Thiết kế hệ thống chuyển đổi năng lượng Mặt trời

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Báo cáo đồ án II
Đề tài: Thiết kế hệ thống chuyển đổi năng lượng Mặt trời
Giảng viên hướng dẫn lý thuyết:
Giảng viên hướng dẫn thực hành:

TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan
ThS. NCS Đặng Khánh Hòa

Sinh viên thực hiện:
Vũ Hải Đăng

20150916

Vũ Tuấn Minh
Trần Văn Cường

Hà Nội – 2019
ĐÁNH GIÁ BÁO CÁO


Báo cáo đồ án I
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành
1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng
của đồ án

2

Yêu cầu chức năng/ phi chức năng được đinh nghĩa rõ ràng (ít nhất 10
yêu cầu phi chức năng. Có các tiêu chuẩn liên quan (Việt Nam, Quốc tế)

3

Cập nhật kết quả nghiên cứu, thông tin thị trường gần đây nhất (trong
nước/quốc tế)

4

Nêu rõ phương pháp, phương án nghiên cứu/giải quyết vấn đề (các sơ đồ
khối, lưu đồ thuật toán, sử dụng lại code)

5

Có kết quả mô phỏng và trình bày rõ ràng kết quả đạt được

6

Có kết quả thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt được

7

Có hướng dẫn sử dụng
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả

8

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực hiện
dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống

9

Trong phần kết quả và kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa
kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận
để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai.
Kỹ năng viết

10

Báo cáo trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và
đẹp, có mở đầu chương và kết luận chương

11

Có bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự tự động
và được giải thích và đề cập đến trong báo cáo, có căn lề, dấu cách sau
dấu chấm, dấu phẩy v.v
2


Báo cáo đồ án I
12

Liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định

13

Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn (có chủ ngữ, vị ngữ), văn
phong khoa học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Điểm tổng

3


Báo cáo đồ án I
Các thành viên:
#1 Vũ Tuấn Minh

Ký tên:______________

#2 Vũ Hải Đăng

Ký tên: ______________

#3 Trần Văn Cường

Ký tên: ______________

Nhận xét của người chấm:

4


Báo cáo đồ án I

LỜI NÓI ĐẦU

Cuộc sống hiện đại ngày càng phát triển, nhu cầu về nguồn năng lượng để phục
vụ cho các hoạt động của con người ngày càng tăng cao. Trong cơ cấu năng lượng hiện
nay,chiếm phần chủ yếu là năng lượng tàn hóa thạch như than đá,dầu mỏ,khí tự nhiên.
Kế là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio.gas,
…) năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn.
Ngày nay, khi mà năng lượng dạng hóa thạch, năng lượng không tái sinh, ngày
càng kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và
môi trường sống. Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các
nhà khoa học ,kinh tế, các chính trị gia,… và với mỗi người chúng ta. Nguồn năng
lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái
sinh), và dễ sử dụng.
Xuất phát từ thực tế này, nhóm chúng em đề xuất đề tài “Thiết kế hệ thống
chuyển đổi năng lượng Mặt trời”. Mục tiêu của đề tài này là xây dựng hệ thống chuyển
đổi năng lượng mặt trời thành điện năng phục vụ cho các thiết bị sinh hoạt trong gia
đình

5


Báo cáo đồ án I

LỜI CẢM ƠN

Trước khi vào nội dung đồ án chúng em xin chân thành cảm ơn cô Phạm Nguyễn
Thanh Loan và thầy Đặng Khánh Hòa giảng viên trường Đại học Bách khoa Hà Nội
đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện để hoàn
thành đồ án này
Trong quá trình triển khai đề tài, chúng em đã gặp khá nhiều khó khăn trong
việc định hướng và đề ra thuật toán, chưa có nhiều kỹ năng về phân tích thiết kế. Thật

may, nhờ có sự chỉ bảo tận tình của cô, những góp ý vô cùng quý báu về thuật toán, các
bước thực hiện. Chính điều này đã giúp chúng em hiểu hơn những điều thiết thực, định
hướng được con đường đi cụ thể để hoàn thành đề tài này.
Tuy nhiên, do những hạn chế về kiến thức, kỹ năng lập trình, khả năng làm việc
nhóm chưa đạt được hiệu quả cao nhất nên đề tài chưa được hoàn hảo cho lắm. chính
vì thế, chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo của cô giúp chúng em nhận ra được
những hạn chế của đồ án để có thể khắc phục và tránh gặp phải trong tương lai.
Nhóm chúng em xin trân thành cảm ơn!

6


Báo cáo đồ án I

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

....................................................................................................................................... 11
Hình 2.2: Cấu trúc mạng tinh thể Silic...........................................................................12
Hình 2.3: Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn Silic loại N...........................................13
Hình 2.4: Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn Silic loại P............................................13
Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của tấm Pin Mặt trời....................................................14
Hình 2.6: Quan hệ giữa điện áp và dòng điện của tấm Pin năng lượng Mặt trời............14
Hình 2.7: Sơ đồ hoạt động của Hệ thống Pin năng lượng Mặt trời................................15
Hình 3.1: Động cơ bước................................................................................................17
Hình 3.2: Cấu tạo của động cơ bước..............................................................................18
Hình 3.3: Nguyên lý hoạt động của động cơ bước.........................................................18
7

Báo cáo đồ án I
Hình 3.4: Chế độ điều khiển Half – Step.......................................................................19
Hình 3.5: Chế độ điều khiển vi bước.............................................................................19
Hình 3.6: Module điều khiển động cơ DRV8846EVM..................................................20
Hình 3.7: Sơ đồ khối IC STSPIN820.............................................................................21
Hình 3.8: Sơ đồ khối giải pháp điều khiển động cơ của Allegro....................................21
Hình 3.9: Sơ đồ khối điều khiển động cơ của IC A4988................................................22
Hình 3.10: Sơ đồ chân của IC A4988............................................................................23
Hình 3.11: Cấu hình vi bước IC A4988.........................................................................23
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý kết nối STM32..................................................................24
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý kết nối IC A4988...............................................................25
Hình 3.14: Kết nối tín hiệu chân STEP..........................................................................25
Hình 3.15: Kết nối tín hiệu cấu hình logic điều khiển....................................................26
Hình 3.16: Kết nối tín hiệu SLEEP và RESET..............................................................26
Hình 3.17: Khối điều chỉnh dòng điện Output...............................................................27

8


Báo cáo đồ án I

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Đặt vấn đề

Xã hội loài người ngày càng phát triển một cách mạnh mẽ, hệ quả tất yếu là nhu cầu
sử dụng về năng lượng cũng tăng cao. Tuy nhiên, năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than đá,
…. - nguồn năng lượng chủ yểu phục vụ cho cuộc sống của con người từ hàng trăm năm
qua) không phải là vô tận và hiện đang có dấu hiệu cạn kiện dần, hơn nữa, quá trình khai
thác các loại nguồn năng lượng này còn gây ảnh hưởng đặc biệt xấu đến môi trường sống

trên Trái Đất. Do đó, bên cạnh việc tiết kiệm năng lượng thì việc làm cấp bách hiện nay
của con người là tìm được nguồn năng lượng mới dồi dào hơn, thân thiện với môi trường
hơn để thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch trước đây.
Ở Việt Nam các dự án về điện mặt trời đang được đầu tư triển khai lắp đặt, Hà Nội và
các tỉnh thành khác cũng đang tiến hành xây dựng lắp đặt hệ thống pin năng lượng mặt
trời nhằm cung cấp điện năng cho các hoạt động công nghiệp, hoạt động sinh hoạt hằng
ngày. Hệ thống pin năng lượng mặt trời góp phần giảm thiểu việc sử dụng điện lưới quốc
gia, dễ dàng lắp đặt sử dụng, tiết kiệm chi phí hơn so với dùng điện quốc gia. Đối với các
hệ thống IoT, Smart City… việc sử dụng pin năng lượng mặt trời là rất cần thiết vì các hệ
thống này được đặt trên cao, khó tiếp cận để thay đổi nguồn điện
Năng lượng Mặt trời đáp ứng đủ hết tất cả các yêu cầu kể trên (nguồn năng lượng
gần như vô tận, thân thiện với môi trường,..) tuy nhiên hiện tại nguồn năng lượng này chỉ
chiếm một phần nhỏ trong cơ cấu năng lượng phục vụ cho cuộc sống của con người. Từ
những vấn đề nêu trên, chúng em xin đề xuất đề tài “Thiết kế hệ thống chuyển đổi năng
lượng Mặt trời” giúp người sử dụng có thể xây dựng một hệ thống chuyển đổi năng lượng
Mặt trời đơn giản.

1.2. Ý tưởng
9


Báo cáo đồ án I
Hình thành ý tưởng:
•
•
•
•

Thiết kế bộ chuyển đổi quang năng thành điện năng
Thiết kế bộ điều khiển sạc Pin

Thiết kế bộ ổn áp cho dòng điện Pin Mặt trời
Thiết kế bộ điều khiển động cơ nhằm tối ưu hóa nguồn năng lượng Mặt trời

Nhu cầu:
•
•

Cung cấp nguồn điện sinh hoạt cho gia đình
Tiết kiệm nguồn điện Quốc gia

Như vậy, ta có thể thấy được hệ thống chuyển đổi năng lượng Mặt trời mang lại hiệu
quả kinh tế lớn như thế nào. Giúp hỗ trợ con người rất nhiều trong lao động và sản xuất.
Vì vậy, ý tưởng được triển khai sẽ mang lại nhiều lợi ích cho cộng đồng.

1.3. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài đối với môn học:
•

Nắm được quy trình tạo ra một sản phẩm công nghệ hoàn chỉnh theo một quy

•
•
•
•

trình khoa học từ khâu hình thành ý tưởng đến khâu hoàn thiện
Có kỹ năng tốt trong việc phân tích thiết kế sản phẩm
Thành thạo hơn trong việc lập trình vi điều khiển
Có khả năng làm việc nhóm, phân công công việc hợp lý

Biết được kết cấu của một đồ án, qua đó bước đầu có cài nhìn cơ bản về đồ án
tốt nghiệp sau này

Mục tiêu của đề tài đối với nhu cầu thực tế xã hội:
•
•
•
•

Sản phẩm có thể bán ra thị trường để mọi người sử dụng
Sản phẩm đơn giản, dễ sử dụng
Giúp cho mọi người trong việc sử dụng nguồn điện gia đình
Hỗ trợ cho Quốc gia trong việc quản lý và sử dụng năng lượng

1.4. Các sản phẩm tương tự trên thị trường
10


Báo cáo đồ án I
Bảng 1.1: Một số sản phẩm Pin Mặt trời trên thị trường
STT
1

Tên sản phẩm
Hệ thống Pin năng
lượng Mặt trời
JINKO SOLAR

2

Hệ thống Pin năng
lượng Mặt trời
Trina Solar

3

Hệ thống Pin năng
lượng Mặt trời
Hanwha Q Cells

Đánh giá
Sản phẩm của Jinko Solar được sản xuất dựa theo 3 tiêu chí:
Hiệu Quả – Tin Cậy – An Toàn – 3 trụ cột được xây dựng để
tạo nên “Chất lượng”. Toàn bộ dây chuyền sản xuất của
Jinko Solar được theo dõi chặt chẽ, mỗi tấm pin năng lượng
mặt trời được sản xuất ra đều phải trải qua 36 bước kiểm tra
chất lượng khắt khe nhất cùng hàng loạt kiểm soát trong
phòng thí nghiệm được UL chứng nhận. Các tấm pin
JinkoSolar hoạt động tốt hơn các nhãn hiệu khác ở nhiệt độ
cao và môi trường có độ ẩm cao, tạo ra nhiều điện hơn vào
buổi sáng sớm và vào cuối ngày, thậm chí là cả trong những
ngày nhiều mây. Mức giảm hiệu suất theo thời gian ở chỉ số
thấp nhất
Pin mặt trời Trina Solar poly 72 Cell công suất
320W/325W/330W/335W/340W xuất xứ Trung Quốc, là
loại pin Poly có hiệu suất cao trên thế giới hiện nay, với 72
Cell kích thước nhỏ gọn, mỗi tấm Pin xuất xưởng đều được
qua một quá trình kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt, cam kết
bảo hành 10 năm sản phẩm và 30 năm hiệu suất. Sản phẩm
hoạt đông trong điều kiện nhiệt độ 40~85°C

Pin năng lượng mặt trời Hanwha được đánh giá rất cao
thuộc top 5 trên thế giới với công nghệ độc quyền Q CELL
Q.Plus, công nghệ mới nhất 72 cell Perc. Trong công nghệ
pin mặt trời, quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện
năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn hay còn gọi là các
pin Mặt Trời, được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện. Các
hệ thống điện mặt trời có ưu điểm là rất đơn giản, không có
phần chuyển động, không đòi hỏi phải bảo dưỡng chăm sóc
thường xuyên, gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng
mặt trời.

Kết luận:
Từ những phân tích trên, việc thiết kế ra một hệ thống Pin năng lượng Mặt trời là xu
hướng của thế giới hiện nay.

11


Báo cáo đồ án I

12


Báo cáo đồ án I
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tìm hiểu về hệ thống năng lượng Mặt trời

2.1.1. Tổng quan khối chuyển đổi năng lượng Mặt trời

2.1.2. Cơ sở lý thuyết khối chuyển đổi năng lượng Mặt trời

Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm
nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số
lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh
sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt
trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được
ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện
trên một tấm pin mặt trời). Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt
trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm
biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường
độ ánh sáng.

Hình 2.1: Pin Mặt trời
•

Nguyên lý hoạt động của tấm Pin Mặt trời
Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 . Các điện tử của nó

được sắp xếp vào 3 lớp vỏ. 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử. Tuy nhiên lớp
ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s 23p2. Điều này làm nguyên tử Si
13


Báo cáo đồ án I
có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác. Trong cấu trúc
mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có
chung 8 điện tử (bền vững).

Hình 2.2: Cấu trúc mạng tinh thể Silic
Tinh thể Silic là chất bán dẫn dẫn điện kém do không có điện tử tự do. Chỉ khi có sự
kích thích (quang, nhiệt) thì các Electron mới bứt ra khỏi nguyên tử Silic, trở thành các

điện tích tự do mang điện tích âm (-) và để lại các lỗ trống mang điện tích dương (+)
Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào trong
đó. Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phot-pho (P) với tỷ lệ khoảng
một phần triệu. P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư
ra 1 điện tử. Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt
nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể. Chất bán dẫn Si pha tạp Phot – pho được gọi là
chất bán dẫn loại N (Negative)

14


Báo cáo đồ án I

Hình 2.3: Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn Silic loại N
Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3
điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ
yếu bằng các lỗ trống

15


Báo cáo đồ án I

Hình 2.4: Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn Silic loại P
Tấm Pin năng lượng Mặt trời được cấu tạo bởi 2 lớp bán dẫn P và N. Khi tấm Pin tiếp
xúc với năng lượng (cụ thể là ánh sang Mặt trời), các electron tự do ở điện cực N sẽ di
chuyển sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P. Sau đó, các electron từ điện cực N và
điện cực P sẽ cùng nhau tạo ra điện trường. Các tế bào năng lượng mặt trời sẽ trở thành
một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực P đến điện cực N, không cho phép di
chuyển ngược lại. Sự di chuyển của các elentron tự do từ điện cực N tới điện cực P tạo ra

dòng điện.

16


Báo cáo đồ án I
Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của tấm Pin Mặt trời
•

Đặc tính làm việc của Pin năng lượng Mặt trời:
Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch Voc

và dòng điện ngắn mạch Isc. Công suất của pin được tính bởi công thức:
P = U.I

Trong đó:

(1.1)

P: công suất của tấm pin (W)
U: Điện áp đầu ra của tấm pin mặt trời (V)
I: dòng điện qua tải (A)

Hình 2.6: Quan hệ giữa điện áp và dòng điện của tấm Pin năng lượng
Mặt trời

•

Nguyên lý hoạt động của Hệ thống năng lượng Mặt trời:
Dòng điện sinh ra từ tấm năng lượng Mặt trời được dẫn tới bộ điều khiển là một

thiết bị điện tử có chức năng điều hoà tự động các quá trình nạp điện vào ắc-quy và
phóng điện từ ắc-quy ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trong trường hợp công suất
17


Báo cáo đồ án I
dòng điện đủ lớn, chúng ta có thể tích hợp thêm bộ chuyển đổi DC – AC để chuyển
thành dòng điện xoay chiều, sử dụng trong một số thiết bị gia đình.

Hình 2.7: Sơ đồ hoạt động của Hệ thống Pin năng lượng Mặt trời
+

Solar Panel

Tấm pin Panel mặt trời (solar cells panel) biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời
để biến thành điện năng. Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời Hiệu suất: từ 15%
- 18% Công suất: từ 25Wp đến 175 Wp Số lượng cells trên mỗi tấm pin : 72 cells Kích
thước cells: 5 – 6 inchs Loại cells: monocrystalline và polycrystalline Chất liệu của
khung nhôm Tuổi thọ trung bình của tấm pin : 30 năm Có khả năng kết nối thành các
trạm điện mặt trời công suất lớn không hạn chế, có thể hòa lưới (grid), hoặc hoạt động
độc lập như 1 hệ thống back-up điện. Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng
1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây, ở mực nước biển). Công
suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin
Panel mặt trời lại với nhau.Các tấm pin Panel mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có
thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và

18

Báo cáo đồ án I
chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt
độ…

+

Bộ điều khiển sạc (Charge Controller)
Bộ điều khiển sạc là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ

cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và
giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài. Bộ điều khiển còn cho biết tình
trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được
các phụ tải. Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế hoặc điện thế
thấp. Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác
nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp.
+

Battery (Pin – Ác - quy)
Ắc – quy được sử dụng để lưu trữ nguồn điện. Ắc – quy có nhiều loại với kích

thước và dung lượng khác nhau tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin
panel mặt trời . Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng
lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau.
+

Inverter (Bộ chuyển đổi AC - DC)
Inverter là bộ chuyển đổi tín hiệu dòng điện. Nó có thể chuyển đổi dòng điện 12V

một chiều từ Ắc – quy sang dòng điện 220V xoay chiều. Inverter có nhiều loại khác
nhau và cũng cho dòng điện đầu ra khác nhau: Sóng hình Sin, sóng giả Sin, sóng

vuông,….

2.1.3. Tổng quan khối điều khiển động cơ điều chỉnh hướng thu ánh sáng

19


Báo cáo đồ án I

2.1.4. Cơ sở lý thuyết khối điều khiển động cơ điều chỉnh hướng thu ánh sáng
• Tìm hiểu chung về động cơ bước
Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những
chuyển động cơ học rời rạc. Trục của động cơ bước quay những bước tăng rời rạc khi
các xung điện điều khiển được áp đến nó theo một trình tự hợp lí. Sự quay của các
động cơ liên hệ trực tiếp với các xung được áp vào. Trình tự của các xung áp vào quan
hệ trực tiếp với hướng quay của trục động cơ. Tốc độ quay của trục động cơ quan hệ
trực tiếp với tần số các xung vào và chiều dài vòng quay thì liên hệ trực tiếp với số
lượng các xung được áp vào.

Hình 3.1: Động cơ bước
Trong cuộc sống hiện đại, động cơ bước có ứng dụng rất rộng rãi. Nó có thể
được tìm thấy trong các thiết bị ngoại vi máy tính, robot, các máy ghi biểu đồ, máy
vẽ x-y, máy bơm, đồng hồ, bàn vẽ, máy công cụ, các thiết bị y khoa, các thiết bị ôtô,
các máy bán hàng nhỏ, và các máy quét…

20


Báo cáo đồ án I

Hình 3.2: Cấu tạo của động cơ bước
Động cơ bước có cấu tạo cơ bản gồm một thanh nam châm cùng hai cuộn dây
được sắp xếp xen kẽ nhau, xung quanh thanh nam châm. Khi các cuộn dây được cấp
điện sẽ tạo nên từ trường bên trong động cơ tác động lên thanh nam châm, từ đó tạo
nên mô – men lên trục quay làm xoay động cơ.

Hình 3.3: Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

21


Báo cáo đồ án I
•

Các phương pháp điều khiển động cơ bước

Theo như hình 3.3, chúng ta có thể thấy, phương pháp điều khiển động cơ bước
đơn giản nhất đó là thay đổi nguồn điện cấp vào giữa hai cuộn dây. Đây chính là
phương pháp điều khiển Full – Step, cũng là phương pháp điều khiển đơn giản nhất.
Tuy nhiên chúng ta cũng có thể dễ dàng nhận ra khi điều khiển theo phương pháp này
thì độ chính xác của động cơ sẽ không cao.
Ngoài cơ chế điều khiển Full – Step, động cơ còn có thể được điều khiển theo
phương pháp Half – Step. Phương pháp này được sử dụng dựa trên sự cân bằng lực tác
động lên thanh nam châm của các cuộn dây. Khi cả hai cuộn dây đều được cấp điện thì
hai cuộn dây đều có một từ trường và từ trường đó tác động lên thanh nam châm sinh
ra một lực có độ lớn bằng nhau tác dụng lên thanh nam châm, từ đó sẽ khiến thanh nam
châm di chuyển với một góc bằng một nửa so với chế độ Full – Step.

Hình 3.4: Chế độ điều khiển Half – Step
Tuy chế độ Half – Step đã cải thiện được phần nào về độ chính xác của động cơ,

tuy nhiên với những dự án cần có độ chính xác cao hoặc cần độ mượt khi hoạt động thì
chế độ Half – Step vẫn chưa thể đáp ứng được. Thay vào đó, người ta sử dụng phương
pháp điều khiển vi bước. Phương pháp điều khiển vi bước hoạt động được bằng sự thay
đổi cường độ dòng điện cấp vào mỗi cuộn dây, từ tỉ lên cường độ dòng điện cấp vào thì
sẽ làm thay đổi cường độ lực mà mỗi cuộn dây tác dụng lên thanh nam châm, khiến
cho nam châm quay với một góc nhỏ hơn làm cho độ chính xác của động cơ trở nên
cao hơn.
22


Báo cáo đồ án I

Hình 3.5: Chế độ điều khiển vi bước
•

IC điều khiển động cơ bước

Giải pháp điều khiển của Texas Instruments
Hiện nay, Texas Instruments đã đưa ra rất giải pháp điều khiển động cơ bước sử
dụng họ IC DRV để điều khiển các loại động cơ có thông số khác nhau. Điển hình như
module DRV8846EVM, đây là module thiết kế của Texas Instruments được sử dụng để
điều khiển động cơ bước. Module sử dụng IC DRV8846 cùng với vi điều khiển
MSP430 để thực hiện cấu hình tín hiệu logic, băm xung PWM,… để điều khiển động
cơ

23


Báo cáo đồ án I

.
Hình 3.6: Module điều khiển động cơ DRV8846EVM
Giải pháp điều khiển của ST
Hiện nay, trong bài toán điều khiển động cơ bước, ST cũng đưa ra rất nhiều giải
pháp hiệu quả, điển hình như IC STSPIN220 hay STSPIN280

24


Báo cáo đồ án I
Hình 3.7: Sơ đồ khối IC STSPIN820
Hình 3.7 mô tả sờ đồ khối tín hiệu của IC STSPIN820. IC này phù hợp để điều
khiển động cơ hoạt động trong dải điện áp từ 7 – 45V với dòng điện đầu ra tối đa là
1.5A.
Giải pháp điều khiển của Allegro
Điểm nổi bật của Allegro so với 2 hãng kể trên là công ty này đưa ra giải pháp
tích hợp điều khiển hai động cơ trên cùng một IC thay vì chỉ một động cơ. Đó chính là
thiết kế của IC A3988

Hình 3.8: Sơ đồ khối giải pháp điều khiển động cơ của Allegro

25