Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập tại giảng đường trường Đại học giao thông vận tải, dưới sự dậy bảo tận tình của quý Thầy, Cô và sự giúp đỡ của các bạn trong khoa Điện - Điện tử, đặc biệt là các Thầy, Cô trong bộ môn Điều khiển học đã chỉ dạy cho em, giúp em tích lũy được nhiều kiến thức quý giá để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại học và xa hơn nữa là ứng dụng những kiến thức đó phục vụ cho công việc sau này. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo ThS. Trần Ngọc Tú người đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Mặc dù rất cố gắng nhưng với khả năng, thời gian có hạn và kinh nghiệm thực tiễn chưa nhiều nên em không thế tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến bổ sung của các thầy cô giáo đế đồ án này được hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chúc thầy cô và cùng toàn thể các bạn trong lớp nhiều sức khỏe và thành công trong mọi công việc. Em xin chân thành cảm ơn ! Nguyễn Lê Huy 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú MỤC LỤC Nguyễn Lê Huy 2 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú DANH MỤC HÌNH ẢNH Nguyễn Lê Huy 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú DANH MỤC BẢNG BIỂU Nguyễn Lê Huy 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú LỜI MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, chất lượng sản xuất và chất lượng cuộc sống của con người ngày càng được nâng cao. Để đạt được rất nhiều những thành tựu khoa học tiến bộ như hiện nay chúng ta không thể bỏ qua tầm quan trọng của kỹ thuật tự động hóa và điều khiển. Viêc tạo ra các sản phẩm tự động hoá không những trong công nghiệp mà ngay cả trong đời sống con người ngày càng được phố biến. Hầu như trong mọi lĩnh vực đều thấy có sự cần thiết của tự động hoá. Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng của đời sống xã hội, của nền kinh tế quốc dân, của khoa học kỹ thuật, của nền công nghiệp v.v Bất cứ ở vị trí nào, bất cứ một công việc gì mỗi người trong chúng ta đều tiếp cận với điều khiển. Nó là khâu quan trọng cuối cùng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta. Hiện nay khi nhắc tới điều khiển con người dường như hình dung đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lượng chất xám cao hơn. Ngày nay động cơ điện một chiều được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của khoa học & đời sống như: Trong các dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máy bay . Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen thuộc trong ngành điều khiển tự động. Có thể thiết kế điều khiển cho đối tượng động cơ điện một chiều theo nhiều phương pháp như :dùng PLC & biến tần, điện tử công suất, vi điều khiển Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm khác nhau nhưng đều cùng chung mục đích là điều khiển tốc độ của động cơ.Trên cơ sở muốn tìm hiểu về các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều, em xin chọn đề tài : Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước sử dụng Card dSPACE Phân loại sản phẩm là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong thực tế hiện nay. Với việc dùng sức người, đối với các công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp lại, thì các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc. Chưa kể đến có những khâu phân loại dựa trên các chi tiết kĩ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thể nhận ra. Điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất. Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời là một sự phát triển tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này. Khi sản phẩm được sản xuất ra, người công nhân dùng các thiết bị đo kiểm để xác định sản phẩm thuộc loại nào. Sau đó xếp sản phẩm vào trong hộp, đếm đủ số lượng rồi dùng băng keo dán lên miệng hộp. Việc này phụ thuộc rất nhiều vào trình độ công nhân. Hơn nữa, công nhân làm việc lâu không tránh khỏi những sai sót dẫn đến chất lượng sản phẩm không đồng đều. Còn đối với hoạt động phân loại tự động thì Khi sản phẩm được sản xuất ra, được tự động sắp xếp đều trên băng chuyền. Bên cạnh băng chuyền có đặt các công tắc hành trình, phụ thuộc vào kích thước của sản phẩm mà chúng có tác động vào công tắc hành trình hay không, khi sản phẩm tác động vào công tắc hành trình chúng sẽ được đẩy vào hộp nằm trên các băng chuyền khác. Các sản phẩm còn lại sẽ được băng chuyền tiếp tục mang đi Nguyễn Lê Huy 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú đến các thùng hàng ,thông qua hệ thống đếm tự động cho đến khi đủ số lượng quy định thì hệ thống sẽ tự động dừng trong một khoàng thời gian để đóng gói sản phẩm. Hệ thống hoạt động tuần tự cho đến khi có lệnh dừng. Người công nhân chỉ việc tới lấy hộp xếp lên xe đẩy đưa vào kho hàng. Qua những đợt thực tập tại các xưởng công nghiệp, xí nghiệp, nhà máy… em đã được trực tiếp chứng kiến rất nhiều dây chuyền phân loại sản phẩm rất hiện đại, từ đó em đã xây dựng một mô hình băng chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng Card dSPACE1104. 2. Tính cấp thiết của đề tài Sự kết hợp giữa ngành Điện - Điện tử và ngành Cơ khí là một bước tiến quan trọng trong sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp. Hiện nay đất nước ta đang trong quá trình phát triển và hội nhập, chính vì thế các mặt hàng được sản xuất ra không những đạt tiều chuẩn về chất lượng, mà còn đòi hỏi phải có độ chính xác cao về hình dạng, kích thước, trọng lượng… Cho nên từ đó các khu công nghiệp được hình thành với nhiều dây chuyền thiết bị máy móc hiện đại để phối hợp với nhu cầu sản xuất, để tạo ra năng suất cao hơn trong quá trình sản xuất, cũng như để hạ giá thành sản xuất của sản phẩm. Chính vì vậy mỗi dây chuyền phân loại sản phẩm được thiết kế cần có sự chính xác, nhanh gọn và đạt hiệu quả cao trong khâu phân loại. Em hy vọng đề tài có thể phát triển và ứng dụng rộng rãi ở trong các nhà máy, xí nghiệp… 3. Mục tiêu của đề tài - Tìm hiểu về Card dSPACE1104 và các phần mềm lập trình đi kèm, cách thức giao tiếp Card dSPACE với phần cứng. -Xây dựng chương trình điều khiển tốc độ động cơ kéo băng tải trên phần mềm Matlab Simulink. -Xây dựng chương trình phân loại sản phẩm theo chiều cao trên phần mềm Matlab Simulink. -Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển băng chuyền phân loại sản phẩm trên phần mềm Control Desk. -Thiết kế và thi công phần cứng mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao, chạy thử chương trình và nghiệm thu kết quả. Nguyễn Lê Huy 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM TRONG CÔNG NGHIỆP 1.1. Các hệ thống phân loại sản phẩm phổ biến hiện nay Hiện nay có rất nhiều nhà máy, xí nghiệp sản xuất sử dụng các hệ thống phân loại sản phẩm. Tùy vào mức độ phức tạp trong yêu cầu phân loại, các hệ thống phân loại tự động có những quy mô lớn, nhỏ khác nhau. Tuy nhiên có một đặc điểm chung là chi phí cho các hệ thống này khá lớn, đặc biệt đối với điều kiện của Việt Nam. Vì vậy hiện nay đa số các hệ thống phân loại tự động đa phần mới chỉ được áp dụng trong các hệ thống có yêu cầu phân loại phức tạp, còn một lượng rất lớn các doanh nghiệp Việt Nam vẫn sử dụng trực tiếp sức lực con người để làm việc. Bên cạnh các băng chuyền để vận chuyển sản phẩm thì một yêu cầu cao hơn được đặt ra đó là phải có hệ thống phân loại sản phẩm. Trên thực tế có rất nhiều phương pháp phân loại sản phẩm và có khi sử dụng đan xen nhiều phương pháp lại với nhau để đạt được kết quả tốt nhất. Còn rất nhiều dạng phân loại sản phẩm tùy theo yêu cầu của nhà sản xuất như: Phân loại sản phẩm theo kích thước, Phân loại sản phẩm theo màu sắc, Phân loại sản phẩm theo khối lượng, Phân loại sản phẩm theo mã vạch, Phân loại sản phẩm theo hình ảnh v.v... Vì có nhiều phương pháp phân loại khác nhau nên có nhiều thuật toán, nhiều hướng giải quyết khác nhau cho từng loại sản phẩm, đồng thời các thuật toán này có thể đan xen, hỗ trợ lẫn nhau. Ví dụ như muốn phân loại vải thì cần phân loại về kích thước và màu sắc, về nước uống (như bia, nước ngọt) cần phân loại theo chiều cao, khối lượng, phân loại xe theo chiều dài, khối lượng, phân loại gạch granite theo hình ảnh v.v...Sau đây em xin trình bày một số phương pháp phân loại sản phẩm mà em biết. - Phân loại sản phẩm to nhỏ sử dụng cảm biến quang: Các sản phẩm di chuyển trên băng chuyền ngang qua cảm biến quang thứ 1 nhưng chưa kích cảm biến thứ 2 thì được phân loại vật thấp nhất, khi sản phẩm qua 2 cảm biến đồng thời thì được phân loại vật cao nhất. Nguyễn Lê Huy 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 1.1: Dây chuyên phân loại và đóng gói gạch men của hãng SYSTEM(Italya) - Phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc: Sử dụng những cảm biến phân loại màu sắc sẽ được đặt trên băng chuyền, khi sản phấm đi ngang qua nếu cảm biến nào nhận biết được sản phẩm thuộc màu nào sẽ được cửa phân loại tự động mở để sản phẩm đó đựợc phân loại đúng. Phát hiện màu sắc bằng cách sử dụng các yếu tố là tỷ lệ phản chiếu của một màu chính (ví dụ như đỏ, xanh lá cây hoặc xanh trời) được phản xạ bởi các màu khác nhau theo các thuộc tính màu của đối tượng. Bằng cách sử dụng công nghệ lọc phân cực đa lớp gọi là FAO (góc quang tự do), cảm biến E3MC phát ra màu đỏ, xanh lá cây và màu xanh sáng trên một trục quang học đon. E3MC sẽ thu ánh sáng phản chiếu của các đối tượng thông qua các cảm biến nhận và xử lý tỷ lệ các màu xanh lá cây, đỏ, xanh lam của ánh sáng để phân biệt màu sắc của vật cần cảm nhận. Hình 1.2: Máy phân loại gạo của hãng S.PRECISION Hình 1.3: Màu gạo được phân loại bằng máy phân loại gạo Nguyễn Lê Huy 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 1.4: Dây chuyền phân loại cà chua Phân loại sản phẩm dùng webcam: Sử dụng 1 camera chụp lại sản phẩm khi chạy qua và đưa ảnh về so sánh với ảnh gốc. Nếu giống thì cho sản phẩm đi qua, còn nếu không thì loại sản phẩm đó. Hình 1.5: Dây chuyền phân loại gạch men của hãng DEKE Nhận thấy thực tiễn đó, trong đồ án này, em đã xây dựng một một mô hình rất nhỏ nhưng có chức năng gần tương tự với ngoài thực tế. Đó là: tạo ra một băng chuyền vận chuyển sản phẩm, phân loại sản phẩm theo chiều cao đã được đặt trước. Tùy vào khối lượng tải trên băng chuyền mà tốc độ băng chuyền sẽ thay đổi để có thể kéo băng tải một cách hợp lý nhất. 1.2. Các yêu cầu khi thiết kế hệ thống  Các chuyển động chính: - Chuyển động của băng chuyền chính để mang sản phẩm đi phân loại. - Chuyển động tịnh tiến của piston nhằm đẩy sản phẩm vào hộp trên băng chuyền phân loại.  Các yêu cầu khi thiết kế: Theo em nghĩ, khi xây dựng phương án bố trí cho các hệ thống tự động cần phải đảm bảo các điều kiện như sau: Nguyễn Lê Huy 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú - Hệ thống đơn giản, dễ điều khiển và phải đáng tin cậy. - Công nhân làm việc được thoải mái, không phải chịu áp lực lao động. - Phải đảm bảo được tính an toàn và tính kinh tế. 1.2.1. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế Phương án 1: Sử dụng băng tải để vận chuyển sản phẩm, một công tắc hành trình được đặt ở phía trên băng tải để xác định các sản phẩm có chiều cao vượt quá cho phép. Một xilanh để đẩy phế phẩm ra khỏi băng tải. Một cảm biến đế đếm sản phẩm. Sử dụng van tiết lưu 5/2 vị trí để điều khiển xilanh bắn mạnh hay nhẹ(tùy vào khối lượng của vật để có thể bắn nó vào hộp đựng sản phẩm) Ưu điểm : Vận chuyển được sản phẩm nhanh hơn do đó năng suất cao hơn, sử dụng ít pistong, ít băng tải nên giá thành chế tạo thấp, ít dùng cảm biến nên dễ dàng cho việc điều khiển. Nhược điểm : Chỉ phân loại các sản phẩm có chiều cao khác nhau, chưa có tính linh hoạt trong khâu phân loại và đóng gói. Phương án 2: Xây dựng mô hình phân loại sản phẩm theo 3 mức chiều cao là cao, trung bình và thấp. Sử dụng băng tải để vận chuyển sản phẩm, Sử dụng 3 cảm biến để phát hiện 3 mức chiều cao của sản phẩm là cao, trung bình và thấp. Cảm biến đầu tiên để ở mức cao nhất, cảm biến thứ 2 để ở mức trung bình và cảm biến thứ 3 để ở mức thấp nhất. Khi sản phẩm cần phân loại đi qua sẽ được cảm biến tương ứng với mức chiều cao của nó phát hiện. Sử dụng 3 xi lanh để đẩy các sản phẩm sau khi đã phân loại vào các hộp chứa sản phẩm tương ứng. Sau khi cảm biến phát hiện vật thì xi lanh lập tức đẩy sản phẩm vào hộp chứa sản phẩm tương ứng với chiều cao của nó. Sử dụng van tiết lưu 5/2 để điều khiển xilanh. Ưu điểm: Phân loại sản phẩm đa dạng hơn, có thể cùng một lúc phân loại nhiều kích thước của sản phẩm. Nhược điểm: Sử dụng nhiều xilanh và băng tải hơn nên tốn kém trong việc chế tạo, sử dụng nhiều cảm biến nên khó khăng trong việc điều khiển. Tốn nhiều thời gian hơn do đó năng suất sẽ giảm. Dựa trên các phân tích trên em lựa chọn phương án 2 để thiết kế và chế tạo mô hình. 1.3. Kết luận chương 1 Kết thúc chương 1 của đồ án em xin tổng hợp lại những nội dung kiến thức đã được trình bày : - Một số phương pháp phân loại sản phẩm hiện nay Nguyễn Lê Huy 10 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú - Hình ảnh một số dây chuyền phân loại sản phẩm ngoài thực tế - Các yêu cầu khi thiết kế hệ thống - Lựa chọn được phương án thiết kế phù hợp Nguyễn Lê Huy 11 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Chương 2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG 2.1. Các thiết bị chấp hành a. Pitton-xi lanh khí nén. Để đưa vật ra khỏi băng truyền ta có thể sử dụng rất nhiều cơ cấu như: tay gạt, tay đẩy, tay máy gắp, tay máy hút chân không,...Trong những cơ cấu trên, cơ cấu pitton-xi lanh đẩy vật là cơ cấu đơn giản và hiệu quả. Xi lanh khí có ưu điểm là đáp ứng nhanh, hành trình pitton dài. Lực, tốc độ điều chỉnh dễ dàng. Trong hệ thống của em sử dụng xi lanh khí nén tác động kép có cần piston một phía và không có giảm chấn. Đây là loại xi lanh được cấp khí theo cả hai chiều tiến và lùi, vì vậy ta có thể chủ động điều khiển trong cả quá trình tiến và lùi. Sơ đồ tiêu chuẩn hóa van xi lanh tác động kép: Hình 2.1: Nguyên lý cấu tạo Công thức tính lực đẩy piston: F=P1×S1 -P2×S2 Hình 2.2: Piston Nguyễn Lê Huy 12 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 2.3: Piston được sử dụng trong mô hình b. Van khí nén Với hệ thống piston-xi lanh khí để điều khiển pitton tiến-lùi bằng tín hiệu điện ta cần có một van đảo chiều. Trong đề tài em sử dụng loại van đảo chiều 5/2 điện từ điều khiển gián tiếp qua van phụ trợ, đây là loại van rất thích hợp cho điều khiển đảo chiều xi lanh kép. Van đảo chiều 5/2 có 5 cổng với 2 trạng thái điều khiển bằng điện. Hình 2.4: Ký hiệu trong bản vẽ Hình 2.5: Sơ đồ đấu nối van đảo chiều với xi-lanh khí Khi không cấp điện cho cuộn hút của van đảo chiều. Dòng khí nén sẽ vào cửa trước của xi-lanh đẩy cần piston ra sau. Khi cấp nguồn cho cuộn hút trạng thái của van sẽ thay đổi, lúc này luồng khí nén đi vào cửa sau của xi lanh, khí nén trong buồng xi lanh ở trạng thái trước sẽ qua cửa xả thoát ra ngoài, cần piston được đẩy về phía trước Nguyễn Lê Huy 13 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 2.6: Van khí nén dùng trong mô hình 2.2. Động cơ điện 1 chiều Để kéo băng tải chúng ta cần phải có động cơ kéo. Với một mô hình nhỏ và đơn giản em đã chọn động cơ 1 chiều kích từ độc lập để kéo băng tải. Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, nó được sử dụng rộng trong hệ thống đòi hỏi có độ chính xác cao vùng điều chỉnh rộng và qui luật điều chỉnh phức tạp. 2.2.1. Khái niệm a. Khái niệm Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết điện từ quay,làm việc theo nguyên lý điện từ,khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm dây dẫn chuyển động.Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng. Hình 2.7: Động cơ điện 1 chiều Nguyễn Lê Huy 14 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú b. Cấu tạo Gồm hai phần: - Phần đứng yên (gọi là phần tĩnh) - Phần chuyển động (gọi là phần quay) 2.2.2. Cấu tạo động cơ điện 1 chiều a. Phần tĩnh hay stator - Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. - Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. - Gông từ Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. - Các bộ phận khác bao gồm : + Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. + Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. Nguyễn Lê Huy 15 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú b, Phần quay hay Rôto - Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. - Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit. - Cổ góp: Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng. Hình 2.8: Cấu tạo động cơ điện một chiều Nguyễn Lê Huy 16 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú 2.2.3. Nguyên lý làm việc Động cơ điện phải có hai nguồn năng lượng. - Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh ra từ thông kích từ - Nguồn phần ứng được đưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ góp của phần ứng. Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay. Chiều của lực được xác định bằng qui tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Khi quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động E u, chiều của suất điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều suất điện động E u ngược chiều dòng điện Iu nên Eu được gọi là sức phản điện động. Phương trình cân bằng điện áp: U=E u +R u Iu +Iu di dt 2.2.4. Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen quay của động cơ: = f(M) hoặc n = f(M) Trong đó: - tốc độ góc(rad/s) n – tốc độ quay (v/ph) M – momen(Nm) Nguyễn Lê Huy 17 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 2.9a: Đặc tính cơ tự nhiên Hình 2.9b: Đặc tính cơ nhân tạo 2.2.5. Phân loại Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện loại: Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng: - Động cơ điện một chiều kích từ độc lập. - Động cơ điện một chiều kích từ song song. - Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. - Đông cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp. a, Kích thích độc lập Khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên: I = Iu b, Kích thích song song Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp ko đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên: I = Iu + It Nguyễn Lê Huy 18 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú c, Kích thích nối tiếp Cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có: I = Iu =It d, Kích thích hỗn hợp Ta có: I = Iu + It Với mỗi loại động cơ trên là tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều nhân tố, ở đề tài này ta chỉ xét đên động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này. 2.3. Các thiết bị cảm biến Để xác định vị trí và độ dịch chuyển của vật ta có 2 phương pháp: + Tín hiệu trả về từ cảm biến là hàm phụ thuộc vị trí của một phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển. + Ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến sẽ phát ra một xung. Việc xác định vị trí và độ dịch chuyển của vật được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra. Nguyên lý đo: Có một số cảm biến không đòi hỏi có liên quan cơ học giữa cảm biến với vật cần đo vị trí, độ dịch chuyển. Mà mối liên hệ giữa cảm biến và vật dịch chuyển được thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng… 2.3.1. Một số loại cảm biến thông dụng: a. Cảm biến điện trở - Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Cảm biến gồm một điện trở cố định, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di chuyển gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động cần khảo sát Nguyễn Lê Huy 19 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 2.10: Cảm biến điện trở Cảm biến điện trở chuyển động thẳng Rx = l L Rn Cảm biến điện trở chuyển động tròn hoặc xoắn: Rα = α Rn αn α M 360o (tròn) (xoắn) Hình 2.11a: Chuyển động tròn Hình 2.11b: Chuyển động xoắn b. Cảm biến điện dung - Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Cảm biến điện dung thực chất là một tụ điện gồm 2 điện cực, giữa chúng chứa chất điện môi. Nguyễn Lê Huy 20 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 2.12: Cảm biến điện dung Giả sử cảm biến là một tụ phẳng có tiết diện bản cực S, khoảng cách giữa 2 bản cực chất điện môi ε , điện dung của tụ điện là : C = δ và chứa εS δ Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên sự thay đổi của các thông số S, δ ε , làm C thay đổi. Cảm biến thực hiện ở dạng đơn hoặc dạng kép (vi sai). Cảm biến điện dung được chia thành 2 nhóm lớn: - Cảm biến máy phát: đại lượng ra là điện áp U, loại này dùng đo các đại lượng cơ. - Thông số: có đầu vào là độ dịch chuyển của bản cực, tín hiệu ra là điện dung C. δ ε Khi một trong ba thông số S, , thay đổi điện dung của tụ điện C sẽ thay đổi. Với sự thay đổi nhỏ ta có các phương trình: Sε0 ε +S Δε+ 0 ΔS- 0 0 Δδ δ0 (δ 0 +Δδ) ΔC= δ0 C0 = ∆C ∆ε ∆S 1 ∆δ = + − C0 ε 0 S0 (1 + ∆δ ) 2 δ 0 δ0 => ε 0S0 δ0 Độ nhạy của cảm biến điện dung là tuyến tính khi điện môi khoảng cách giữa 2 bản cực δ và S thay đổi và phi tuyến khi thay đổi. Mạch đo thường là các mạch cầu không cân bằng cung cấp bẳng nguồn áp xoay chiều với tần số lớn (MHz) Nguyễn Lê Huy ε 21 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú c. Cảm biến điện cảm - Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Nguyên lý hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Cảm biến điện cảm là một cuôn dây bằng đồng có đường kính từ 0.02mm 0.1mm được quấn trên lõi thép có khe hở không khí ( mạch từ hở) Dưới tác động của đại lượng đo phần ứng dịch chuyển làm cho khe hở không khí khó thay đổi kéo theo từ trở của mạch từ thay đổi và điện cảm L cũng thay đổi. d. Cảm biến loại transistor quang - Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Hình 2.13: Cấu tạo cảm biến transitor quang Ba lớp n-p-n tạo nên 2 tiếp giáp p-n. Một trong nhưng lớp ngoài có kich thước nhỏ để quang thông có thể chiếu vào giữa lớp nền. Lớp nền này đủ mỏng để đưa lớp hấp thụ lượng tử quang đến gần lớp tiếp xúc p-n. Hình 2.14a: Mạch tương đương Hình 2.14b: Ký hiệu Transistor quang chỉ có thể làm việc ở chế độ biến đổi quang điện ( có điện áp ngoài đặt vào). Trị số điện áp này khoảng 3V đến 5V. Theo hình vẽ, mối nối BC được phân cực ngược làm việc như một diode quang. Khi quang thông chiều vào nó tạo ra dòng điện dùng để làm tác động transistor, dẫn đến dòng I c tăng lên nhiều Nguyễn Lê Huy 22 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú lần so với dòng diode quang. Dòng Ic được tính như sau: Ic= (Ip +Ib) ( hfe + 1) Trong đó hfe: độ lợi DC Ip: dòng quang điện khi có ánh sáng chiếu vào mối nối BC Ib: dòng cực B khi có phân cực ngoài Khi cực B được phân cực bên ngoài. Độ lợi bị thay đổi theo trở kháng vào của transistor được tính : Zin = Rin + hfe Dòng rò I ceo = hfe + Icbo Icbo : dòng rò cực BC Độ lợi càng cao đáp ứng càng nhanh. e. Cảm biến quang - Cấu tạo và ứng dụng: Cảm biến quang là tổ hợp của các linh kiện quang điện. Khi tiếp xúc với ánh sáng chúng sẽ thay đổi trạng thái. Cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát hiện sự hiện diện của vật thể. Khi có sự thay đổi ở bộ phận thu thì mạch điều khiển của cảm biến quang sẽ cho ra tín hiệu ở ngõ OUT. Cảm biến quang có những ứng dụng hết sức mạnh mẽ và linh hoạt trong ngành công nghiệp nói riêng và điện tử nói chung. - Phân loại : Cảm biến quang gồm có 3 loại + Cảm biến quang thu phát riêng + Cảm biến quang phản xạ qua gương + Cảm biến quang thu phát chung - Nguyên lý hoạt động của từng loại cảm biến quang : + Cảm biến quang thu phát chung: Cảm biến quang thu phát chung được cấu tạo gồm một led hồng ngọai thu và một led hồng ngọai phát.Khi có vật thể tác động vào vùng phát tia sẽ làm phản xạ Nguyễn Lê Huy 23 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú lại ánh sáng tác động vào led thu. Lúc này led thu sẽ tác động vào Transistor để out tín hiệu. + Cảm biến quang thu phát riêng: Cảm biến quang thu phát riêng, Lọai này led hồng ngọai phát và led hồng ngọai thu được đặt riêng biệt ở hai phía đối xứng,khi có vật thể đi qua giữa hai led làm gián đọan ánh sáng, led phát không nhận được ánh sáng sẽ tác động out tín hiệu. + Cảm biến quang phản xạ qua gương: Cảm biến quang thu phát qua gương,led phát sẽ phát tia hồng ngọai vào gương phản xạ, ở trạng thái không có vật thể đi vào vùng tia thì ánh sáng sẽ được gương phản xạ về led thu, khi có vật thể đi vào vùng phát tia sẽ làm gián đọan tia sáng về led thu, lúc này led thu không còn nhận được ánh sáng nữa sẽ kích họat transistor out tín hiệu. - Ưu điểm của từng loại cảm biến quang: Cảm biến quang nhìn chung luôn có nhiều ưu điểm hơn so với các loại cảm biến khác( cảm biến từ, cảm biến điện dung ….) Cảm biến quang không tiếp xúc trực tiếp với vật cần phát hiện cho nên tuổi thọ, độ bền sẽ cao hơn. Khoảng cách phát hiện của Cảm biến quang khá xa, việc này cũng giúp ít không nhỏ cho việc thiết kế cũng như lắp đặt. Một ưu thế không thể bỏ qua của cảm biến quang đó là phát hiện hầu hết các loại vật thể, vật chất. + Cảm biến quang thu phát chung: Cảm biến quang loại thu phát chung dễ dàng trong việc thiết kế và lắp đặt vì chỉ cần một vị trí. Do có một thiết bị nên việc đấu dây cho hệ thống cũng dễ dàng hơn. Cảm biến quang thu phát chung dùng để kiểm tra sản phẩm có ngã đổ hoặc có đủ bộ phận chưa ( ví dụ: chai có ngã trên băng truyền hay không, đã có nắp chai hay chưa) trong phạm vi hẹp. Ngoài ra, cảm biến quang thu phát chung còn được sừ dụng phổ biến trong việc xác định vị trí vật thể trong các băng chuyền tự động… + Cảm biến quang thu phát riêng: Có khoảng cách phát hiện xa nhất trong các loại cảm biến quang. Loại này có thể hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt (như bụi, ẩm, độ nhiễu cao, ….). Cảm biến quang thu phát riêng phát hiện chính xác vị trí vật thể, độ tin cậy cao. Cảm biến quang thu phát riêng thích hợp cho các ứng dụng cần độ chính xác cao, môi trường làm việc khắc nghiệt và khoảng cách xa. Cảm biến này thường được sử dụng để phát hiện xe trong các bãi giữ xe, rửa xe. Cảm biến quang thu phát riêng còn được ứng dụng làm sensor an toàn cho các máy kéo sợi, máy dệt …. + Cảm biến quang phản xạ qua gương: Cảm biến loại này lắp đặt dễ dàng, có khả năng điều Nguyễn Lê Huy 24 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú chỉnh, định vị đơn giản hơn so với các loại cảm biến quang khác. Cảm biến quang phản xạ qua gương luôn là lựa chọn thích hợp và tối ưu cho khách hàng. Đây là loại cảm biến quang có công dụng lớn và độ tin cậy cao. Cảm biến này thường được dùng để phát hiện người và vật đi qua cửa ( giới hạn ở khoảng cách 5m nếu muốn xa hơn có thể dùng loại thu phát riêng), xác định vị trí vật thể trên các băng tải, đếm sản phẩm… Hình 2.15: Cảm biến quang thực tế Qua phân tích và so sánh các loại cảm biến, em nhận thấy để phát hiện được vị trí của vật thì tùy từng hệ thống, từng vật thể mà ta chọn những loại cảm biến khác nhau. Ví dụ như với ô tô, tay máy ta có thể sử dụng công tắc hành trình, với các vật thể như piston, sắt thép ta có thể sử dụng cảm biến điện dung, với những vật thể dễ vỡ, mềm, dễ hỏng như gốm sứ, giấy, thức ăn ta có thể sử dụng cảm biến quang… Trong hệ thống này em sẽ sử dụng con cảm biến quang E3F10C4 để phát hiện vật di chuyển qua băng chuyền. Cảm biến này có dải điện áp từ 6V-36V. Cảm biến này có 3 chân ra, chân xanh là chân âm ký hiệu BU, chân nâu là chân dương ký hiệu BN, chân đen là chân tín hiệu ký hiệu BK để tiện cho việc kết nối với các thiết bị phần cứng khác. Cảm biến này rất thuận tiện trong việc đấu nối, cố định vị trí và giá thành lại khá hợp lý nên phù hợp với mô hình đồ án của em. Hình 2.16: Cảm biến quang E3F10C4 sử dụng trong mô hình 2.4. Băng chuyền phân loại sản phẩm 2.4.1. Giới thiệu chung Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng. Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như Nguyễn Lê Huy 25 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú những phương tiện để vận chuyến các cơ cấu nhẹ, trong các xưởng luyện kim dùng đề vận chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò trên các trạm thủy điện thì dùng vận chuyển nhiên liệu. Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạt hoặc 1 số sản phẩm khác. Trong 1 số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, hóa chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng được. 2.4.2. Ưu điểm của băng tải Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết họp giữa nằm ngang với nằm nghiêng. Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không lớn lắm. 2.4.3. Cấu tạo chung của băng tải Hình 2.17: Cấu tạo chung của băng tải 1.Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật. 2.Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo. 3.Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo. 4.Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ...) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc. Loại băng tải Băng tải dây đai Nguyễn Lê Huy Tải trọng Phạm vi ứng dụng Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công hoặc vận chuyển < 50 kg thùng chứa trong gia công cơ và lắp ráp. 26 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia công chuẩn bị phôi và Băng tải lá 25 125 kg trong lắp ráp Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ phận trên khoảng cách Băng tải thanh đây 50 250 kg >50m. Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh giữa các nguyên công với khoảng Băng tải con lăn 30 500 kg cách +10V và bộ này có 4 bộ DS1104ADC_Cx, x=5,6,7,8. MUX ADC có 4 kênh là: 1,2,3,4. có 8 đầu ra DAC có dải điện áp là -10V…..+10V. Nguyễn Lê Huy 31 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Các đường vào ra số: MASTER BIT IN và MASTER BIT OUT là DS1104BIT_IN_Cx: x = 0-19 (20 bit) và DS1104BIT_OUT_Cx: x = 0-19 (20 bit) vì đây là đường vào ra số nên khi chọn làm địa chỉ vào thì thôi địa chỉ ra và ngược lại. Ngoài ra còn có bộ đếm xung encorder, bộ ngắt phần cứng, cài đặt vào ra số đồng bộ, các truyền thông nối tiếp…các địa chỉ phần cứng này được qui định trên hình P1A,P1B. Nguyễn Lê Huy 32 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú  SLAVE DSP F240 bao gồm Hình 3.7: Các thành phần Slave DSP F420 của card dSPACE1104 Các đầu vào tương tự: DS1104 bao gồm có 2 loại đầu vào tương tự biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số để đưa vào DSP xử lý. + Một biến đổi tương tự - số có 4 kênh vào và có tích hợp bộ dồn kênh có độ phân dải 16 bits có địa chỉ là ADCH1…ADCH4 + Các bộ biến đổi tương tự - số song song có độ phân dải 12 bits đó là 4 bộ ADCH5…ADCH8. Các đặc tả của ADC như sau: Thông số Giá trị Min Max -10V +10V Điện áp vào Tổng trở đầu vào Tỉ lệ ồn tín hiệu (SNR) (Signal-to-noise ratio) Xấp xỉ 1 MΩ 16 bit muxed ADCs >80dB 12bit paraller ADCs >60dB Bảng 3.1: Các đặc tả của DAC Các đầu ra tương tự DS1104 bao gồm 8 đầu ra tương tự (8 bộ biến đổi DAC) có địa chỉ DACH1… Nguyễn Lê Huy 33 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú DACH8 và có đặc tả các DAC như sau: Giá trị Thông số Min Max Điện áp đầu ra -10V +10V Dòng điện đầu ra -5mA +5mA Tổng trở đầu ra → 0Ω Nguồn ra mặc định 0V Tỉ lệ ồn tín hiệu > 80 dB Bảng 3.2: Các đặc tả của ADC  Cấu hình dSPACE1104 DS1104 được xây dựng trên cơ sở vi xử lý tín hiệu số TMS320F240 của hãng Texas Instruments. ON-CHIP MEMORY (WORDS) FLASH RAM EEPROM DATA DATA/PROG PROG 288 256 16K Nguồn nuôi (V) Chu kì (ns) Số chân 5 20 PQ 132–P Bảng 3.1: Dung lượng các bộ nhớ của DS1104 Ngoài ra, nó còn có hệ con ngoại vi khác phục vụ cho các ứng dụng xử lý tín hiệu số, giao tiếp với máy tính và bên ngoài,…  Bộ xử lý chính: - MPC8240, PowerPC 603e core, 250 MHz - 32 kByte internal cache  Timer: - Một bộ Timer ước lượng lấy mẫu, bộ đếm lùi 32 bit - Bốn bộ Timer đa mục đích, 32 bit - Độ phân dải 64 bit để đo thời gian  Bộ nhớ: - 32 Mbyte RAM DRAM (SDRAM) - 8 Mbyte bộ nhớ Flash cho các ứng dụng Nguyễn Lê Huy 34 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú  Các ngắt điều khiển: - Các ngắt bởi timer, giao tiếp nối tiếp, DSP tớ, incremental encoder, ADC, PC chủ, 4 đầu vào từ bên ngoài. - Ngắt đồng bộ PWM  Đầu vào tương tự: - 4 kênh ADC, 16 bit, đa thành phần - Dải điện áp đầu vào 10V - Thời gian lấy mẫu 2us - Hệ số tín hiệu/ nhiễu >80 dB - 4 kênh ADC, 12 bit - Dải điện áp f10V - Thời gian lấy mẫu 800ns - Hệ số tín hiệu/ nhiễu >65 dB  Đầu ra tương tự: - 8 kênh DAC, 16 bit, thời gian ổn định max 10us - Dải điện áp ra f10V  Incremental Encoder: - 2 đầu vào số, TTL hoặc RS422 - Kênh encoder có độ phân dải 24 bit - Tần số xung max đầu vào là 1.65MHz gấp 4 lần xung đếm tới 6.6MHz - Nguồn sensor 5V/0.5A  Vào/ra số: - Vào/ra số 20 bit - Dòng ra 5mA  Giao tiếp: Nguyễn Lê Huy 35 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú - RS232, RS485 và RS422  Hệ con DSP tớ: - Texas Instruments’ DSP TMS320F240 - 4 kWord of dual-port RAM - 3 pha đầu ra PWM, 4 đầu ra đơn PWM - 14 bit vào/ra số  Đặc điểm vật lý: - Nguồn nuôi 5 V, 2.5 A / -12 V, 0.2 A /12 V, 0.3 A - Yêu cầu cần có khe PCI 32 bit 3.3. Phần mềm Control Desk, Matlab-Simulink và RealTime Worksoft 3.3.1. Phần mềm Control Desk Control Desk là một giao diện người dùng đồ họa GUI quản lý bo mạch dSPACE nó cung cấp các chức năng nạp, khởi động, kết thúc các ứng dụng thực trên bo mạch. - Thư viện thời gian thực RTIlib1104 bao gồm tất cả các hàm cần thiết để lập trình cho DSP1104 - Trace cung cấp các khả năng theo dõi cho bất kỳ ứng dụng nào chạy trên bo mạch xử lý tín hiệu số DS1104 3.3.2 Matlab-Simulink và RealTime Worksoft a. Xây dựng chương trình trên Matlab và biên dịch Khi ta đã hoàn tất cài đặt các chương trình Matlab, Control Desk chạy chương trình matlab sẽ xuất hiện cửu sổ và chọn RTI1104 sau đó khởi động Simulink và sử dụng thư viện của RTI1104 và các khối thư viện của Simulink xây dựng chương trình mô phỏng thời gian thực. - Khởi động chương trình Matlab xuất hiện cửa sổ và chọn RTI1104 như hình: Nguyễn Lê Huy 36 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 3.8: Chọn kích hoạt các RTI Hình 3.9: Giao diện Matlab Tại dấu nhắc lệnh trong cửa sổ Command Window gõ Simulink, xuất hiện một cửa sổ chứa rất Nguyễn Lê Huy 37 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú nhiều thư viện được cung cấp bởi Simulink và dSPACE. Hình 3.10: Cửa sổ thư viện của Simulink Để tạo một chương trình Simulink, trước tiên cần tạo một mô hình mới từ menu File (nhấn File/New Model). Xuất hiện cửa sổ mô hình mới với tên là Untitled. Các bước biên dịch chương trình như sau: - Để thêm các khối vào mô hình Simulink, đơn giản là nhấn (và giữ) nút trái chuột vào khối cần thiết trong cửa sổ thư viện và kéo nó vào cửa sổ mô hình mới rồi thả chuột. Chương trình sau được xây dựng dựa trên một số thư viện của simulink và tool dSPACE RTI1104 : Nguyễn Lê Huy 38 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 3.11: Chương trình xác định đặc tính đối tượng Để biên dịch chương trình trên xuống dSPACE ta làm như sau: + Lưu bài này dưới tên “Doluong” sau đó vào đường dẫn sau: Nguyễn Lê Huy 39 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Sau đó thay đổi các thông số như hình: Bỏ chọn Bỏ chọn Chọn Tiếp theo là chọn Build nếu chương trình biên dịch thành công thì sẽ như hình: Nguyễn Lê Huy 40 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Lúc này chương trình đã được nạp xuống dSPACE1104 ta bắt đầu thiết kế giao diện cho chương trình trên phần mềm ControlDesk. b. Xây dựng chương trình giao diện trên ControlDesk - Khởi động phần mềm ControlDesk trên màn hình như hình: Hình 3.12: Màn hình chính của phần mềm controlDesk Đầu tiên ta cần Load chương trình đã biên dịch xuống dSPACE1104 Nguyễn Lê Huy 41 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Tiếp đó ta làm như hình dưới và chọn đường dẫn đến file đã biên dịch xuống (doluong.sdf) Chọn bài Sau khi chọn bài xong ta sẽ thấy xuất hiện trên cửa sổ Tool Window như dưới đây: Tiếp đó ta thiết kế giao diện cho chương trình bằng cách click vào biểu tượng trên thanh công cụ của phần mềm Các tool hỗ trợ trong thiết kế giao diện. Vùng thiết kế giao diện Lúc này ta chỉ việc chọn thuộc tính và đối tượng của chương trình trên simulink bằng cách gắp nhả vào đối tượng trên giao diện ControlDesk ta vừa thiết kế tương ứng với từng thuộc tính và đối tượng. Nguyễn Lê Huy 42 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Lê Huy GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú 43 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Chương 4 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 4.1. Thiết kế mô hình phần cứng Ở chương 2 đồ án đã lựa chọn các thiết bị phần cứng cần thiết cho mô hình và đưa ra được phương án thiết kế hợp lý. Bộ điều khiển mà đồ án sử dụng cho mô hình là Card dSPACE1104 đã được giới thiệu chi tiết ở chương 3. Tuy nhiên, không thể trực tiếp dùng Card dSPACE để điều khiển mô hình mà không có các mạch chuẩn vào ra điện áp. Ngoài ra mô hình cần có mạch động lực sử dụng Ic 555 để thay đổi bề rộng xung của điện áp nhằm mục đích có thể thay đổi tốc độ động cơ như ý muốn và có thể thay đổi tốc độ liên tục giúp cho động cơ chạy một cách ổn định nhất. Đó là điểm khác biệt nhất giữa cách điều khiển được sử dụng trong đồ án với những cách điều khiển thông thường như là sử dụng hộp giảm tốc có sẵn trong động cơ hay dùng các mạch phân áp cho động cơ để có được tốc độ động cơ như mong muốn. Thực ra việc sử dụng hộp số hay mạch phân áp cũng đã đáp ứng được vấn đề của bài toán là cho động cơ chạy chậm vừa đủ để pistong có thể bắn vật nhưng trong trường hợp khối lượng tải thay đổi đột ngột(giả sử khối lượng tải tăng lên) thì khi đó động cơ khó đáp ứng được tốc độ như mong muốn. Vì thế nếu mô hình sử dụng Card dSPACE để điều khiển thì động cơ hoàn toàn có thể đáp ứng được trong dải tốc độ của nó. 4.1.1. Thiết kế các mạch chuẩn vào ra điện áp Dải điện áp vào ra của Card Dspace là 0-10V, dòng ra là 5mA tuy nhiên các thiết bị sử dụng trong mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao như cảm biến quang, van điện đều theo chuẩn 24VDC nên cần có mạch điện để có thể điều khiển van điện thông qua tranzitor nhằm mục đích bắn pistong khi sản phẩm cần phân loại đi qua cảm biến, mạch phân áp từ cảm biến vào chân điều khiển của Card để các kênh In(các kênh điều khiển vào ra số) của Card có thể hiểu được những gì cảm biến đọc về được và xử lý bằng các kênh OUT(các kênh điều khiển vào ra số) của mình. a, Giới thiệu về Opto PC817 Opto hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 1 led và 1 photo diot hay 1 photo transitor. Được sử dụng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất nhu khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn. Nguyễn Lê Huy 44 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 4.1: Opto PC817 Hình 4.2: Opto PC817 ngoài thực tế Nguyên lý hoạt động: Khi có dòng nhỏ di qua 2 đầu của led có trong opto làm cho led phát sáng. Khi led phát sáng làm thông 2 cực của photo diot, mở cho dòng điện chạy qua Hình 4.3: Nguyên lý hoạt động của PC817 b, Mạch dùng Opto PC817 điều khiển Role Van điện sử dụng trong mô hình chỉ hoạt động khi nguồn cấp vào cho nó là 24VDC, vì thế cần có 1 mạch điện trung gian để điều khiển van điện thông qua hoạt động của Role. Nguyễn Lê Huy 45 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 4.4: Mạch điều khiển Role thông qua opto PC817 Nguyên lý hoạt động : Khi chân 1 của Opto nhận được tín hiệu thì chân 4 sẽ dẫn 24VDC qua chân 3 ra Tranzitor cấp vào cho Role. Cấp nguồn 24VDC cho role cặp tiếp điểm 3-4 sẽ trở thành thường đóng và 3-5 sẽ trở thành thường mở. Khi đó van điện sẽ được kích và pistong có thể bắn khi cảm biến nhận được tín hiệu. Hình 4.5: Mạch sử dụng opto trong mô hình c, Phân áp 24VDC xuống 5 VDC vào chân nhận tín hiệu từ cảm biến của dSPACE Trong mạch điện, giả sử ta cần điện áp 5V từ nguồn cung cấp 24V, ta phải sử dụng đến cầu chia áp. Nguyễn Lê Huy 46 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 4.6: Phân áp từ 24V xuống 5V Hình 4.7: Phân áp trong mô hình Điện trở R1=18K, R2=4.7K, nguồn cung cấp 24V. Điện áp ở giữa 2 điện trở sẽ là xấp xỉ 5V, được xác định bằng công thức. V = Usp × R2 R1 +R 2 V = 24× 4700 4700+18000 V = 24× 4700 22700 V = 5V 4.1.2 Thiết kế mạch động lực Ở đây đồ án sử dụng mạch cầu H để điều khiển động cơ, sử dụng 4 con FET IRF 9540 làm cầu H kết hợp với IC555 để điều khiển tốc độ động cơ. Mạch này hoàn toàn có thể đảo chiều được động cơ và điều khiển được tốc độ động cơ bằng Card dSPACE. a, Giới thiệu về IC555 IC555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác.Đây là linh kiện của hãng CMOS sản xuất. Nguyễn Lê Huy 47 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú + Điện áp đầu vào: 2 - 18V(Tùy từng loại của 555: LM555, NE555, NE7555..) + Dòng điện cung cấp: 6mA - 15mA + Điện áp logic ở mức ca: 0.5 - 15V + Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V + Công suất lớn nhất là: 600mW + Là thiết bị tạo xung chính xác + Máy phát xung + Điều chế được độ rộng xung (PWM) + Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại) - IC555 gồm có 8 chân + Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung. + Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc. + Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này không được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V) . + Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối đất thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC. + Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định. + Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt. Nguyễn Lê Huy 48 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú + Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC555 dùng như 1 tầng dao động . Chân số 8 (Vcc): Đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V -->18V Hình 4.8: Sơ đồ cấu tạo của IC555 Hình 4.9: 555 ngoài thực tế b. Thiết kế mạch động lực điều khiển động cơ Sử dụng mạch cầu H kết hợp IC555 điều khiển động cơ Nguyễn Lê Huy 49 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lí Hình 4.11: Mạch thực tế 4.1.3. Sơ đồ đấu nối của toàn bộ hệ thống Ở các phần trên đồ án đã trình bày sơ đồ mạch động lực và sơ đồ các mạch cần thiết để chuẩn hóa điện áp giữa dSPACE và phần cứng. Để mô hình có thể hoạt động cần phải đấu nối các mạch điện Nguyễn Lê Huy 50 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú với nhau. Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý đấu nối toàn phần cứng với dSPACE Để kết nối phần cứng với dSPACE cần tổng cộng 3 mạch điều khiển Rơ le để cấp 24V cho van điện, 3 mạch phân áp từ 24V xuống 5V để các kênh vào điều khiển số của dSPACE có thể hiểu được tín hiệu đọc từ cảm biến. Một mạch cầu H kết hợp IC 555 để thay đổi bề rộng xung ra từ 555. Các mạch nguồn 12V và 24V cần thiết để hỗ trợ cho mạch cầu. Hình 4.13: Mạch khi đã đấu nối hoàn chỉnh Nguyễn Lê Huy 51 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú 4.2. Xây dựng chương trình điều khiển Hiện nay có rất nhiều các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ để lấy được tốc độ ưng ý vừa đủ kéo cho băng tải. Có thể kể ra một số phương pháp đơn giản nhưng vô cùng hiệu quả là dùng động cơ có sẵn hộp số để giảm tốc hoặc dùng điện trở để phân áp cho động cơ. Hoặc muốn hiệu quả hơn thì có thể dùng các dòng vi điều khiển 8051 hay pic…để điều khiển tốc độ động cơ nhanh chậm và ổn định. Hiện nay khi nhắc tới điều khiển con người dường như hình dung đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lượng chất xám cao hơn. Hiện nay, trong công nghiệp người ta sử dụng rất nhiều các bộ điều khiển để điều khiển các đối tượng cụ thể trong các bài toán nhất định. Vai trò của các bộ điều khiển là rất quan trọng trong các ngành tự động hóa và điều khiển 4.2.1. Tổng quan về bộ điều khiển Trong lý thuyết điều khiển tự động, một bộ điều khiển là một thiết bị giám sát và tác động vào các điều kiện làm việc của một hệ động học cho trước. Các điều kiện làm việc đặc trưng cho các biến đầu ra của hệ thống mà có thể được tác động bởi việc điều chỉnh các biến đầu vào đã biết. Ví dụ, hệ thống lò sưởi của một ngôi nhà có thể được trang bị với 1 bộ điều nhiệt (bộ điều khiển) để cảm biến nhiệt độ không khí (biến đầu ra), có thể bật hoặc tắt lò nung hoặc bộ gia nhiệt khi nhiệt độ không khí quá thấp hoặc quá cao. Trong ví dụ này, bộ điều nhiệt là bộ điều khiển và điều khiển hoạt động của bộ gia nhiệt. Bộ gia nhiệt là bộ xử lý giúp làm nóng không khí bên trong ngôi nhà tới nhiệt độ mong muốn (điểm đặt). Nhiệt độ không khí đo được bên trong ngôi nhà là tín hiệu phản hồi. Và cuối cùng, ngôi nhà là môi trường mà hệ thống lò sưởi làm việc. Khái niệm bộ điều khiển còn có thể mở rộng cho nhiều hệ thống phức tạp khác. Trong thế giới tự nhiên, mỗi cá thể sinh vật cũng có thể được trang bị các bộ điều khiển để đảm bảo sự cân bằng nội cần thiết cho sự sinh tồn của sinh vật. Cả hai hệ thống nhân tạo và tự nhiên đều biểu hiện tập hợp các hành vi giữa các cá thể trong đó các bộ điều khiển cố gắng đạt đến các trạng thái cân bằng nào đó. a, Các dạng điều khiển Trong lý thuyết điều khiển tự động có hai dạng điều khiển cơ bản. Đó là vòng hở và phản hồi. Đầu vào của một bộ điều khiển phản hồi giống với thứ mà nó cố gắng điều khiển – biến điều khiển được phản hồi vào bộ điều khiển. Bộ điều nhiệt của một ngôi nhà là một ví dụ của 1 bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển này dựa vào việc đo lường các biến điều khiển, trong trường hợp này là nhiệt độ ngôi nhà, và sau đó điều chỉnh đầu ra, qua việc đóng hoặc mở bộ gia nhiệt. Tuy nhiên, điều khiển phản hồi thường cho kết quả trong các giai đoạn trung gian nơi các biến điều khiển không ở điểm đặt mong muốn. Với ví dụ về bộ điều nhiệt, nếu cánh cửa của ngôi nhà được mở trong ngày lạnh, ngôi nhà sẽ lạnh dần. Nếu nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ mong muốn (điểm đặt), bộ gia nhiệt sẽ được mở, nhưng sẽ cần một khoảng thời gian khi ngôi nhà lạnh hơn nhiệt độ mong muốn. Nguyễn Lê Huy 52 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Điều khiển vòng hở có thể tránh được sự chậm chạp của điều khiển phản hồi. Với điều khiển vòng hở, các nhiễu được đo lường và tính toán trước khi chúng có thời gian để tác động vào hệ thống. Trong ví dụ về ngôi nhà, một hệ thống vòng hở có thể biết được cánh cửa thực tế được mở và tự động mở bộ gia nhiệt trước khi ngôi nhà quá lạnh. Sự khác biệt với điều khiển vòng hở là tác động của nhiễu lên hệ thống phải được dự đoán chính xác, và không được có bất kỳ nhiễu nào không đo lường được. Ví dụ, nếu một cửa sổ được mở thì không đo lường được, bộ điều nhiệt điều khiển vòng hở có thể vẫn tiếp tục để ngôi nhà lạnh đi. Để đạt được hiệu quả như điều khiển phản hồi (điều khiển nhiễu không xác định và không cần biết chính xác phương thức hệ thống phản ứng với nhiễu thế nào) và hiệu quả của điều khiển vòng hở (phản ứng với nhiễu trước khi chúng có thể tác động tới hệ thống), có thể liên kết giữa điều khiển hồi tiếp và vòng hở với nhau. Vài ví dụ về việc kết hợp điều khiển vòng hở và hồi tiếp với nhau là bù thời gian chết, và bù đáp ứng ngược. Bù thời gian chết được dùng để điều khiển các thiết bị mà cần nhiều thời gian để hiển thị bất kỳ thay đổi nào ở đầu vào, ví dụ, thay đổi ở phần dòng chảy qua một ống dài. Bù một điều khiển bù thời gian chết sử dụng một yếu tố (còn gọi là một biến độc lập Smith) để dự đoán thay đổi hiện tại bởi bộ điều khiển sẽ tác động tới biến điều khiển trong tương lai. Biến điều khiển cũng được đo lường và sử dụng trong điều khiển phản hồi. Bù đáp ứng ngược bao gồm các hệ thống điều khiển mà một thay đổi sẽ tác động trước hết tới biến đo lường theo 1 cách nhưng sau đó sẽ tác động tới nó theo cách ngược lại. Một ví dụ là việc ăn kẹo. Trước tiên kẹo sẽ cung cấp cho bạn năng lượng, nhưng sau đó bạn sẽ rất mệt. Cũng có thể tưởng tượng rằng, rất khó để điều khiển hệ thống này với chỉ một mình điều khiển phản hồi, do đó một phần tử điều khiển vòng hở dự đoán được là cần thiết để dự đoán tác dụng ngược mà một thay đổi sẽ có trong tương lai. b, Các loại bộ điều khiển Hầu hết các hệ thống điều khiển van trong quá khứ được thực hiện bằng cách sử dụng các hệ thống cơ khí hoặc bán dẫn. Khí nén được thường xuyên cài đặt cho việc truyền thông tin và điều khiển sử dụng áp lực. Tuy nhiên, các hệ thống điều khiển hiện đại nhất trong công nghiệp hiện nay lại dựa vào máy tính để điều khiển. Rõ ràng sẽ dễ dàng hơn để thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp trên máy tính hơn là sử dụng hệ thống cơ khí. Có vài loại đơn giản của bộ điều khiển hồi tiếp. Loại đơn giản nhất, giống như bộ điều nhiệt chỉ việc bật bộ gia nhiệt lên khi nhiệt độ xuống dưới giá trị cho trước và tắt nếu nó vướt quá giá trị đó (điều khiển on-off). Một loại bộ điều khiển đơn giản khác là một bộ điều khiển tỉ lệ. Với bộ điều loại này, đầu ra bộ điều khiển (tác động điều khiển) tỉ lệ với sai số của biến đo lường. Trong điều khiển phản hồi, sai số được định nghĩa là hiệu số giữa giá trị mong muốn (điểm đặt) ys và giá trị hiện tại (đo lường) y. Nếu sai số lớn, thì tác động điều khiển lớn. Ta có: Nguyễn Lê Huy 53 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú u(t)=K c ×e(t)+u 0 Trong đó: u(t) miêu tả tác động điều khiển (đầu ra bộ điều khiển), e(t) = ys(t) − y(t) miêu tả sai số, Kc miêu tả độ lợi của bộ điều khiển, và u o miêu tả trạng thái ổn định của tác động điều khiển (độ lệch) cần thiết để duy trì biến số ở trạng thái ổn định khi không có sai số. Điều quan trọng là tác động điều khiển u chống lại các thay đổi trong biến điều khiển y (phản hồi âm). Có hai trường hợp phụ thuộc vào tín hiệu của độ lơi quá trình. Trường hợp thứ nhất, độ lợi quá trình là dương, vì vậy việc tăng biến điều khiển (đo lường) y yêu cầu cần giảm tác động điều khiển u (điều khiển ngược hướng tác động). Trong trường hợp này, độ lợi bộ điều khiển Kc là dương, bởi vì định nghĩa tiêu chuẩn của sai số đã bao gồm một dấu ‘–‘ trong y. Trong trường hợp thứ hai độ lợi quá trình là âm, vì ứng với biến điều khiển tăng một đơn vị (đo lường) y thì yêu cầu tác đọng điều khiển cũng tăng một đơn vị u (điều khiển theo hướng tác động). Trong trường hợp này độ lợi bộ điều khiển Kc là âm. Một ví dụ điển hình của hệ thống ngược hướng tác động là điều khiển nhiệt độ (y) bằng cách sử dụng hơi nước (u). Trong trường hợp này độ lợi quá trình là dương, vì vậy nếu nhiệt độ tăng, lưu lượng hơi nước phải được tăng để duy trì nhiệt độ mong muốn. Ngược lại, một ví dụ điển hình của hệ thống theo hướng tác động là điều khiển nhiệt độ sử dụng nước làm mát. Trong trường hợp này độ lợi quá trình là âm, vì vậy nếu nhiệt độ tăng, lưu lượng nước làm mát phải được tăng để duy trì nhiệt độ mong muốn. Mặc dù điều khiển tỉ lệ rất dễ hiểu, nó lại có nhiều hạn chế. Vấn đề lớn nhất là trong hầu hết các hệ thống nó sẽ không bao giờ khử bỏ hết được sai số. Điều này là bởi vì khi sai số là 0, bộ điều khiển chỉ cung cấp các tác động điều khiển trạng thái ổn định vì vậy hệ thống sẽ xác lập trở lại trạng thái ổn định ban đầu (nó có lẽ không phải là điểm đặt mới mà chúng ta muốn hệ thống đạt được). Để hệ thống làm việc gần trạng thái ổn định mới, độ lợi bộ điều khiển, Kc, phải rất lớn để bộ điều khiển tạo ra đầu ra theo yêu cầu khi chỉ có một sai số rất nhỏ xuất hiện. Độ lợi lớn có thể dẫn đến hệ thống mất ổn định hoặc có thể làm phần cứng không thể thực hiện được giống như van lớn vô tận vậy. Cùng với điều khiển tỉ lệ là điều khiển tỉ lệ-tích phân (PI) và điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID). Nguyễn Lê Huy 54 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Điều khiển PID được sử dụng phổ biến để thực hiện điều khiển vòng lặp. điều khiển vòng hở có thể được sử dụng trong các hệ thống được mô tả rõ ràng để tiên đoán được đầu ra nào sẽ cần thiết để đạt được trạng thái mong muốn. Ví dụ, vận tốc quay của một động cơ điện có thể được mô tả đủ tốt cho việc cung cấp điện áp làm cho việc điều khiển phản hồi là không cần thiết. Hạn chế của điều khiển vòng hở là yêu cầu kiến thức về hệ thống phải rất hoàn hảo (tức là nó phải biết chính xác đầu vào là gì để đạt được đầu ra mong muốn), và phải giả thiết rằng không có bất kỳ nhiễu nào trong hệ thống. 4.2.2. Lấy đường đặc tính của đối tượng Dựa vào chương 3, ta có thể xây dựng chương trình để xác định đường đặc tính của đối tượng như sau: Hình 4.15: Chương trình lấy đường đặc tính của đối tượng Hình 4.16: Giao diện lấy đường đặc tính trên Control Desk Sau khi chạy chương trình lấy đường đặc tính của đối tượng, em chụp lại được đường đặc tính Nguyễn Lê Huy 55 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú của động cơ Hình 4.17: Đường đặc tính của động cơ Nhìn vào đường đặc tính thực của đối tượng ta thấy đối tượng có đường đặc tính xấp xỉ là khâu quán tính bậc nhất do vậy mà trong đồ án xấp xỉ chọn đối tượng là khâu quán tính bậc nhất. Khâu quán tính bậc nhất có hàm truyền như sau: P(s) = K Ts+1 Ta đi xác định các hệ số K và T của đối tượng Hình 4.18: Xác định các tham số của đối tượng Ở đây coi trễ L=0, ta được hàm truyền của đối tượng như sau: Sau khi đã tìm được các tham số, cần có 1 chương trình mô phỏng để kiểm tra xem đường đặc tính được vẽ trên Matlab dựa vào các tham số vừa tìm được có giống với đường đặc tính ta lấy được từ chương trình trên Simulink hay không. Nguyễn Lê Huy 56 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Hình 4.19: Kết quả mô phỏng lại trên Matlab Từ kết quả thu được em thấy đường đặc tính thu được trên scope của matlab giống với đường đặc tính lấy được từ Simulink. 4.2.3. Xây dựng bộ điều khiển a, Giới thiệu bộ điều khiển tỉ lệ P(Proportional) Bộ điều khiển có hàm truyền đạt : W(S)=K Bộ tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số K p, được gọi là độ lợi tỉ lệ. Khâu tỉ lệ được cho bởi: Pout = K pe(t) Trong đó: Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra Kp: Hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh e: sai số = SP – PV t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại) Hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn. Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống. Nguyễn Lê Huy 57 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Droop (độ trượt): Nếu không có nhiễu, điều khiển tỉ lệ thuần túy sẽ không xác lập tại giá trị mong muốn của nó, nhưng nó vẫn duy trì một sai số ổn định trạng thái, là một hàm của hệ số tỉ lệ và độ lợi quá trình. Khi thừa số tỉ lệ, đẩy vào thông số tới giá trị đặt, được bù chính xác bởi độ lợi quá trình, nó sẽ kéo thông số ra khỏi giá trị đặt. Chỉ các thành phần dịch chuyển (trung bình dài hạn, thành phần tần số không) của độ lợi quá trình mới tác động tới độ trượt - các dao động đều hoặc ngẫu nhiên trên hoặc dưới thành phần dịch chuyển sẽ bị triệt tiêu. Độ lợi quá trình có thể thay đổi theo thời gian hoặc theo các thay đổi bên ngoài. Độ trượt tỉ lệ thuận với độ lợi quá trình và tỉ lệ nghịch với độ lợi tỉ lệ, và là một khiếm khuyết không thể tránh được của điều khiển tỉ lệ thuần túy. Độ trượt có thể được giảm bớt bằng cách thêm một thừa số độ lệch (cho điểm đặt trên giá trị mong muốn thực tế), hoặc sửa đổi bằng cách thêm một khâu tích phân (trong bộ điều khiển PI hoặc PID), sẽ tính toán độ lệch thêm vào một cách hữu hiệu. Bất chấp độ trượt, cả lý thuyết điều chỉnh lẫn thực tế chỉ ra rằng khâu tỉ lệ là cần thiết trong việc tham gia vào quá trình điều khiển. b, Xây dựng bộ điều khiển Kp P(s)= Bài toán điều khiển trong đồ án điều khiển theo vòng hở với đối tượng x(s) Kp u P(s) y(s) Hình 4.20: Điều khiển theo vòng hở Ta có hàm truyền hệ hở sẽ là : WH (s)= Nguyễn Lê Huy 58 0.18K P 0.0275s+1 0,18 0,0275s+1 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Ta đi xác định hàm truyền hệ kín : x(s) + e u Kp P(s) y(s) - W(s) = WH (s) 0.18K P = 1+WH (s) 0.0275s+(1+0.18K P ) Ta được đa thức đặc trưng : H(s) = 0.0275s+(1+0.18K P ) Theo tiêu chuẩn HURWITZ thì hệ thống sẽ ổn định khi : 0.0275>0  1+0.18K P >0 Hay K P > -5.5 thì hệ thống sẽ ổn định KP Tiến hành mô phỏng trên Matlab, em thấy với =400 thì thu được kết quả như sau : Hình 4.21: Kết quả thu được với Kp=400 Nguyễn Lê Huy 59 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Từ kết quả trên hình 4.24 em thấy hệ thống đi vào ổn định sau khoảng 0.0017s và không bị quá độ. Với Kp=400 thì đối tượng đáp ứng được tín hiệu đặt. 4.2.4. Xây dựng chương trình điều khiển a. Lưu đồ thuật toán Bắt đầu Chạy Sai Chỉnh tốc độ Đúng Bắn Piston Đúng Bắn Piston Đúng Bắn Piston Tốc độ đạt yêu cầu Đúng CB1 Sai CB2 Sai CB3 Hình 4.22: Lưu đồ thuật toán điều khiển băng chuyền Sai Nguyễn Lê Huy 60 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú b. Chương trình điều khiển trên phần mềm Matlab – Simulink Hình 4.23: Chương trình điều khiển trên Simulink c. Chương trình điều khiển trên Control Desk Hình 4.24: Chương trình giám sát trên Control Desk Khi nhấn nút “Chạy” trên màn hình điều khiển Control Desk thì động cơ bắt đầu quay và băng chuyền bắt đầu hoạt động. Mô hình sẽ phân loại sản phẩm theo 3 mức chiều cao : cao, trung bình và thấp. 3 mức cảm biến được đặt lần lượt ở 3 vị trí cao, trung bình và thấp. Nếu sản phẩm có chiều cao ở mức thấp khi nằm trên băng chuyền di chuyển qua cảm biến ở mức cao và mức trung bình thì sẽ không bị phát hiện và sẽ di chuyển tiếp đến vị trí cảm biến mức thấp. Khi đó vật bị phát hiện lập tức Nguyễn Lê Huy 61 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú pittong sẽ đẩy vật vào thùng hàng tương ứng. Tương tự với 2 trường hợp sản phẩm có chiều cao trung bình và thấp. Vì ta đặt cảm biến lần lượt theo các mức cao, trung bình và thấp nên không sợ rơi vào trường hợp vật cao hoặc trung bình đi qua cảm biến mức thấp sẽ bị phân loại nhầm. Hoạt động của mô hình cứ tuần tự như vậy cho đến khi người điều khiển nhấn nút stop trên màn hình điều khiển Control Desk. Ngoài ra người dùng có thể giám sát tín hiệu của các bộ ADC và DAC được sử dụng trong mô hình bằng các đồ thị được vẽ trên màn hình Control Desk. Có thể điều chỉnh tốc độ của băng chuyền theo ý muốn bằng cách kéo thanh trượt trên màn hình Control Desk. 4.2.5. Nhận xét và đánh giá kết quả a, Nhận xét Từ những nội dung đồ án đã trình bày, có thể thấy rằng hệ thống đi vào ổn định khi miền K p>5.5. Bằng mô phỏng trên matlab, ta thấy với Kp=400 thì động cơ đáp ứng được giá trị đặt. Mô hình chạy thực tế đã phân loại được chính xác sản phẩm theo 3 mức chiều cao như đã đặt ra của đồ án. Theo dõi được tín hiệu thu về từ cảm biến và tín hiệu của van điện khi phát hiện vật trên màn hình Control Desk b, Đánh giá kết quả Mặc dù vẫn còn một số hạn chế chưa được khắc phục như hình thức mô hình chưa được đẹp, chưa thể phân loại được sản phẩm đa dạng hơn… nhưng về cơ bản thì đồ án đã đạt được yêu cầu đặt ra, tìm được miền ổn định của động cơ và giá trị K p của bộ điều khiển tỉ lệ, phân loại được các sản phẩm có mức chiều cao khác nhau. Em mong rằng đồ án sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển ứng dụng nhiều hơn nữa. 4.3. Tổng kết chương 4 Qua chương này, em đã hoàn thành được những nhiệm vụ sau: - Thiết kế mạch chuẩn điện áp vào – ra giữa dSPACE và mô hình phần cứng - Thiết kế được mạch động lực điều khiển tốc độ băng chuyền phù hợp với thiết kế mô hình - Xây dựng được chương trình điều khiển hệ thống trên Matlab – Simulink và Control Desk - Chọn được tham số phù hợp của bộ điều khiển tỷ lệ để động cơ hoạt động ổn định Nguyễn Lê Huy 62 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú KẾT LUẬN Sau thời gian làm đồ án tốt nghiệp,dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Thạc sĩ Trần Ngọc Tú, đến nay em đã hoàn thành đề tài của mình. Nội dung chính của đồ án bao gồm: Phần kiến thức: * Tìm hiểu về Card Dspace 1104 Tìm hiểu quy trình công nghệ băng chuyền phân loại sản phẩm. * Tìm hiểu về cảm biến quang. Phần thiết kế thi công: * Viết chương trình điều khiển. * Thi công chạy thử mô hình. Đồ án này được trình bày theo dạng mô hình mô phỏng, nên trong quá trình thực hiện đồ án này không tránh khỏi những sai sót. Em mong rằng đề tài này sẽ được các bạn sinh viên khoá sau sẽ tiếp tục nghiên cứu và khắc phục những mặt hạn chế của đồ án để tạo ra sản phẩm tối ưu phục vụ cho sản xuất và đời sống xã hội. Em xin được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin trân trọng cảm ơn thầy Hiệu trưởng, Ban Giám hiệu nhà trường, các phòng ban chức năng, thầy trưởng khoa điện, các thầy cô trong khoa điện và đặc biệt là thầy Th.S. Trần Ngọc Tú là người trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài. * Sinh viên thực hiện Nguyễn Lê Huy Nguyễn Lê Huy 63 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt [1] Lê Hùng Lân (2000), lý thuyết điều khiển tự động 1-2, NXB GTVT Tài liệu tiếng anh [1] DS1104 R&D Controller Board, Hardware Installation and Configuration For Release 4.1, March 2004 Nguyễn Lê Huy 64 [...]... Ngọc Tú - Hình ảnh một số dây chuyền phân loại sản phẩm ngoài thực tế - Các yêu cầu khi thiết kế hệ thống - Lựa chọn được phương án thiết kế phù hợp Nguyễn Lê Huy 11 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Chương 2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG 2.1 Các thiết bị chấp hành a Pitton-xi lanh khí nén Để đưa vật ra khỏi băng truyền ta có thể sử dụng rất nhiều cơ cấu như: tay gạt,... 2.2.5 Phân loại Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện loại: Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng: - Động cơ điện một chiều kích từ độc lập - Động cơ điện một chiều kích từ song song - Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp - Đông cơ điện một chiều kích. .. nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú Chương 3 GIỚI THIỆU CARD dSPACE1104 VÀ CÁC PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 3.1 Card dSPACE1104 Để thực hiện được các thuật toán phức tạp trong các hệ thống sản xuất hiện đại, linh hoạt, các nhà sản xuất phải tự động hoá quá trình thiết kế, rút ngắn thời gian thử nghiệm, nhanh chóng đưa thiết bị vào sản xuất và đảm bảo tối ưu chất lượng sản phẩm Điều này chỉ có được với sự trợ giúp của... của máy tính, qua các bước sau: - Trong giai đoạn phân tích: Mô phỏng thường được sử dụng để phân tích đối tượng, phục vụ cho việc thiết kế hệ thống Cho phép giảm chi phí trong quá trình nghiên cứu khi chuẩn bị cho một sản phẩm mới Đặc điểm của mô phỏng là máy tính cần có đủ thời gian cần thiết để tính toán tiến trình của hệ thống Với mô hình đơn giản, kết quả tính toán nhanh và mô hình mô phỏng phản... động của piston và loại piston sử dụng trong mô hình - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của van khí nén và loại van khí nén sử dụng trong mô hình - Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại động cơ điện 1 chiều - Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại và ưu nhược điểm của các loại cảm biến phổ biến Lựa chọn cảm biến quang E3F10C4 phù hợp với mô hình phần cứng - Cấu tạo băng tải và 1 số loại băng tải phổ... thực tế Qua phân tích và so sánh các loại cảm biến, em nhận thấy để phát hiện được vị trí của vật thì tùy từng hệ thống, từng vật thể mà ta chọn những loại cảm biến khác nhau Ví dụ như với ô tô, tay máy ta có thể sử dụng công tắc hành trình, với các vật thể như piston, sắt thép ta có thể sử dụng cảm biến điện dung, với những vật thể dễ vỡ, mềm, dễ hỏng như gốm sứ, giấy, thức ăn ta có thể sử dụng cảm biến... hợp lý nên phù hợp với mô hình đồ án của em Hình 2.16: Cảm biến quang E3F10C4 sử dụng trong mô hình 2.4 Băng chuyền phân loại sản phẩm 2.4.1 Giới thiệu chung Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như Nguyễn Lê Huy 25 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú... than đá, các loại xỉ lò trên các trạm thủy điện thì dùng vận chuyển nhiên liệu Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạt hoặc 1 số sản phẩm khác Trong 1 số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, hóa chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng... thế không thể bỏ qua của cảm biến quang đó là phát hiện hầu hết các loại vật thể, vật chất + Cảm biến quang thu phát chung: Cảm biến quang loại thu phát chung dễ dàng trong việc thiết kế và lắp đặt vì chỉ cần một vị trí Do có một thiết bị nên việc đấu dây cho hệ thống cũng dễ dàng hơn Cảm biến quang thu phát chung dùng để kiểm tra sản phẩm có ngã đổ hoặc có đủ bộ phận chưa ( ví dụ: chai có ngã trên băng... điều khiển số DS1104 là Card được thiết kế theo chuẩn PC/AT, do đó nó có thể cắm vào máy tính qua cổng mở rộng ISA Nó cũng có thể gắn vào hộp mở rộng dSPACE giao tiếp với máy tính Hình 3.1 là hình dáng bên ngoài của DS1104 Nguyễn Lê Huy 29 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Ngọc Tú 3.2 Cấu trúc phần cứng của DSPACE1104 Hình 3.2: Sơ đồ khối cấu trúc bên trong card dSPACE1104 Card dSPACE1104 được nối vào ... phân loại sản phẩm tùy theo yêu cầu nhà sản xuất như: Phân loại sản phẩm theo kích thước, Phân loại sản phẩm theo màu sắc, Phân loại sản phẩm theo khối lượng, Phân loại sản phẩm theo mã vạch, Phân. .. NGHIỆP 1.1 Các hệ thống phân loại sản phẩm phổ biến Hiện có nhiều nhà máy, xí nghiệp sản xuất sử dụng hệ thống phân loại sản phẩm Tùy vào mức độ phức tạp yêu cầu phân loại, hệ thống phân loại tự động... điều khiển động điện chiều, em xin chọn đề tài : Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước sử dụng Card dSPACE Phân loại sản phẩm toán ứng dụng nhiều thực tế Với việc dùng sức người, công