Lý thuyết Langevin và lý thuyết lượng tử 91

6.3.3.Các tính chất đặc trưng của chất sắt từ 92

6.3.4.Ứng dụng sắt từ để định vị chipset BGA 94

6.3.4.1.Chế tạo keo sắt từ 94

6.3.4.2.Cách đặt chipset lên trục định vị 94

6.4.Thao tác tự động hóa dây chuyền đóng chipset BGA trong nhà máy 94 CHƯƠNG 7 : KẾT LUẬN , KIẾN NGHỊ 96

Tài liệu tham khảo 97

BGA BALL GRID ARRAY

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Hàm thành viên tật Et 26 Bảng 3.2 Hàm thành viên tập DET 27 Bảng 5.1 Chức năng các chân của PICf877……….… 67

Hình 1.1 Mẫu súng bắn nhiệt và chipset BGA 4

Hình 1.2 Mô hình súng bắn nhiệt 5

Hình 1.3 Mô hình điện tử công suất 6

Hình 1.4 Độ phụ thuộc điện tử công suất vào độ rộng xung 7

Hình 1.5 Độ phụ thuộc độ rộng xung và góc mở linh kiện 8

Hình 1.6 Đặc tính GTO 8

Hình 1.7 Đặctính Thyristor 10

Hình 1.8 Đặc tính Triac 11

Hình 1.9 Các dạng SSR 12

Hình 1.10 Sơ đồ chức năng mạch động lực 13

Hình 2.1 Mô hình tổng quát bộ điều khiển PID 14

Hình 2.2 Thành phần tích phân 15

Hình 2.3 Thành phần vi phân 16

Hình 2.4 Thao tác cơ bản trong quá trình điều khiển súng bắn nhiệt 19

Hình 2.5 Sơ đồ chức năng mạch điều khiển phức hợp 20

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống xử lý mờ 22

Hình 3.2 Khối mờ hóa nhiệt độ 23

Hình 3.3 Giản đồ mô tả sự liên hệ giữa nhiệt độ và hệ số hồi tiếp 23

Hình 3.4 Tập mờ Et 25

Hình 3.5 Tập mờ DET 23

Hình 3.6 Giản đồ hàm DET 28

Hình 3.7 Giản đồ hàm Et 28

Hình 3.8 Sơ đồ khối hệ thống PID ……… ………… ………… … 32

Hình 3 9 Mẫu PID-MỜ 34

Hình 3.10 Giản đồ hàm năng lượng……… 36

Hình 3.11 Thuật giải HÀM NĂNG LƯỢNG 38

Hình 4.1 Thermocouple 41

Hình 4.2 Điện trở nhiệt 42

Hình 4.3 Thermistor 43

Hình 4.4 Cảm biến dùng IC 44

Hình 4.5 Các loại cảm biến bán dẫn ……… … 45

Hình 4.6 Hệ thống điều khiển nhiệt độ 46

Hình 4.7 Sơ đồ mạch chuyển đổi 47

Hình 4.8 Sơ đồ cấu tạo của OP-AMP 47

Hình 4.9 Mạch đo nhiệt độ dùng IC LM335 49

Hình 5.1 Mã hóa BCD 51

Hình 5.2 Hình dạng sơ đồ chân của 74LS1190……….……… …….51

Hình 5.3 Sơ đồ mạch điều khiển dùng DIOD muỗi 53

Hình 5.4 Board mạch chỉnh nhiệt độ dùng DIOD muỗi 54

Hình 5.5 Sơ đồ mạch Timer 56

Hình 5.6 Board mạch Timer 57

Hình 5.7 Board mạch nạp chương trình chuyên dụng 58

Hình 5.8 Các bước thiết kế đầu khò 60

Hình 5.9 Bộ phận hâm 61

Hình 5.10 Bộ phận gá 61

Hình 5.11.Panel 62

Hình 5.12.Kết nối thiết bị 62

Hình 5.13 Mẫu hoàn chỉnh 63

Hình 5.14.Sơ đồ chân và sơ đồ khối pic16f877… ……… ……64 

Hình 5.15.Sơ đồ khối thiết bị hàn chipset dùng PIC 16 65

Hình 5.16 Sơ đồ mạch vxl PIC16 và LCD 16x2 66

Hình 5.17 Sơ đồ bàn phím 67

Hình 5.19 Mẫu PLC hộp đơn 73

Hình 5.20 Sơ đồ khối máy hàn chipset BGA dùng PLC 74

Hình 5.21.Bộ PLC trong máy hàn chipset BGA hảng Shutter star 75

Hình 5.22 Màn hình HMI 76

Hình 5.23 Màn hình HMI giá rẻ 76

Hình 5.24 Bộ nguồn 77

Hình 5.25 Cable giao tiếp PLC và HMI 77

Hình 5.26 Cable giao tiếp PC và HMI 78

Hình 5.27.Sơ đồ công nghệ 79

Hình 5.28 Mẫu hoàn chỉnh 84

Hình 6.1.Thao tác hàn chipset BGA tự động 86

Hình 6.2.Mô tả trên trục tọa độ 86

Hình 6.3.Mô tả thành phần 87

Hình 6.4 Hiển thị trên màn hình 88

Hình 6.5.Màn hình hiển thị dùng phần mềm chuyên dụng DEXPOT 89

Hình 6.6 Ảnh từ trễ 93

Hình 6.7.Qui trình tổng quát 94

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Chúng ta đang sống trong thời đại mà nền khoa học kỹ thuật phát triển như

vũ bão và chi phối hoàn toàn mọi lãnh vực Có thể nói rằng phát triển công nghệ mang yếu tố quyết định cho sự phát triển nền kinh tế quốc gia

Từ lâu, các quốc gia như Mỹ, Nhật nhờ công nghệ mà trở thành cường quốc Gần đây, cũng nhờ công nghệ mà Trung Quốc, Ấn Độ có bước phát triển vượt bậc Để làm được điều kỳ diệu đó, những công nghệ cũ kỹ, lỗi thời sẽ dần bị thay thế bằng những công nghệ tiên tiến, hiện đại và cũng vì lẽ đó mà “công nghệ hàn chipset” là không thể thiếu được

Như chúng ta đã biết, các board mạch trước đây được thiết kế bằng các linh kiện điện tử có “chân hàn” bên ngoài Ngày nay, để làm gọn nhẹ và tăng tốc cho các thiết bị, người ta thiết kế ra các chipset “chân bi chì ” gọi là chipset BGA, các chipset BGA ra đời dần dần thay thế các chipset cũ và tỏ rất có nhiều ưu điểm

Do vậy với các kỹ thuật viên, các kỹ sư và các nhà sản suất thì thiết bị hàn chipset BGA là không thể thiếu được Thiết bị hàn chipset BGA mang yếu tố quyết định cho sự thành công cho các cơ sở kỹ thuật và là một yêu cầu thực sự cấp bách

Thiết bị hàn chipset BGA dựa trên cơ sở của bài toán là bài toán nhiệt Như chúng ta đã biết, bài toán nhiệt thường rất khô khan và cũ kỹ, tuy nhiên khi nghiên cứu về bài toán nhiệt cho thiết bị hàn chipset BGA thì lại có quá nhiều điểm mới mẻ

Sở dĩ như vậy vì nó quá hợp trong thời đại công nghệ cao, do đó phần cứng, phần mềm, giải pháp điều được khai thác tối đa

II Mục đích của đề tài

Mục đích chính của đề tài là đáp ứng nhu cầu quá cấp thiết trong thời đại công nghệ mới nên đề tài đưa ra nhiều mẫu máy hàn chipset BGA Cơ sở của máy hàn chipset BGA là bài toán nhiệt, do đó bộ điều khiền sẽ được phân tích kỹ lưỡng

và sẽ upload miễn phí cho mọi người

III Điểm mới của đề tài

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

IV 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 lệ PID

Chương 3 nêu cái nhìn mới về LOGIC mờ, mối tương quan giữa LOGIC

mờ và các chương trình điều khiển thiết bị hàn chipset BGA

Chương 4,5 giới thiệu cơ sở để thực hiện một thiết bị hàn chipset BGA gồm cảm biến nhiệt, mạch chuyển đổi, các kiểu mẫu từ rẻ tiền đến cao cấp, các chương trình con phục vụ cho từng mẫu cùng nhiều sơ đồ thực tế đi kèm

Đề tài còn đi sâu Về thiết kế các mẫu máy hàn chipset BGA, tiến hành thực hiện cài đặt chương trình điều khiển vào thiết bị

Chương 6 là nghiên cứu riêng của cá nhân gồm 2 phần là kỹ thuật đồ họa trong máy đóng chipset và ứng dụng từ và nhiệt trong nhà máy đóng chipset với hi vọng một ngày nào đó chúng ta cũng có nhà máy đóng chipset của riêng chúng ta

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ

LÀM VIỆC CỦA SÚNG BẮN NHIỆT

1.1 Giới thiệu

Súng bắn nhiệt là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng và theo dòng không khí do quạt gió thổi ra đưa đến vật gia nhiệt Về nguyên tắc súng bắn nhiệt cũng như các thiết bị dùng nhiệt khác, tuy nhiên khi ứng dụng vào thiết bị hàn chipset thì có rất nhiều khác biệt do vậy khác biệt do vậy hướng nghiên cứu và ứng dụng cũng khác nhiều, chúng ta có thể thấy được ở các vấn đề sau

Thứ 1: Các thiết bị dùng nhiệt khác thời gian hoạt động là dài (vd: Điều

khiển nhiệt độ phòng) kéo theo mọi việc có vẻ đơn giản Còn ở thiết bị hàn chipset, thời gian thao tác lên vật gia nhiệt là rất ngắn (thường dưới 5 phút)

do đó thao tác điều khiển phải thật nhanh và chính xác Cũng vì lẽ đó, ta không thể dùng kiểu phân chia “nóng, lạnh, ấm” theo logic mờ như các bài toán nhiệt trước đây được, vì với thời gian chỉ không tới 5 phút nên vật gia nhiệt nhận nhiệt lượng phải ổn định (đề cập logic mờ chương 3)

Thứ 2: Thiết bị hàn chipset làm việc trong phạm vi hẹp và rất hẹp, ở đó

nhiệt độ tập trung phân bổ cưỡng bức, thông thường 3 nguồn nhiệt cùng làm việc và làm ở những chế độ khác nhau, còn các thiết bị dùng nhiệt khác thì đơn giản hơn nhiều

kỹ thuật cao mới đáp ứng được

Thứ 4: Vật gia nhiệt rất nhiều dạng ( nhiều kích cỡ, độ dày, chất liệu ), nên

bộ nhớ cần thiết lập nhiều chế độ

Hình 1.1: Mẫu súng bắn nhiệt và chipset BGA Súng bắn nhiệt từ lâu đã được xử dụng nhiều trong công nghiệp và kỹ thuật Tuy nhiên, trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng trong kỹ thuật các chipset thế hệ mới ra đời ( chipset BGA ) đã làm cho thiết bị hàn BGA là không thể thiếu được trong các hoạt động kỹ thuật

Các thiết bị hàn chipset BGA hiện nay đa số nhập ở nước ngoài như Mỹ, Nhật, Đài loan, Trung quốc nên thường có giá thành cao và chỉ đáp ứng cho yêu cầu xử dụng, còn về mặt công nghệ ( lý thuyết, sơ đồ, nguyên lý, phần mềm, cơ sở khoa học…) điều được các công ty dấu kỹ hoặc nói chung chung, tản mạn nên sẽ có nhiều khó khăn để tiếp cận chúng

Một vấn đề rất thiết thực và được rất nhiều người quan tâm nhưng lại là vấn đề

ít được các tài liệu đề cập tới Mọi cố gắng trong đề tài nầy nhằm hệ thống hóa, đưa

ra giải pháp hoàn thiện và tiết kiệm nhất, đồng thời phát triển những hướng nghiên cứu trước đây về thiết bị dùng nhiệt lên tầm cao hơn, đưa những cái mới vào trong

đề tài để hoàn thành một sản phẩm hiệu quả

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 một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra theo một lượng nhiệt Tuy nhiên ta không khảo sát trực tiếp mà thông qua hiệu suất nhiệt đến vật gia nhiệt, vật gia nhiệt sẽ tiếp nhận nhiệt độ nầy và giữ không đổi trong 1 thời gian xác lập

1.2.1 Các giải pháp điều chỉnh nhiệt độ

Theo định luật Jun-Lenxơ, để thay đổi nhiệt lượng ta cần phải thay đổi điện thế hoặc điện trở Tuy nhiên, các giải pháp nầy hiệu quả rất hạn chế và không ổn định Như vậy làm thế nào để làm chủ được hiệu suất trên vật gia nhiệt? câu trả lời chính là các khóa nhiệt mà quyết định là điện tử công suất, ý tưởng như sau :

Hiệu suất bắt đầu từ 0٪ đến hiệu suất mong muốn Nếu tăng lên thì mở khóa cho nhiệt độ giảm xuống và ngược lại làm sao cho giữ được hiệu suất lên vật chịu nhiệt không đổi Tốc độ mở đóng khóa đáp ứng nhanh hoàn toàn phù hợp với góc

mở công suất và các bộ xử lý

Hình 1.2 Mô hình súng bắn nhiệt

Hình 1.3 Mô hình điện tử công suất

Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn ( khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua) Ưu điểm của các bán dẫn điện tử công suất có thể tóm tắt như sau:

Thực hiện đóng cắt đóng mà không gây ra tia lửa điện Không bị mòn theo thời gian

Tín hiệu kích cho phần tử công suất nhỏ

Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các khóa trong bộ biến đổi Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử nên không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được

Linh kiện điện tử công suất nói chung hoạt động dựa vào tốc độ đóng ngắt của linh kiện, tốc độ nầy do xung từ mạch kích phát ra mà cụ thể là độ rộng xung

và tần số xung

1.2.3.Vai trò độ rộng xung trong súng bắn nhiệt

Thông thường, để thay đổi nhiệt độ ta thường thay đổi điện áp hoặc điện trở (

theo định luật joule), tuy nhiên quan điểm trên hầu như không dùng trong súng bắn nhiệt mà thay vào đó dựa vào đặc tính đóng cắt linh kiện công suất làm cho hiệu suất nhiệt lên vật gia nhiệt thay đổi Tốc độ thay đổi khóa điện tử được quyết định bằng độ rộng xung

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

chịu nhiệt tốt hơn và hoàn toàn phù hợp với số hóa

1.2.4 Bài toán tốc độ ngắt , mở bán dẫn công suất

Hai yếu tố quyết định góc mở bán dẫn công suất là tần số xung kích và độ rộng xung) Yếu tố đầu liên quan đến linh kiện công suất (chọn loại phù hợp ) và yếu tố thứ hai liên quan chương trình điều khiển (softwave )

Tóm lại xu hướng khống chế nhiệt độ bằng cách đóng ngắt nguồn điện tử công suất như SCR, TRIAC, FET, UJT… rất được ưa chuộng vì chúng ta hoàn toàn có thể đưa vào các công cụ toán học, kỷ thuật, công nghệ, máy tính

Hình 1.5 Độ phụ thuộc giữa độ rộng xung và góc mở linh kiện

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 lý hoặc PLC Bộ điều khiển nhiệt độ được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra “ Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho súng bằn nhiệt dùng SSR” trên cơ sở những lý thuyết đã học được chủ yếu trong môn học lý thuyết điều khiển, kèm theo đó là kiến thức của các môn học cơ sở ngành và các 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 các khutyết 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 thường dùng 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 để điều khiển chế độ đóng ngắt bán dẫn công suất để thay đổi công suất đặt vào súng bắn nhiệt Do đó từ mạch điều khiển sẽ xuất ra xung có độ rộng thay đổi trong khoảng 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 để tăng độ khuếch đại, đầu vào lấy tín hiệu điều khiển từ bộ xử lý còn đầu ra đến ngõ vào bán dẫn công suất

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

Hình 1.10 Sơ đồ chức năng mạch động lực

BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

2.1 Giới thiệu

Bộ điều khiển là một thiết bị giám sát và tác động vào các điều kiện làm việc

của một hệ động học cho trước Các điều kiện làm việc đặc trưng cho các biến đầu

ra của hệ thống mà có thể được tác động bởi việc điều chỉnh các biến đầu vào đã

biết

Hình 2.1 Mô hình tổng quát bộ điều khiển PID

2.1.1 Bộ điều khiển ON-OFF

Là bộ điều khiển đơn giản nhất, 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 phận

điều khiển phức tạp cần phải dùng hệ điều khiển phức tạp hơn mà hay dùng nhất là

bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID mô tả được các hành vi liên quan với quá

khứ, sai sồ hiện tại và thành phần hồi tiếp chính xác, cho phép hệ thống điều khiển

chính xác và hiệu quả hơn

Ngày nay, với sự hổ trợ công cụ máy tính cùng các phương pháp tính toán hiện đại cho phép việc ứng dụng bộ điều khiển PID trong các thiết bị linh hoạt và hiệu quả hơn

Ý nghĩa bộ điều khiển PID

Gồm 3 phần là thành phần tích lũy ở quá khứ, sự thay đổi quanh vị trí thiết lập, và bộ phận hồi tiếp để bù trừ

T đặt = 200˚C

Nhiệt độ từ 0˚C- 400˚C

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 phân Phương 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

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 duy trì biến số ở trạng thái ổn định khi không có sai số

Phương trình vi phân mô tả quan hệ tín hiệu vào ra của bộ điều khiển PID: U(t) = * e(t) + (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 khiển giá trị đầu vào

Ý Nghĩa vật lý

Để có được nhiệt độ mong muốn cho vật gia nhiệt, nguồn phát nhiệt sẽ thổi nhiệt vào vật được gia nhiệt, vật được gia nhiệt nhận nhiệt từ nhiệt độ thấp nhất đến nhiệt độ mong muốn và giữ lại ở nhiệt độ nầy trong một khoảng thời gian.thiết

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 tạp trong đó có nhiều bật trong một tiến trình điều khiển

Một khái niệm mới được đưa vào tạm gọi là nhiệt độ mong muốn nhiều mức

độ để mô tả hành vi điều khiển phức tạp hơn

2.3 Bộ điều khiển PID dùng trong thiết bị hàn chipset

Đặt vấn đề

Bài toán nhiệt học đã được khảo sát rất nhiều, tuy nhiên đối với thiết bị hàn chipset BGA có rất những yêu cầu phức tạp hơn nhiều nhằm đáp ứng nhữmg yêu cầu công nghệ cao Để điều khiển các thiết bị dùng nhiệt (lò sưởi, máy điều hòa ) thường bộ nhớ chứa nhiều chế độ làm việc và nhiều mức điều khiển, trong đó

1 tiến trình được cài đặt kéo dài trong 1 thời gian ( thường rất dài ) thậm chí không cần thiết lập như trong máy điều hòa

Trong thiết bị hàn chipset, một thao tác điều khiển thường làm việc với nhiều tiến 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 thiết lập nhiều kiểu điều khiển và đưa vào bộ nhớ (profiles) Thêm vào đó, với sự hổ trợ các chương trình mô phỏng, các công cụ toán học, logic mờ càng tăng khả năng ứng dụng của thiết bị

2.4 Mô hình phức hợp thiết bị hàn chipset

Trong thực tế, việc thiết lập hệ thống điều khiển thiết bị hàn chipset công nghệ cao 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 hóa gần như tối đa, điều nầy sẽ làm chúng ta gặp rất nhiều khó khăn khi tiếp cận chúng như: phần cứng, phần mềm chương trình điều khiển, nhưng cũng vì vậy nó càng làm 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 mọi nghiên 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 không thể 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 hơn hộp 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 mới chứng minh được

Nó theo qui luật “ nhân quả” của phật giáo, luật IN-OUT của công nghệ thông tin 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 nghiên cứu 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 thì làm sao ứng dụng nhiều

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