Điều khiển động cơ DC không chổi than sử dụng PID số trên cơ sở vi điều khiển STM32F103

Động cơ không chổi than BLDC motor:• Động cơ BLDC Brushless DC thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chứ không phải là động cơ một chiều.. • Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là n

Trường đại học Bách khoa Hà Nội

ĐỀ TÀI: Điều khiển động cơ DC không chổi than sử

dụng PID số trên cơ sở vi điều khiển STM32F103

ĐỀ TÀI: Điều khiển động cơ DC không chổi than sử

dụng PID số trên cơ sở vi điều khiển STM32F103

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quang Địch

Sinh viên thực hiện: Đặng Hữu Tuấn Minh - 20162696

Tổng quan về STM32F103

Vi điều khiển STM32F103 thuộc dòng ARM Cortex M3

Dòng ARM Cortex bao gồm 3 cấu hình khác nhau của kiến trúc ARMv7

 Cấu hình A cho các ứng dụng tinh vi, yêu cầu cao chạy trên các hệ điều hành mở và phức tạp như Linux, Android

 Cấu hình R dành cho các hệ thống thời gian thực

 Cấu hình M được tối ưu cho các ứng dụng vi điều khiển, cần tiết kiệm chi phí

Tổng quan về STM32F103

• Trung tâm của bộ vi xử lý Cortex-M3

là một lõi dựa trên kiến trúc Harvard

• Lõi Cortex có cấu trúc đường ống gồm

3 tầng: Instruction Fetch, Instruction Decode và Instruction Execute

• Là bộ vi xử lý 32bit

• Hỗ trợ 2 chế độ hoạt động là Thread và Handler (đặc quyền và không đặc quyền)

• Khả năng địa chỉ hóa tới 4GB

• Tích hợp NVIC (Nested Vectored Interupt Controller) để xử lý ngắt linh hoạt và nhanh chóng

Tổng quan về STM32F103

Các đặc điểm của vi điều khiển STM32F103:

• Sự tinh vi: Có các ngoại vi được tích hợp nhiều tính năng.

• An toàn: STM32 cung cấp một số tính năng phần cứng hỗ trợ các ứng dụng một cách tốt nhất bao gồm một bộ phát

hiện điện áp thấp, một hệ thống bảo vệ xung clock và hai bộ watchdogs

• Bảo mật: 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

• Dễ dàng viết phần mềm điều khiển: Có rất nhiều RTOS (Hệ điều hành thời gian thực) mã nguồn mở và thương mại và

middleware (TCP/IP, hệ thống tập tin, v.v.) hỗ trợ cho họ Cortex

Động cơ không chổi than (BLDC motor):

• Động cơ BLDC (Brushless DC) thuộc nhóm

động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chứ

không phải là động cơ một chiều

• Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm

động cơ xoay chiều đồng bộ (tức là rotor quay

cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là

nam châm vĩnh cửu Dựa vào dạng sóng sức

phản điện động stator của động cơ mà trong

nhóm này ta có thể chia thành 2 loại: động cơ

(sóng) hình sin và động cơ (sóng) hình thang

• Động cơ BLDC là loại động cơ sóng hình

thang, những động cơ còn lại là động cơ sóng

hình sin (ta gọi chung với tên là PM –

Permanent magnet Motor)

Dạng sóng sức phản điện động động cơ BLDC

Động cơ BLDC

Động cơ không chổi than (BLDC motor):

Nội dung ĐCMC thông thường ĐCMC không chổi than

Cấu trúc cơ khí Mạch kích từ nằm trên stator Mạch kích từ nằm trên rotor

Tính năng đặc biệt Đáp ứng nhanh và dễ điều khiển Đáp ứng chậm hơn

Dễ bảo dướng

Sơ đồ đấu dây Nối vòng tròn

Đơn giản nhất là nối ∆

Cao áp: 3 pha nối Y hoặc ∆ Bình thường: dây cuốn 3 pha nối Y

có điểm trung tính nối đất hoặc 4 pha

Đơn giản nhất: nối 2 pha

Phương pháp chuyển mạch

Tiếp xúc cơ khí giữa chổi than và cổ góp

Chuyển mạch điện từ sử dụng thiết

bị bán dẫn

Phương pháp xác định vị trí rotor Tự động xác định bằng chổi than Sử dụng cảm biến vị trí

Phương pháp đảo chiều Đảo chiều điện áp nguồn Sắp xếp lại thứ tự các tín hiệu logic

So sánh động cơ DC thông thường và động cơ BLDC

Cấu tạo động cơ BLDC:

Các thành phần cơ bản của động cơ BLDC

Cấu tạo động cơ BLDC

• Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện

ghép cách điện với nhau) và dây quấn với cách

quấn dây khác động cơ AC 3 pha thông thường

• Rotor: Về cơ bản là không có gì khác so với các

động cơ nam châm vĩnh cửu khác

Rotor động cơ BLDC

Stator động cơ BLDC

Cấu tạo động cơ BLDC:

• Cảm biến Hall: xác định vị trí của từ trường

rotor so với các pha của cuộn dây stator Cảm

biến được gắn trên Stator của động cơ

Cảm biến Hall gắn trên stator động cơ BLDC Cấu trúc nằm ngang của động cơ BLDC

Hoạt động của cảm biến Hall

Cấu tạo động cơ BLDC:

• Bộ phận chuyển mạch điện tử: vì dây quấn phần ứng được bố trí trên stator đứng yên nên bộ phận đổi chiều dễ dàng được thay thế bởi bộ đổi chiều điện tử sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí roto

Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC:

Để động cơ BLDC hoạt động thì cần biết được vị trí

chính xác của roto để điều khiển quá trình đóng ngắt các

khóa bán dẫn, cấp nguồn cho các cuộn dây stator theo

trình tự hợp lí

Mỗi trạng thái chuyển mạch có một trong các cuộn dây

được cấp điện dương, cuộn dây thứ 2 được cấp điện âm

và cuộn thứ 3 không cấp điện Momen được sinh ra do

tương tác giữa từ trường tạo ra bởi những cuộn dây của

stator với nam châm vĩnh cửu

Một cách lí tưởng, momen lớn nhất xảy ra khi 2 từ trường

lệch nhau 900 và giảm xuống khi chúng di chuyển Để giữ

động cơ quay, từ trường tạo ra bởi những cuộn dây stator

phải quay “đồng bộ” với từ trường của rotor một góc α

Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của BLDC