(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu ảnh hưởng khe hở chày cối đến độ biến dạng của thép SUS 304 khi đột trên máy CNC

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

SKL003826

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH


BỘ MƠN 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:
Sinh viên thực hiện:
MSSV:
Lớp:
Sinh viên thực hiện:
MSSV:
Lớp:
Khố:

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. Tƣởng Phƣớc Thọ
Sinh viên thực hiện:Đỗ Sơn Hải
Nguyễn Anh Tú
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 tốn, thiết kế và chế tạo cơ khí cho máy.
Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển điện cho máy.
Viết thuật tốn 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

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:
- Họ tên sinh viên: Nguyễn Anh Tú.
- MSSV: 10911062
Lớp: 109110B
- Địa chỉ sinh viên:
- Số điện thoại liên lạc: 01626578085
- Email:
- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN):
- Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trình
do chính tơi 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, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm”.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 2 tháng 7năm
2015
Ký tên

ii


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 q trình thực hiện
đề tài.
Nhóm cũng gởi lời cảm ơn đối với thầy cơ 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 hồn thành tốt đề tài.
Sinh viên thực hiện
Đỗ Sơn Hải
Nguyễn Anh Tú

iii


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 tốn, 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


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


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 ngồi 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 tốn và lựa chọn động cơ................................................................................................. 17

3.5 Lựa chọn và tính toán bộ truyền.............................................................................................. 18
vi


3.6 Tính tốn 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 Mơ 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 tốn 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 tốn 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


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


DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Ngun liệu chế biến các món trộn, nộm........................................................................ 1
Hình 1.2: Phƣơng pháp làm ráo nƣớc rau ngồi khơng 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 lị 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 lơng – 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 vịng 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: Mơ hình thiết kế................................................................................................................... 26
Hình 4.1: Sơ đồ khối mạch điện điều khiển..................................................................................... 27
Hình 4.2: Sơ đồ ngun lí mạch điều khiển..................................................................................... 28
Hình 4.3: Sơ đồ ngun lí mạch nút nhấn........................................................................................ 29
Hình 4.4 : Sơ đồ nguyên lí mạch hiển thị......................................................................................... 29
ix

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 tốn điều khiển chính............................................................................................... 33
Hình 4.10: Thuật tốn xác định chế độ vắt và hiển thị................................................................ 34
Hình 4.11: Thuật tốn xác định thởi gian vắt và hiển thị............................................................ 35
Hình 4.12: Thuật tốn chƣơng trình vắt tự động........................................................................... 36
Hình 5.1: Lồng vắt sau khi gia cơng......................................................................................................... 37

Hình 5.2: Bên trong lồng vắt................................................................................................................. 37
Hình 5.3: Khung máy sau khi gia cơng............................................................................................. 38
Hình 5.4: Lắp lồng vắt vào khung máy............................................................................................. 38
Hình 5.5: Thùng che sau khi gia cơng............................................................................................... 39
Hình 5.6: Panel điều khiển thực tế...................................................................................................... 39
Hình 5.7: Máy vắt ly tâm sau khi hồn 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


PWM
LED
PID
RCF
ARM

xi


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 ngồi khơng khí hay
bỏ vào rổ vẩy cho khô đối với rau, hoặc vắt bằng tay đối với ngun liệu cần khơ nƣớc.

Hình 1.2: Phƣơng pháp làm ráo nƣớc rau ngồi khơng 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 khơng an tồn 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

1.2






1.3




Mục tiêu của đề tài

Tìm hiểu, nghiên cứu và tính tốn 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 tốn điều khiển.
Viết chƣơng trình điều khiển.
Giới hạn của đề tài

Chế tạo máy vắt ly tâm có cơng suất 2 kg/mẻ.
Điều khiển tốc độ động cơ DC Servo.
Lập thuật tốn điều khiển và viết chƣơng trình điều khiển máy.

1.4Đối 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 tốn thiết kế sơ bộ rồi sau đó thiết kế chi tiết để gia cơng.
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 tốn, thiết kế máy.
 Tài liệu liên quan đến tính tốn, thiết kế mạch điện, điều khiển lập trình.
1.4.2 Giới hạn của đề tài
 Chế tạo máy vắt ly tâm có cơng suất 2 kg/mẻ.
 Điều khiển tốc độ động cơ DC Servo.
 Lập thuật tốn 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 mơ 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 chun mơn hóa đạt năng suất cao.
Góp phần vào việc thúc đẩy ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống.
2


1.7 Tình hình trong và ngồi nƣớc
Hiện nay trên thế giới có nhiều cơng 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 cơng 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 cơng 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


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 = )
có cùng điểm đặt, cùng phƣơng, cùng độ
m và 1 lực trực đối gọi là lực ly tâm ( lớn,
ngƣợc chiều.
| Fht |= |Flt| = m 2r
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
Ngồi lực hƣớng tâm, vật cịn 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 ( vịng/phút).
r là bán kính quay ( mm ).
Trong cơng thức trên ta thấy có hai thơng 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 khơng 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 vịng 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 mơ hình động cơ servo
4


trong bài này cũng không ngoại lệ. Từ bây giờ khi tơi nói encoder tức là incremental
encoder. Hình 2.2 là mơ 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 vịng quay của motor. Bên ngồi 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. Khơng đƣợc vẽ
trong hình 2, tuy nhiên trên các encoder cịn 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


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 khơng những xác định đƣợc góc quay (thơng qua số xung)
mà cịn 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 nơm 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

khơng 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 (khơng phải chân ngắt). Cứ mỗi lần ngắt ngồi
xảy ra, tức có 1 xung xuất hiện trên ở kênh A thì trình phục vụ ngắt ngồi 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 tốn rất cẩn thận khi sử dụng phƣơng pháp này. Ví dụ trƣờng hợp encoder có độ
phân giải 2000 xung/vịng, motor bạn quay với vận tốc 100 vịng/s thì tần số xung trên
6


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”, khơng 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 hồn tồn điện áp cung cấp cho động cơ.
7


Hình 2.6: Sơ đồ xung trên chân vi điều khiển và dạng điện áp ngõ ra

Cơng thức tính giá trị trung bình của điện áp trên động cơ :
là thời gian xung ở sƣờn dƣơng (khóa mở ) cịn T là thời gian của cả sƣờn âm
Gọi
và dƣơng,

là điện áp nguồn cung cấp cho động cơ.

Cơng 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%
D = 50%



Ud = 2.4 V

Ud = 12 V

D = 100%
2.4 Bộ điều khiển PID.
2.4.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID.



Ud = 24 V

Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vịng 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 tốn và điều chỉnh giá trị
điều khiển ở ngõ ra.
Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID:

8


Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID.
Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ
lệ với sai lệch (error – e), I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời
gian của sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời
gian của sai lệch.

Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID.
Hàm truyền của hệ thống:
= H(s)= KP (1 +

Hàm chuyển đổi:
u(t) = KP

+ Td.s)

∫

Tính gần đúng theo cơng thức:
∫

Với n là bƣớc rời rạc tại t.
Kết quả thu đƣợc:
Với:

2.4.2 Điều chỉnh bộ PID bằng phƣơng pháp Ziegler–Nichols.
9


Thông thƣờng việc chọn các thông số P, I, D đƣợc xác định bằng thực nghiệm dựa vào
đáp ứng xung của hệ thống. Ziegler – Nichols đƣa ra phƣơng pháp chọn tham số PID cho
mơ hình qn tính bận nhất có trễ. Ở đây, ta xấp xỉ hàm truyền của động cơ để dùng phƣơng
pháp này, tuy khơng hồn tồn chính xác nhƣng có thể cho đáp ứng tƣơng đối
tốt. Phƣơng pháp này đồi hỏi phải tính đƣợc giá trị giới hạn của khâu tỉ lệ
giới hạn
của hệ kín, sau đó tìm các thơng s

Bảng 2.1: Thơng số bộ điều khiển PID theo thực nghiệm

Để tìm đƣợc Kgh và Tgh , ban đầu ta chỉnh KI , KD bằng 0 sau đó tăng dần KP để hệ
thống ở biên giới ổn định ( dao động với biên độ và chu kì khơng đổi).

Hình 2.9: Xác định hệ số khếch đại tới hạn
Tại đây, ta xác định đƣợc Kgh và Tghsau đó tính các thơng số khác tùy theo bộ điều

khiển nhƣ bảng trên.
KI = KP /TI
2.5 Vi điều khiển ARM STM32F407VG.
2.5.1 Giới thiệu vi điều khiển ARM.
Cấu trúc ARM là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64 bit kiểu RISC đƣợc sử dụng
rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Do có đặc điểm tiết kiệm năng lƣợng, các bộ CPU
ARM chiếm ƣu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà với các sản phẩm này việc
tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàng đầu.
Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM trở
thành cấu trúc 32-bit đƣợc sản xuất nhiều nhất trên thế giới. CPU ARM đƣợc tìm thấy
khắp nơi trong các sản phẩm thƣơng mại điện tử, từ thiết bị cầm tay (PDA, điện thoại di
động, máy đa phƣơng tiện, máy trị chơi cầm tay, và máy tính cầm tay) cho đến các thiết
bị ngoại vi máy tính (ổ đĩa cứng, bộ định tuyến để bàn.) Một nhánh nổi tiếng của họ
ARM là các vi xử lý Xscale của Intel.

10


Phân loại : Kiến trúc V7 gồm những lõi ARM Coxtex đƣợc chia ra ba dịng cấu hình
chính, với các kí hiệu viết tắt là: A, R, M.
A là viết tắt của Appplication, lõi ARM dòng này hỗ trợ cho các ứng dụng có độ phức
tạp cao nhƣ: máy tính, điện thoại di động…
R là viết tắt của Realtime, các ứng dụng cần xử lý thời gian thực đƣợc hỗ trợ bởi cấu
hình này.
M là Microcontroller, dành cho các ứng dụng cơng nghiệp và điện tử tiêu dùng.

Hình 2.10: Cấu trúc vi điều khiễn ARM.
2.5.2 Mạch vi điều khiển STM32F407VG.
STM32F4 Discovery là một mạch phát triển đƣợc hãng STMicroelectronic chế tạo.
Mạch sử dụng Vi điều khiển nhân ARM Cortex-M4 STM32F407VG. Đây là vi điều

khiển khá mạnh, xung đồng hồ lên tới 168MHz, 1024 KB Flash, 192 KB RAM.
Mạch này đƣợc tích hợp nhiều ngoại vi:
 Mạch gỡ rối (debug) ST LINK / V2
 Accelerometer/compass (LSM303DLHC)
 Gyroscope (L3GD20)
 Microphone (MP45DT02)
 Audio codec (CS43L22)
 3.5 mm audio jack
 4 user LEDs
 User button

11


 Reset button
 Full-Speed USB OTG to second Micro-AB USBconnector
 Two 25x2 male pin headers.

Hình 2.11: Mạch điều khiển STM32F407VG.

12