Đồ án Thiết kế và chế tạo máy vắt ly tâm dùng trong thực phẩm (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và chế tạo máy vắt ly tâm dùng trong thực phẩm (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY VẮT LY TÂM DÙNG TRONG THỰC PHẨM GVHD: ThS. TƯỞNG PHƯỚC THỌ SVTH: ĐỖ SƠN HẢI MSSV: 10911020 SVTH: NGUYỄN ANH TÚ MSSV: 10911062 S K L 0 0 3 8 2 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY VẮT LY TÂM DÙNG TRONG THỰC PHẨM Giảng viên hƣớng dẫn: THS. TƢỞNG PHƢỚC THỌ Sinh viên thực hiện: ĐỖ SƠN HẢI MSSV: 10911020 Lớp: 109110C Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ANH TÚ MSSV: 10911062 Lớp: 109110B Khoá: 2010 -2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 2
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Cơ Điện Tử. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. Tƣởng Phƣớc Thọ Sinh viên thực hiện:Đỗ Sơn Hải MSSV:10911020 Nguyễn Anh Tú MSSV:10911062 1. Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY VẮT LY TÂM DÙNG TRONG THỰC PHẨM. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: . . . . . . 3. Nội dung chính của đồ án: - Tìm hiểu và chọn thiết bị cho máy. - Tính toán, thiết kế và chế tạo cơ khí cho máy. - Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển điện cho máy. - Viết thuật toán điều khiển và lập trình điều khiển máy. 4. Các sản phẩm dự kiến . . . . 5. Ngày giao đồ án: 10/3/2015 6. Ngày nộp đồ án: 20/7/2015 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài:Thiết kế và chế tạo máy vắt ly tâm dùng trong thực phẩm. - GVHD: ThS. Tƣởng Phƣớc Thọ. - Họ tên sinh viên:Đỗ Sơn Hải. - MSSV:10911020 Lớp:109110C - Địa chỉ sinh viên: - Số điện thoại liên lạc: 0163 860 5798 - Email:dosonhai1991@gmail.com - Họ tên sinh viên: Nguyễn Anh Tú. - MSSV: 10911062 Lớp: 109110B - Địa chỉ sinh viên: - Số điện thoại liên lạc: 01626578085 - Email:anhtuspkt10@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 2 tháng 7năm 2015 Ký tên ii
5. LỜI CẢM ƠN Chúng em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy Tƣởng Phƣớc Thọ, giáo viên hƣớng dẫn, đã định hƣớng, chỉ bảo, dìu dắt chúng em trong quá trình thực hiện đề tài. Nhóm cũng gởi lời cảm ơn đối với thầy cô khoa Cơ khí chế tạo máy, bộ môn Cơ điện tử đã chỉ bảo, định hƣớng cho chúng em trong quá trình học tập và thực hiện đề tài này. Cuối cùng với lòng biết ơn sâu sắc nhất xin dành cho gia đình, bạn bè đã giúp đỡ rất nhiều về vật chất và tinh thần để nhóm hoàn thành tốt đề tài. Sinh viên thực hiện Đỗ Sơn Hải Nguyễn Anh Tú iii
6. TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÁY LY TÂM VẮT NƢỚC DÙNG TRONG THỰC PHẨM Đồ án là máy vắt ly tâm dùng trong thực phẩm. Máy hoạt động dựa trên nguyên lý ly tâm với chức năng làm ráo nƣớc các loại rau củ sau khi rửa hay ngâm nƣớc. Với đề tài này, nhóm tiến hành thiết kế và chế tạo cơ khí cho máy. Cơ khí đƣợc thiết kế gọn nhẹ với các thanh thép ống vuông hàn lại với nhau. Bộ truyền đai đƣợc sử dụng để truyền động lực từ động cơ đến lồng vắt. Mạch điểu khiển là kit STM32F407VG với tốc độ xử lý cao. Nhiệm vụ mạch điều khiển là nhận tín hiệu điều khiển từ nút nhấn và tính toán, xử lý theo chƣơng trình sau đó xuất tín hiệu điều khiển vận tốc động cơ DC Servo. Máy hoạt động ở hai chế độ tự động và bằng tay. Ở chế độ tự động có ba chế độ vắt với ba tốc độ khác nhau. Ở chế độ bằng tay, ngƣời vận hành có thể điều chỉnh vận tốc của lồng vắt bằng biến trở. iv
7. ABSTRACT DESIGN AND MANUFACTURE CENTRIFUGAL EXTRACTOR MACHINE IN FOOD The projects is a centrifugal extractor machine used in food. Machine operation is based on the principle of centrifugal and functionality drain the vegetables after washing or soaking in water. With this subject, we design and manufacture the mechanics. The mechanics are designed with square tube steel rods welded together. The transmission belt is used to transmit dynamics from DC motor to extractor drum. Control circuit is STM32F407VG kit with high processing speed. The function of the control circuit is receives control signals from buttons and calculating, processing program and then export the control signal DC Servo motor speed. The machine operates in two modes automatically and manually. In the automatic mode has three modes extractor with three different speeds. In manual mode, the operator can adjust the speed of the extractor drum by a variable resistor. v
8. MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CÁM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC SƠ ĐỒ, H NH V ix DANH MỤC T VIẾT TẮT xi CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 Mục tiêu của đề tài 2 1.3 Giới hạn của đề tài 2 1.4 Đối tƣợng nghiên cứuvà giới hạn của đề tài 2 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu 2 1.4.2 Giới hạn của đề tài 2 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 2 1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 1.7 Tình hình trong và ngoài nƣớc 3 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 Giới thiệu lực ly tâm 4 2.1.1 Lực ly tâm 4 2.1.2 Lực ly tâm tƣơng đối 4 2.2 Đo tốc độ động cơ bằng encoder 4 2.3 Điều chế độ rộng xung PWM 7 2.4 Bộ điều khiển PID 8 2.4.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID. 8 2.4.2 Điều chỉnh bộ PID bằng phƣơng pháp Ziegler–Nichols. 9 2.5 Vi điều khiển STM32F407VG 10 2.5.1 Giới thiệu vi điều khiển ARM 10 2.5.2 Mạch vi điều khiển STM32F407VG. 11 CHƢƠNG 3:THIẾT KẾ CƠ KHÍ 13 3.1 Lựa chọn phƣơng án thiết kế kết cấu máy 13 3.2 Thiết kế lồng vắt 14 3.3 Thiết kế khớp nối 16 3.4 Tính toán và lựa chọn động cơ 17 3.5 Lựa chọn và tính toán bộ truyền 18 vi
9. 3.6 Tính toán và thiết kế trục chính 19 3.7 Thiết kế đồ gá động cơ 22 3.8 Thiết kế khung máy 23 3.8.1 Phần khung chịu lực chính 23 3.8.2 Thiết kế phần lắp gối đỡ vòng bi trên khung máy 24 3.8.3 Thiết kế phần gá đặt động cơ trên khung máy 25 3.9 Thiết kế đế cao su giảm rung 25 3.10 Mô hình thiết kế 26 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 27 4.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển 27 4.2 Bộ điều khiển 27 4.3 Mạch nút nhấn 28 4.4 Mạch hiển thị 29 4.5 Mạch công suất 29 4.6 Mạch ổn áp 5V 30 4.7 Mạch ổn áp 24V 31 4.8 Thiết kế panel điều khiển 31 4.9 Thuật toán điều khiển 32 4.9.1 Thuật toán điều khiển chính 32 4.9.2 Thuật toán xác định chế độ vắt và hiển thị 33 4.9.3 Thuật toán xác định thời gian vắt và hiển thị 33 4.9.4 Thuật toán chƣơng trình tự động 35 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 37 5.1 Kết quả 37 5.2 Thực nghiệm 40 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 45 6.1 Kết luận 45 6.2 Hƣớng phát triển 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 vii
10. DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1: Thông số bộ điều khiển PID theo thực nghiệm 10 Bảng 3.1: Thông số động cơ 18 Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật của máy 40 Bảng 5.2: Thực nghiệm với chế độ tự động 42 viii
11. DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Nguyên liệu chế biến các món trộn, nộm 1 Hình 1.2: Phƣơng pháp làm ráo nƣớc rau ngoài không khí. 1 Hình 1.3: Máy vắt ly tâm 3 Hình 2.1: Lực ly tâm 4 Hình 2.2: Cấu tạo encoder 5 Hình 2.3: Hai kênh A và B lệch pha trong encoder 5 Hình 2.4: Đồ thị dạng xung điều chế PWM 7 Hình 2.5: Điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM. 7 Hình 2.6:Sơ đồ xung trên chân vi điều khiển và dạng điện áp ngõ ra 8 Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 9 Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 9 Hình 2.9: Xác định hệ số khếch đại tới hạn 10 Hình 2.10: Cấu trúc vi điều khiễn ARM 11 Hình 2.11: Mạch điều khiển STM32F407VG 12 Hình 3.1: Máy ly tâm giảm rung bằng lò xo 13 Hình 3.2: Máy ly tâm giảm rung bằng đế cao su 13 Hình 3.3: Sơ đồ vị trí tƣơng đối các bộ phận máy vắt ly tâm 14 Hình 3.4: Phƣơng án hiết kế lồng vắt 15 Hình 3.5: Lỗ gắn bu lông- đai ốc cố định lồng vắt với khớp nối 15 Hình 3.6: Lồng vắt sau khi thiết kế 16 Hình 3.7: Thiết kế khớp nối 16 Hình 3.8: Vị trí gắn với lồng vắt 20 Hình 3.9: Vị trí gắn trục chính 20 Hình 3.10: Biểu đồ lực tác động lên trục chính 21 Hình 3.11: Kích thƣớc động cơ 22 Hình 3.12: Đồ gá động cơ 22 Hình 3.13: Vị trí gắn động cơ trên đồ gá 22 Hình 3.14: Lỗ gắn bu lông – đai ốc cố định vào thân máy 22 Hình 3.15: Thiết kế khung chịu lực chính 24 Hình 3.16: Vị trí gắn gối đỡ vòng bi trên thân máy 25 Hình 3.17: Vị trí gắn động cơ trên thân máy 25 Hình 3.18: Đế giảm rung bằng cao su 22 Hình 3.19: Mô hình thiết kế 26 Hình 4.1: Sơ đồ khối mạch điện điều khiển 27 Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển 28 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lí mạch nút nhấn 29 Hình 4.4 : Sơ đồ nguyên lí mạch hiển thị 29 ix
12. Hình 4.5: Mạch cầu H Bridge MC33883 30 Hình 4.6: Mạch ổn áp LM2596S 31 Hình 4.7: Mạch nguồn 24V 31 Hình 4.8: Thiết kế panel điểu khiển 32 Hình 4.9: Thuật toán điều khiển chính 33 Hình 4.10: Thuật toán xác định chế độ vắt và hiển thị 34 Hình 4.11: Thuật toán xác định thởi gian vắt và hiển thị 35 Hình 4.12: Thuật toán chƣơng trình vắt tự động 36 Hình 5.1: Lồng vắt sau khi gia công 37 Hình 5.2: Bên trong lồng vắt. 37 Hình 5.3: Khung máy sau khi gia công. 38 Hình 5.4: Lắp lồng vắt vào khung máy. 38 Hình 5.5: Thùng che sau khi gia công. 39 Hình 5.6: Panel điều khiển thực tế. 39 Hình 5.7: Máy vắt ly tâm sau khi hoàn thành. 40 Hình 5.8: Thực nghiệm với cải bẹ dún. 41 Hình 5.9: Rau muống cắt sợi sau khi vắt nƣớc 43 Hình 5.10: Thực nghiệm với rau xà lách. 44 x
13. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PWM Pulse Width Modulation LED Light Emitting Diode PID Proportional Integral Derivative RCF Relative Centrifugal Force ARM Advanced RISC Machine xi
14. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Ẩm thực Việt Nam mang những nét văn hóa riêng với ba miền Bắc, Trung, Nam. Mỗi vùng miền có những món ăn mang đậm nét địa phƣơng, chịu ảnh hƣởng của tập quá dân cƣ và các điều kiện tự nhiên phong phú tạo ra sự đa dạng cho văn hóa ẩm thực Việt Nam. Trong đó nổi bật là các món trộn, gỏi, nộm đƣợc chế biến từ rau, củ, quả. Các món này có giá trị dinh dƣỡng cao vì đƣợc chế biến từ rau quả chứa nhiều vitamin, chất xơ Đặc biệt, các món ăn này mang đến sự ngon miệng ngƣời dùng do cách chế biến đặc biệt. Hình 1.1: Nguyên liệu chế biến các món trộn, nộm Với yêu cầu trƣớc khi chế biến, nguyên liệu cần phải ngâm và rữa sạch loại bỏ chất bẩn. Sau đó tùy vào yêu cầu chế biến từng món ăn mà nguyên liệu cần chỉ cần làm ráo nƣớc hoặc vắt khô nƣớc. Các phƣơng pháp phổ biến hiện nay là để ngoài không khí hay bỏ vào rổ vẩy cho khô đối với rau, hoặc vắt bằng tay đối với nguyên liệu cần khô nƣớc. Hình 1.2: Phƣơng pháp làm ráo nƣớc rau ngoài không khí Hạn chế của các phƣơng pháp này là chỉ sử dụng khi lƣợng nguyên liệu vắt nƣớc ít, thời gian làm ráo nƣớc tƣơng đối lâu và không an toàn vệ sinh thực phẩm. Nắm bắt đƣợc nhu cầu đó, nhóm đã quyết định chọn đề tài Thiết kế và chế tạo máy vắt ly tâm dùng trong thực phẩm. Máy góp phần làm tăng năng suất, giảm thời gian chế biến và đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm. 1
15. 1.2 Mục tiêu của đề tài Tìm hiểu, nghiên cứu và tính toán động lực học cho máy. Tìm hiểu và sử dụng bộ điều khiển PID để điểu khiển vận tốc động cơ. Thiết kế và lựa chọn mạch điểu khiển, mạch công suất, mạch nút nhấn, mạch đèn led báo hiệu. Xây dựng lƣu đồ thuật toán điều khiển. Viết chƣơng trình điều khiển. 1.3 Giới hạn của đề tài Chế tạo máy vắt ly tâm có công suất 2 kg/mẻ. Điều khiển tốc độ động cơ DC Servo. Lập thuật toán điều khiển và viết chƣơng trình điều khiển máy. 1.4 Đối tƣợng nghiên cứu và giới hạn của đề tài 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣơng nghiên cứu của đề tài là thiết kế và chế tạo máy ly tâm vắt nƣớc dùng trong thực phẩm. Do sản phẩm đƣợc đem vào sử dụng thực tế nên nhóm tập trung vào tính toán thiết kế sơ bộ rồi sau đó thiết kế chi tiết để gia công. Bên cạnh đó máy đƣợc điều khiển bằng hệ thống điện và chƣơng trình nên nhóm nghiên cứu về nguyên lý mạch điện và các thuật toán để ứng dụng vào điều khiển máy. Đối tƣợng cần tìm hiểu: Tài liệu liên quan đến tính toán, thiết kế máy. Tài liệu liên quan đến tính toán, thiết kế mạch điện, điều khiển lập trình. 1.4.2 Giới hạn của đề tài Chế tạo máy vắt ly tâm có công suất 2 kg/mẻ. Điều khiển tốc độ động cơ DC Servo. Lập thuật toán điều khiển và viết chƣơng trình điều khiển máy. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Để hoàn thành tốt mục tiêu đề ra của đề tài, nhóm đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu là tìm tài liệu, tìm hiểu một số đề tài khoa học liên quan đến cơ khí, điều khiển, nghiên cứu một số trang web, sách Từ đó đƣa ra các phƣơng án thiết kế và lựa chọn thiết bị. Sau khi chế tạo xong mô hình, nhóm tiến hành chạy thử nghiệm để nhận xét, đánh giá kết quả so với mục tiêu đã đề ra. 1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Tạo ra sản phẩm thay thế một phần công việc của con ngƣời. Tạo ra sản phẩm có tính chuyên môn hóa đạt năng suất cao. Góp phần vào việc thúc đẩy ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống. 2
16. 1.7 Tình hình trong và ngoài nƣớc Hiện nay trên thế giới có nhiều công ty sản sản xuất máy vắt ly tâm. Các máy này đƣợc ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực trong đó có chế biến thực phẩm. Hiện Trung Quốc có nhiều công ty sản xuất máy vắt ly tâm công suất lớn dùng trong các nhà máy chế biến, bảo quản thực phẩm. Hệ thống giảm rung sử dụng phổ biến là thân máy đƣợc trên đế bằng ba lò xo hoặc thiết bị giảm rung. Động cơ điện đƣợc sử dụng trong máy thƣờng là động cơ xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha. Hình 1.3: Máy vắt ly tâm Ở Việt Nam cũng có một số công ty sản xuất máy vắt ly tâm dùng để vắt đậu nành, đỗ tƣơng, vắt nƣớc khỏi đậu với công suất từ 10 kg/mẻ đến 30 kg/mẻ. Hệ thống điều khiển máy tƣơng đối đơn giản, thƣờng chỉ có một cấp tốc độ. Trƣớc tình hình nhóm đã tìm hiểu nhu cầu cần máy làm ráo nƣớc cho các loại thực phẩm với thời gian nhanh; an toàn vệ sinh thực phẩm và đạt năng suất cao. Dựa vào nhu cầu đó nhóm đã chọn đề tài thiết kế và chế tạo máy vắt ly tâm dùng trong thực phẩm để làm đồ án tốt nghiệp. 3
17. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu vê lực ly tâm 2.1.1 Lực ly tâm Một vật chuyển động tròn với vận tốc góc chịu tác dụng của: 1 lực hƣớng tâm = m và 1 lực trực đối gọi là lực ly tâm ( ) có cùng điểm đặt, cùng phƣơng, cùng độ lớn, ngƣợc chiều. 2 | Fht |= |Flt| = m r Trong đó: r là bán kính quay. m là khối lƣợng của vật. là vận tốc góc. Hình 2.1: Lực ly tâm 2.1.2 Lực ly tâm tƣơng đối Ngoài lực hƣớng tâm, vật còn chịu tác dụng lực hút của trái đất P (1Kg 9,8 N). Tổng hợp lực ta có lực hƣớng tâm thực tế. Do vậy, trực đối có lực ly tâm thực tế, gọi là lực ly tâm tƣơng đối. RCF = = = = Trong đó: n là tốc độ quay ( vòng/phút). r là bán kính quay ( mm ). Trong công thức trên ta thấy có hai thông số ảnh hƣởng đến lực ly tâm đó là bán kính quỹ đạo quay và tốc độ quay quanh trục. Trong trƣờng hợp đối với máy ly tâm thì bán kính của lồng vắt không thay đổi trong quá trình hoạt động. Vậy ta sẽ thay đổi tốc độ quay của lồng để thay đổi độ lớn lực ly tâm. 2.2 Đo tốc độ bằng encoder Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải đọc đƣợc góc quay của motor. Một số phƣơng pháp có thể đƣợc dùng để xác định góc quay của motor bao gồm tachometer (thật ra tachometer đo vận tốc quay), dùng biến trở xoay, hoặc dùng encoder. Trong đó 2 phƣơng pháp đầu tiên là phƣơng pháp analog và dùng optiacal encoder (encoder quang) thuộc nhóm phƣơng pháp digital. Hệ thống optical encoder bao gồm một nguồn phát quang (thƣờng là hồng ngoại – infrared), một cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh. Optical encoder lại đƣợc chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) và encoder tƣơng đối (incremental optical encoder). Trong đa số các DC Motor, incremental optical encoder đƣợc dùng và mô hình động cơ servo 4
18. trong bài này cũng không ngoại lệ. Từ bây giờ khi tôi nói encoder tức là incremental encoder. Hình 2.2 là mô hình của encoder loại này Hình 2.2: Cấu tạo encoder Encoder thƣờng có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index). Trong hình 2.2 bạn thấy hãy chú ý một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phat-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Đó là kênh I của encoder. Cữ mỗi lần motor quay đƣợc một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Nhƣ thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor. Bên ngoài đĩa quay đƣợc chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tƣơng tự kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và đƣợc gọi là độ phân giải (resolution) của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh nhƣng cũng có trƣờng hợp đến hàng nghìn rãnh đƣợc chia. Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh hƣởng đến độ chính xác điều khiển và cả phƣơng pháp điều khiển. Không đƣợc vẽ trong hình 2, tuy nhiên trên các encoder còn có một cặp thu phát khác đƣợc đặt trên cùng đƣờng tròn với kênh A nhƣng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của encoder. Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhƣng lệch pha 90o. Bằng cách phối hợp kênh A và B ngƣời đọc sẽ biết chiều quay của động cơ. Hãy quan sát hình2.3. Hình 2.3: Hai kênh A, B lệch pha trong encoder 5
19. Hình trên cùng trong hình 2.3 thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau. Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận đƣợc hồng ngoại xuyên qua, và ngƣợc lại. Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh. Xét trƣờng hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải. Bạn hãy quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp. Ngƣợc lại, nếu động cơ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái. Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao. Nhƣ vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định đƣợc góc quay (thông qua số xung) mà còn biết đƣợc chiều quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A). Tùy theo đại lƣợng điều khiển (vị trí hay vận tốc) và đặc điểm encoder (độ phân giải) chúng ta có các giải pháp sau để đọc encoder bằng vi điều khiển. Dùng input capture: một số bộ timer-counter trên vi điều khiển có chức năng Input capture, hiểu nôm na nhƣ sau. Cứ mỗi lần có một tín hiệu (cạnh lên hoăc cạnh xuống) trên chân ICP (Input Capture Pin), giá trị thời gian của timer đƣợc tự động gán cho thanh ghi ICR (Input capture Register). So sánh giá trị thanh ghi ICR trong 2 lần liên tiếp sẽ đọc đƣợc chu kỳ của tín hiệu kích chân ICP. Từ đó suy ra tần số tín hiệu. Nếu một kênh của encoder đƣợc nối với chân ICP thì chúng ta có thể đo đƣợc tần số tín hiệu của kênh này. Nói cách khác, chúng ta sẽ tính đƣợc vận tốc của động cơ. Chúng ta có thể dùng ngắt Input capture và khi ngắt xảy ra, có thể đếm số thêm số xung để biết đƣợc góc quay motor, cũng có thể xác định đƣợc hƣớng quay thông qua xác định mức kênh B trong trình phục vụ ngắt input capture. Đây là một phƣơng pháp hay, nhƣng có nhƣợc điểm là khá phức tạp khi sử dụng chức năng input capture trên vi điều khiển. Dùng chức năng counter: đặt các kênh của encoder vào các chân đếm (T0, T1 ) của các bộ timer chúng ta sẽ đếm đƣợc số lƣợng xung của các kênh. Đây là phƣơng pháp sử dụng ít tài nguyên nhất (ít tốn thời gian cho encoder). Nhƣợc điểm lớn nhất của phƣơng pháp này là không xác định đƣợc chiều quay, mặc khác phƣơng pháp này không ổn định khi vận tốc động cơ có sự thay đổi lớn. Cuối cùng là sử dụng ngắt ngoài: đây là phƣơng pháp dễ nhƣng chính xác để đọc encoder và cũng là phƣơng pháp đƣợc dùng trong bài học này. Ý tƣởng của phƣơng pháp rất đơn giản, chúng ta nối kênh A của encoder với 1 ngắt ngoài (INT2 chẳng hạn) và kênh B với một chân nào đó bất kỳ (không phải chân ngắt). Cứ mỗi lần ngắt ngoài xảy ra, tức có 1 xung xuất hiện trên ở kênh A thì trình phục vụ ngắt ngoài tự động đƣợc gọi. Trong trình phục vụ ngắt này chúng ta kiểm tra mức của kênh B, tùy theo mức của kênh B chúng ta sẽ tăng biến đếm xung lên 1 hoặc giảm đi 1. Tuy nhiên, bạn cần phải tính toán rất cẩn thận khi sử dụng phƣơng pháp này. Ví dụ trƣờng hợp encoder có độ phân giải 2000 xung/vòng, motor bạn quay với vận tốc 100 vòng/s thì tần số xung trên 6
20. kênh A của encode là 2000x100=200KHz, nghĩa là cứ mỗi 5 us ngắt ngoài xảy ra một lần. Tần số ngắt nhƣ thế là quá cao cho PIC, điều này có nghĩa là PIC chỉ tập trung cho mỗi việc “đếm xung”, không có đủ thời gian để thực thi các việc khác. 2.3 Điều chế độ rộng xung PWM Phƣơng pháp điều xung PWM là phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phƣơng pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. Các module PWM thƣờng sử dụng tần số điều chế không đổi và điều chỉnh dựa trên sự thay đổi của phần trăm độ rộng xung (duty cycle). Hình 2.4: Đồ thị dạng xung điều chế PWM Với phƣơng pháp này ta thay đổi độ rộng xung PWM từ đó thay đổi điện áp trung bình ra động cơ hay nói cách khác là thay đổi tốc độ động cơ. Hình 2.5: Điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM Nguyên lý hoạt động của PWM : Trong khoảng thời gian 0 - ta cho trasistor mở toàn bộ điện áp nguồn 24V đƣợc đƣa ra động cơ. Còn trong khoảng thời gian - T cho transistor đóng, cắt nguồn cung cấp cho động cơ. Vì vậy với thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho động cơ. 7
21. Hình 2.6: Sơ đồ xung trên chân vi điều khiển và dạng điện áp ngõ ra Công thức tính giá trị trung bình của điện áp trên động cơ : Gọi là thời gian xung ở sƣờn dƣơng (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sƣờn âm và dƣơng, là điện áp nguồn cung cấp cho động cơ. Công thức tính điện áp trung bình trên động cơ : Ud = Umax.( / T) hay Ud =Umax.D Trong đó D = T0.100/ T : là phần trăm độ rộng xung. Với Umax = 24 V thì : D = 10% Ud = 2.4 V D = 50% Ud = 12 V D = 100% Ud = 24 V 2.4 Bộ điều khiển PID. 2.4.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo đƣợc của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra. Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID: 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4