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

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y
SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o---Tp. HCM, ngày tháng , năm 2019.

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Ngô Thị Hồng Vương

Chuyên ngành:

Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông. Mã ngành:

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

1

Khóa:

2014

Lớp:

1414DT1B.

I. TÊN ĐỀ TÀI:

MSSV: 14141377
41

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.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i


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

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ii

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

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iii


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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iv


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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

v


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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vi


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

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vii


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

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

viii


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.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ix


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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

x


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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

xi


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

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.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 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.

1.4.

GIỚI HẠN

Mô hình máy quấn dây tự động cho stator động cơ BLDC giới hạn quấn dây cho những
động cơ BLDC có công suất từ 40W đến 60W và dự kiến năng suất quấn là 3 stator/1h.

1.5.

BỐ CỤC

 Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày về lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn
thông số và bố cục đồ án.
 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.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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

Cấu trúc cơ khí

Động cơ điện một chiều thông Động cơ điện một chiều
thường

không chổi than

Mạch kích từ nằm trên stator

Mạch kích từ nằm trên
roto

Bảo dưỡng

cần bão dưỡng thường xuyên do có dễ bão dưỡng hoặc ít yêu
cổ góp

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

cầu bão dưỡng.

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Phương pháp xác Tự động xác định bằng chổi than

Sử dụng cảm biến vị trí:

định vị trí rotor

phần tử Hall.

Phương

pháp

đổi Đảo chiều điện áp nguồn (thường cấp Sắp xếp lại thứ tự của các

chiều

cho mạch kích từ)

tín hiệu logic

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.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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.

2.2.

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.2.1. Vi điều khiển STM32F103C8T6
STM32F103C8T6 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3. STM32F103 là Vi điều
khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz.
Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng
thông thường, thiết bị cầm tay, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các
ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống
cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ…
Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh chip STM32F103C8T6.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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.
Bộ nhớ:
 64 kbytes bộ nhớ Flash (bộ nhớ lập trình).
 20 kbytes SRAM.
 Clock, reset và quản lý nguồn.
 Điện áp hoạt động 2.0V -> 3.6V.
 Power on reset(POR), Power down reset(PDR) và programmable voltage detector
(PVD).
 Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz -> 20Mhz.
 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.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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, RS485 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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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:
Chức năng:
 Biến đổi điện áp từ xoay chiều 220V hoặc 110V thành dòng một chiều 24V cung
cấp cho các thiết bị điện tử.
 Dùng trong mạch ổn áp nhờ dòng, áp ổn định tránh sụt áp ảnh hưởng đến các thiết
bị trong mạch

Hình 2.6: Nguồn tổ ong 24V.
Thông số kỹ thuật:
 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.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Bảo vệ nhiệt độ cao.
 Nhiệt độ hoạt động và độ ẩm: -10 ℃ ~ + 60 ℃, 20% ~ 90% RH.
 Nhiệt độ bảo quản, nhiệt độ: -20 ℃ ~ + 85 ℃, 10% ~ 95RH.
 Kích thước: 199 * 98 * 38mm.
 Trọng lượng: 0.52Kg.

 Tiêu chuẩn an toàn đáp ứng các yêu cầu của UL1012.
2.2.5. Động cơ bước
Động cơ bước có thể quy định chính xác số góc quay và động cơ bước sẽ phải quay,
thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các
xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của
rotor có khả năng cố định rotor vào các vị trí cần thiết, động cơ bước có thể quay bao nhiêu
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.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

13


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Giá thành thấp.
 Nhược điểm:
 Về cơ bản dòng từ driver tới cuộn dây động cơ không thể tăng hoặc giảm trong lúc
hoạt động. Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sai lệch trong điều khiển
2.2.6. Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước TB6600
Chức năng:
 Điều khiển động cơ bước.

 Bảo vệ cách ly quang học.
Sử dụng IC TB6600HQ/HG, dùng cho các loại động cơ bước: 42/57/86 2pha hoặc 4
dây có dòng tải là 4A/42VDC. Ứng dụng trong làm máy như CNC, Laser hay các máy tự
động khác.

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.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

14