Thông tin tài liệu
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
Ngày đăng: 01/10/2015, 17:37
Xem thêm: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO KÍCH THƯỚC SỬ DỤNG CARD DSPACE1104, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO KÍCH THƯỚC SỬ DỤNG CARD DSPACE1104, TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM, PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG, a. Pitton-xi lanh khí nén., a. Phần tĩnh hay stator, d, Kích thích hỗn hợp, a. Cảm biến điện trở, d. Cảm biến loại transistor quang, GIỚI THIỆU CARD dSPACE1104 VÀ CÁC PHẦN MỀM LẬP TRÌNH, a. Xây dựng chương trình trên Matlab và biên dịch, b. Xây dựng chương trình giao diện trên ControlDesk, a, Giới thiệu về IC555, b. Thiết kế mạch động lực điều khiển động cơ, b, Các loại bộ điều khiển, b, Xây dựng bộ điều khiển Kp, c. Chương trình điều khiển trên Control Desk