TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Tính cấp thiết của đề tài
Ẩm thực Việt Nam thể hiện nét văn hóa độc đáo của ba miền Bắc, Trung, Nam, với mỗi vùng có những món ăn đặc trưng, ảnh hưởng từ tập quán dân cư và điều kiện tự nhiên phong phú Nổi bật trong ẩm thực Việt là các món trộn, gỏi, nộm được chế biến từ rau, củ, quả, mang lại giá trị dinh dưỡng cao nhờ chứa nhiều vitamin và chất xơ Những món ăn này không chỉ bổ dưỡng mà còn hấp dẫn người dùng nhờ vào cách chế biến độc đáo.
Hình 1.1: Nguyên liệu chế biến các món trộn, nộm
Trước khi chế biến, nguyên liệu cần được ngâm và rửa sạch để loại bỏ bụi bẩn Tùy theo yêu cầu của từng món ăn, nguyên liệu có thể chỉ cần để ráo nước hoặc vắt khô Các phương pháp phổ biến để làm khô nguyên liệu bao gồm để ngoài không khí, dùng rổ vẩy cho rau, hoặc vắt tay đối với những nguyên liệu cần khô nước.
Hình 1.2: Phương pháp làm ráo nước rau ngoài không khí
Các phương pháp này có hạn chế là chỉ hiệu quả khi lượng nguyên liệu vắt nước ít, thời gian làm ráo nước kéo dài và không đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm.
Nhằm đáp ứng nhu cầu trong ngành thực phẩm, nhóm đã lựa chọn đề tài thiết kế và chế tạo máy vắt ly tâm Sản phẩm này không chỉ nâng cao năng suất mà còn rút ngắn thời gian chế biến và đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm.
Mục tiêu của đề tài
Tìm hiểu, nghiên cứu và tính toán động lực học cho máy
Tìm hiểu và sử dụng bộ điều khiển PID để điểu khiển vận tốc động cơ
Thiết kế và lựa chọn mạch điểu khiển, mạch công suất, mạch nút nhấn, mạch đèn led báo hiệu
Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển
Viết chương trình điều khiển.
Giới hạn của đề tài
Chế tạo máy vắt ly tâm có công suất 2 kg/mẻ
Điều khiển tốc độ động cơ DC Servo
Lập thuật toán điều khiển và viết chương trình điều khiển máy.
Đối tƣợng nghiên cứuvà giới hạn của đề tài
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu Đối tương nghiên cứu của đề tài là thiết kế và chế tạo máy ly tâm vắt nước dùng trong thực phẩm Do sản phẩm đƣợc đem vào sử dụng thực tế nên nhóm tập trung vào tính toán thiết kế sơ bộ rồi sau đó thiết kế chi tiết để gia công
Máy được điều khiển thông qua hệ thống điện và chương trình, vì vậy nhóm nghiên cứu cần tập trung vào nguyên lý mạch điện và các thuật toán để áp dụng vào việc điều khiển máy.
Tài liệu liên quan đến tính toán, thiết kế máy
Tài liệu liên quan đến tính toán, thiết kế mạch điện, điều khiển lập trình
1.4.2 Giới hạn của đề tài
Chế tạo máy vắt ly tâm có công suất 2 kg/mẻ
Điều khiển tốc độ động cơ DC Servo
Lập thuật toán điều khiển và viết chương trình điều khiển máy.
Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài, nhóm đã áp dụng các phương pháp nghiên cứu như tìm tài liệu, khảo sát các đề tài khoa học liên quan đến cơ khí và điều khiển, cũng như nghiên cứu các trang web và sách Qua đó, nhóm đã đưa ra các phương án thiết kế và lựa chọn thiết bị phù hợp.
Sau khi chế tạo xong mô hình, nhóm tiến hành chạy thử nghiệm để nhận xét, đánh giá kết quả so với mục tiêu đã đề ra.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Tạo ra sản phẩm thay thế một phần công việc của con người
Tạo ra sản phẩm có tính chuyên môn hóa đạt năng suất cao
Góp phần vào việc thúc đẩy ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống
Tình hình trong và ngoài nước
Hiện nay, nhiều công ty trên thế giới sản xuất máy vắt ly tâm, đặc biệt trong lĩnh vực chế biến thực phẩm Trung Quốc nổi bật với nhiều nhà sản xuất máy vắt ly tâm công suất lớn, phục vụ cho các nhà máy chế biến và bảo quản thực phẩm.
Hệ thống giảm rung phổ biến hiện nay bao gồm thân máy được gắn trên đế bằng ba lò xo hoặc thiết bị giảm rung Động cơ điện thường sử dụng trong các máy này là động cơ xoay chiều.
Ở Việt Nam, nhiều công ty sản xuất máy vắt ly tâm phục vụ cho việc vắt đậu nành, đỗ tương và tách nước khỏi đậu, với công suất từ 10 kg đến 30 kg mỗi mẻ Hệ thống điều khiển của máy khá đơn giản, thường chỉ có một tốc độ hoạt động.
Nhóm đã nghiên cứu nhu cầu sử dụng máy làm ráo nước cho thực phẩm, yêu cầu thời gian nhanh chóng, an toàn vệ sinh thực phẩm và năng suất cao Dựa trên nhu cầu này, nhóm quyết định chọn đề tài thiết kế và chế tạo máy vắt ly tâm phục vụ ngành thực phẩm cho đồ án tốt nghiệp.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Điều chế độ rộng xung PWM
Phương pháp điều xung PWM là kỹ thuật điều chỉnh điện áp ra tải thông qua việc thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông Các module PWM thường hoạt động với tần số điều chế cố định, và điều chỉnh điện áp dựa trên sự thay đổi phần trăm độ rộng xung (duty cycle).
Hình 2.4: Đồ thị dạng xung điều chế PWM
Phương pháp này điều chỉnh độ rộng xung PWM, từ đó thay đổi điện áp trung bình cung cấp cho động cơ, giúp điều chỉnh tốc độ của động cơ một cách hiệu quả.
Hình 2.5: Điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM
Nguyên lý hoạt động của PWM là điều khiển độ mở của transistor để điều chỉnh điện áp cung cấp cho động cơ Trong khoảng thời gian từ 0 đến T, transistor mở cho phép toàn bộ điện áp nguồn 24V được cấp cho động cơ Ngược lại, trong khoảng thời gian từ T trở đi, transistor đóng, ngắt nguồn cung cấp Nhờ vào việc thay đổi tần suất từ 0 đến T, ta có thể điều chỉnh mức điện áp cung cấp cho động cơ, từ hoàn toàn, một phần cho đến không có điện áp.
Hình 2.6: Sơ đồ xung trên chân vi điều khiển và dạng điện áp ngõ ra
Công thức tính giá trị trung bình của điện áp trên động cơ :
Gọi là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, là điện áp nguồn cung cấp cho động cơ
Công thức tính điện áp trung bình trên động cơ :
U d = U max ( / T) hay U d =U max D Trong đó D = T 0 100/ T : là phần trăm độ rộng xung
Bộ điều khiển PID
2.4.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là thiết bị điều khiển vòng kín phổ biến trong ngành công nghiệp, giúp điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) và giá trị đặt (setpoint) Bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra, bộ điều khiển PID đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.
Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID:
Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
A PID controller consists of three components: Proportional (P), which generates a control signal proportional to the error; Integral (I), which produces a control signal based on the time integral of the error; and Derivative (D), which creates a control signal proportional to the time derivative of the error.
Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Hàm truyền của hệ thống:
+ Td.s) Hàm chuyển đổi: u(t) = KP ∫ Tính gần đúng theo công thức:
Với n là bước rời rạc tại t
Kết quả thu đƣợc: u(n) = KPe(n) + Ki∑ + Kd(e(n) - e(n-1)) Với:
2.4.2 Điều chỉnh bộ PID bằng phương pháp Ziegler–Nichols.
Vi điều khiển STM32F407VG
Việc xác định các thông số P, I, D thường được thực hiện qua thực nghiệm dựa vào đáp ứng xung của hệ thống Phương pháp Ziegler – Nichols được áp dụng để chọn tham số PID cho mô hình quán tính có độ trễ cao Mặc dù việc xấp xỉ hàm truyền của động cơ không hoàn toàn chính xác, nhưng nó vẫn có thể mang lại đáp ứng tương đối tốt Phương pháp này yêu cầu tính toán giá trị giới hạn của khâu tỉ lệ và chu kỳ giới hạn của hệ kín, từ đó xác định các thông số khác theo bảng hướng dẫn.
Bảng 2.1: Thông số bộ điều khiển PID theo thực nghiệm
Để xác định giá trị K gh và T gh, đầu tiên cần thiết lập K I và K D bằng 0 Sau đó, tăng dần K P cho đến khi hệ thống đạt được trạng thái ổn định ở biên giới, với dao động có biên độ và chu kỳ không đổi.
Hình 2.9: Xác định hệ số khếch đại tới hạn
Tại đây, ta xác định đƣợc K gh và T gh sau đó tính các thông số khác tùy theo bộ điều khiển nhƣ bảng trên
2.5 Vi điều khiển ARM STM32F407VG
2.5.1 Giới thiệu vi điều khiển ARM
Cấu trúc ARM là vi xử lý 32 bit và 64 bit theo kiểu RISC, phổ biến trong thiết kế nhúng nhờ vào khả năng tiết kiệm năng lượng Các bộ CPU ARM được ưa chuộng trong sản phẩm điện tử di động, nơi việc giảm tiêu tán công suất là một yếu tố thiết kế quan trọng.
Hiện nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit thuộc họ ARM, khiến ARM trở thành cấu trúc 32-bit phổ biến nhất trên toàn cầu Các CPU ARM hiện diện trong nhiều sản phẩm thương mại điện tử, từ thiết bị cầm tay như điện thoại di động và máy chơi game cầm tay, đến các thiết bị ngoại vi máy tính như ổ đĩa cứng và bộ định tuyến Một trong những dòng vi xử lý nổi bật của ARM là Xscale của Intel.
Phân loại : Kiến trúc V7 gồm những lõi ARM Coxtex đƣợc chia ra ba dòng cấu hình chính, với các kí hiệu viết tắt là: A, R, M
A là viết tắt của Appplication, lõi ARM dòng này hỗ trợ cho các ứng dụng có độ phức tạp cao nhƣ: máy tính, điện thoại di động…
R là viết tắt của Realtime, các ứng dụng cần xử lý thời gian thực đƣợc hỗ trợ bởi cấu hình này
M là Microcontroller, dành cho các ứng dụng công nghiệp và điện tử tiêu dùng
Hình 2.10: Cấu trúc vi điều khiễn ARM
2.5.2 Mạch vi điều khiển STM32F407VG
STM32F4 Discovery là một mạch phát triển do STMicroelectronics sản xuất, sử dụng vi điều khiển ARM Cortex-M4 STM32F407VG Vi điều khiển này có hiệu suất cao với xung đồng hồ lên đến 168MHz, 1024 KB Flash và 192 KB RAM.
Mạch này đƣợc tích hợp nhiều ngoại vi:
Mạch gỡ rối (debug) ST LINK / V2
Full-Speed USB OTG to second Micro-AB USBconnector
Hình 2.11: Mạch điều khiển STM32F407VG
KẾ CƠ KHÍ
Lựa chọn phương án thiết kế kết cấu máy
Phương án 1: Sử dụng hệ thống giảm rung bằng lò xo
Máy có lồng vắt được bảo vệ bởi thùng ngoài, với thân máy được gắn vỏ và treo trên đế bằng ba lò xo cách nhau 120 độ Động cơ lắp trên thân máy truyền động lực qua trục chính, làm lồng vắt quay nhờ bộ truyền đai.
Máy ly tâm giảm rung bằng lò xo có ưu điểm nổi bật là khả năng hoạt động hiệu quả với tải trọng lệch tâm lớn nhờ vào hệ thống lò xo giảm rung.
Nhược điểm: Khối lượng máy nặng, kích thước máy lớn chiếm nhiều không gian Chi phí chế tạo máy lớn
Phương án 2: Sử dụng đế cao su để giảm rung động cho máy
Phương án này lắp đặt lòng vắt và động cơ bộ truyền đai trên thân máy, đồng thời sử dụng cao su đàn hồi làm đế chân để giảm rung một cách đơn giản hơn.
Hình 3.2: Máy ly tâm giảm rung bằng đế cao su Ưu điểm: Kích thước của máy nhỏ, khối lượng nhẹ, thích hợp cho với máy công suất nhỏ
Mục tiêu của đề tài là chế tạo máy vắt ly tâm có công suất nhỏ, với khả năng vắt đạt 2 kg mỗi mẻ Sau khi xem xét hai phương án, nhóm đã quyết định chọn phương án thứ hai, vì nó phù hợp nhất với yêu cầu của đề tài.
Sau khi lựa chọn phương án thiết kế kết cấu cho máy, nhóm đã tiến hành lập sơ đồ khối để xác định vị trí tương quan giữa các bộ phận, nhằm thuận lợi hơn trong việc chọn lựa phương án thiết kế chi tiết.
Hình 3.3: Sơ đồ vị trí tương đối các bộ phận máy vắt ly tâm
1 Lồng vắt 6 Puli trục chính
3 Thân máy 8 Puli động cơ
4 Gối đỡ vòng bi 9 Động cơ
5 Đế cao su 10 Khớp nối.
Thiết kế lồng vắt
Lồng vắt là bộ phận quan trọng trong việc vắt ráo nước thực phẩm, yêu cầu thiết kế phải đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, độ bền và dễ tháo lắp Nhóm đã chọn vật liệu inox 304 để chế tạo lồng vắt, đáp ứng các tiêu chí trên Theo khảo sát thị trường, khối lượng thực phẩm cần vắt nước dao động từ 2-3 kg mỗi lần.
Do đó nhóm quyết định chọn thiết kế và chế tạo máy có công suất là 2 kg/mẻ
Nhóm đã được ra phương án thiết kế như hình dưới
Lồng vắt được thiết kế từ các tấm inox hàn lại, có hình dạng khối trụ tròn với đường kính 400 mm và chiều cao 200 mm Phần đáy lồng được cắt thành hình tròn với đường kính 100 mm, và tại vị trí này, một khối trụ rỗng có đường kính trong được hàn dính chắc chắn.
Kích thước 100 mm x 100 mm được thiết kế nhằm tạo ra một vị trí gắn lồng vắt với khớp nối, đồng thời giảm thiểu tác động của moment uốn do hiện tượng lệch tâm xảy ra trong quá trình lồng vắt quay, ảnh hưởng đến diện tích tiếp xúc giữa lồng vắt và khớp nối.
Hình 3.5 : Lỗ gắn bu lông- đai ốc cố định lồng vắt với khớp nối
Phần trên của khối trụ nhỏ được khoan 4 lỗ có đường kính 8 mm, với đường kính tâm là 62 mm Những lỗ này được thiết kế để gắn chặt lồng vắt với khớp nối bằng bu lông và đai ốc inox M8.
Trên thành thùng, các lỗ đường kính 5 mm được khoan thành hàng cách nhau 25 mm nhằm tạo điều kiện thoát nước hiệu quả trong quá trình vắt Đường kính 5 mm không chỉ giúp nước thoát dễ dàng mà còn bảo vệ thực phẩm, tránh hư hỏng sau khi vắt.
Hỉnh 3.6 : Lồng vắt sau khi thiết kế
Thiết kế khớp nối
Khớp nối có dạng trụ tròn xoay, phần trên là đĩa tròn dùng để gắn với lồng vắt thông qua bốn cặp bu lông đai ốc inox M8
Hình 3.7: Thiết kế khớp nối
Kích thước trục chính được thiết kế với đường kính 20 mm, trong khi phần dưới của khớp nối có lỗ tiện đường kính 20 mm và sâu 30 mm để lắp trục chính Nhóm đã sử dụng bu lông lục giác M5 để cố định trục với khớp nối một cách chắc chắn.
Hình 3.9: Vị trí gắn trục chính
Tính toán và lựa chọn động cơ
Lực vòng khi trục quay với tốc độ lớn nhất 2 (m/s) là:
F = 28 (N) Công suất trên bộ truyền đai:
= 0,056 (kW) Hiệu suất chung của toàn hệ thống:
Hiệu suất của một cặp ổ lăn : = 0,99 (Đƣợc che kín)
Hiệu suất của bộ truyền đai: = 0,96
Công suất cần thiết trên trục động cơ:
= 0,0589 (kW) (2) Tốc độ quay lớn nhất của trục chính ntrục = 500 vòng/phút Đường kính bánh đai lớn là 83 mm Đường kính bánh đai nhỏ là 30 mm
Suy ra, tỉ số truyền của bộ truyền đai là: u = =
Tốc độ cần thiết của động cơ là: n ct = u.n trục = 2,7.500 = 1350 (vòng/phút) (3) Điều kiện để chọn động cơ là:
Từ (2),(3) và hai điều kiện trên ta chọn động cơ có thộng số kỹ thuật nhƣ sau:
Bảng 3.1: Thông số động cơ:
Tên động cơ Công suất
Tốc độ (vòng/phút) Điện áp (V)
Lựa chọn và tính toán bộ truyền
Để cho máy hoạt động đƣợc ổn định, bộ truyền động cần đƣợc đáp ứng các yêu cầu sau:
Hoạt động êm khi máy chạy ở tốc độ cao
Sinh ra dao động nhỏ trong quá trình hoạt động
Trong số các bộ truyền cơ khí phổ biến hiện nay như bộ truyền bánh răng, bộ truyền xích, bộ truyền trục vít-bánh vít, và bộ truyền đai, bộ truyền đai nổi bật với nhiều ưu điểm Bộ truyền đai không chỉ đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật mà còn mang lại hiệu suất cao trong quá trình truyền động.
Không có độ rơ, không gây ra tiếng ồn khi chạy ở tốc độ cao
Làm việc êm và không ồn nhờ vào độ dẻo của đai, dó đó có thể truyền vận tốc lớn
Tránh cho các cơ cấu không có sự dao động nhờ sự trƣợt trơn của đai khi quá tải
Nhờ vào tính chất đàn hồi của đai nên tránh đƣợc dao động sinh ra do tải trọng thay đổi tác dụng lên cơ cấu
Nhờ vào sự trƣợt trơn của đai nên đề phòng sƣ quá tải xảy ra trên động cơ
Kết cấu và vận hành đơn giản
Thông số đầu vào của bộ truyền đai: n 1 = 1500 (vòng/phút), P = 70W, u d = 2.7
Vận tốc đai trên bánh đai dẫn : v =
=2,35(m/s) Vận tốc đai nhỏ hơn vận tốc đai cho phép v max = 10 (m/s)
Chọn hệ số giảm tốc = 0,02 Đường kính bánh đai bị dẫn được tính theo công thức: d2 = ud d1 (1 - ) = 2,7.30.(1- 0,02) = 79,38 mm Theo tiêu chuẩn, đường kính bánh đai bị dẫn được chọn là d2 = 83 mm, dựa trên bảng 20.15 trang 43 trong sách "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí_Tập 2" của PGS.TS Trịnh Chất và TS Lê Văn Uyển.
Tỉ số truyền thực tế: u =
- = 2,82 Khoảng cách trục là: a = 1,2.d 2 = 1,2 83 = 99,6 (mm) Chiều dài dây đai:
Với > 120 , vậy góc ôm của bộ truyền đai thỏa điều kiện.
Tính toán và thiết kế trục chính
P trục = P = 70.0,95 = 66,5 (W) Momen xoắn trên trục chính:
Đường kính sơ bộ của trục: d √
Vậy ta chọn đường kính sơ bộ của trục chính là: d sb = 20 (mm)
Momen trên trục chính là: T1 = 1270 (N.mm)
F a1 = F T1 tg = 31,75.tg20 = 11,56 (N) Lực hướng kính:
= 11,56 (N) Momen tác động lên trục:
M a1 = = = 462,4 (N.mm) Tổng chiều dài của trục chính là: A= 300 (mm)
Giả sử các lực phân bố trên trục chính nhƣ hình vẽ:
Hình 3.10: Biểu đồ lực tác động lên trục chính
R Ay = – 8,67 (N) ( R Ay ngƣợc chiều với chiều giả sử)
R Ax = – 36,513 (N) ( R Ax ngƣợc chiều đã chọn)
Momen uốn tại tiết diện nguy hiểm:
M y = 3651 (N.mm) Đường kính tại tiết diện nguy hiểm:
Vậy chọn đường kính trục là 20 mm.
Thiết kế đồ gá động cơ
Dựa vào hình dáng và kích thước phần trên động cơ, nhóm đã đưa ra phướng án dùng tấm thép dày 5 mm để làm đồ gá động cơ
Hình 3.11 : Kích thước động cơ
Hình 3.12 : Đồ gá động cơ Tại tâm của đồ gá có khoét một lỗ tròn lớn có đường kính 26 mm
Hình 3.13: Vị trí gắn động cơ trên đồ gá
Lỗ để gắn bu lông đai ốc cố định gá động cơ vào khung máy:
Hình 3.14: Lỗ gắn bu lông - đai ốc cố định vào thân máy
Thiết kế khung máy
Khung máy đóng vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ toàn bộ khối lượng của máy và cố định các bộ phận tương ứng với nhau Được hàn từ các thanh thép hộp, khung máy đảm bảo sự chắc chắn và ổn định cho toàn bộ hệ thống.
3.8.1 Thiết kế khung chịu lực chính
Phần chịu lực chính của khung được hàn bằng các thanh thép ống vuông có kích thước
Khung máy có kích thước 300x300x300 mm, với phần chính chịu toàn bộ khối lượng và lực khi hoạt động Để tăng tính bền vững, phần giữa khung được hàn thêm hai thanh thép.
Hình 3.15 : Thiết kế khung chịu lực chính
3.8.2 Thiết kế phần lắp gối đỡ vòng bi trên khung máy
Dựa vào hình dạng và kích thước của gối đỡ vòng bi, nhóm đã thiết kế khung gắn gối đỡ bằng cách sử dụng hai thanh thép ống chữ nhật hàn song song, tạo thành một mặt phẳng để định vị gối đỡ vòng bi.
Trên thanh ống chữ nhật có khoan lỗ đường kính 12 mm đề bắt bu lông đai ốc cố định gối đỡ vòng bi cố định vào khung máy
Hình 3.16 Vị trí gắn gối đỡ vòng bi trên thân máy
3.8.3 Thiết kế phần gắn động cơ trên khung máy
Tương tư như phương án gắn gối đỡ vòng bi, nhóm cũng thiết kế phần khung để gắn động cơ bằng hai thanh thép chữ nhật song song
Hình 3.17: Vị trí gắn động cơ trên thân máy
Thiết kế đế cao su giảm rung
Để giảm thiểu rung động khi máy hoạt động, việc trang bị bộ phận chống rung hợp lý là rất cần thiết Nhằm đơn giản hóa quy trình chế tạo và tiết kiệm chi phí, nhóm đã quyết định sử dụng cao su đàn hồi làm vật liệu cho bộ phận giảm rung của máy, với cấu trúc bao gồm hai phần.
Phần trên dạng hình hộp chữ nhật có kích thước 40x40x30 Phần này được gắn chặt vào chân đế khung máy và đƣợc cố định bằng ốc vít
Phần dưới dạng khối trụ có đường kính 60 mm Chức năng của phần này là giảm rung động do máy tạo ra
Hình 3.18: Đế giảm rung bằng cao su
Mô hình thiết kế
Sau khi thiết kế song, nhóm tiến hành lắp ráp thành mô hình như dưới:
Hình 3.19: Mô hình thiết kế
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ khối mạch điều khiển
Nguyên lý hoạt động của máy vắt ly tâm bắt đầu bằng việc người dùng mở nguồn để khởi động máy Sau đó, có thể chọn chế độ hoạt động tự động hoặc bằng tay Ở chế độ tự động, người dùng lựa chọn các chế độ và thời gian vắt phù hợp với yêu cầu ráo nước của thực phẩm Trong khi đó, chế độ bằng tay cho phép người dùng điều chỉnh tốc độ và thời gian vắt theo nhu cầu cụ thể của thực phẩm.
Nhóm đã xác định chức năng của hệ thống điều khiển điện của máy, nhận tín hiệu từ người sử dụng qua các nút nhấn và công tắc Bộ điều khiển chính sẽ xử lý và tính toán các tín hiệu đầu vào để xuất tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ và thiết bị hiển thị.
Từ các chức năng trên, nhóm đã xác định và lập sơ khối của mạch điện điều khiển nhƣ sau:
Bộ điều khiển
Bộ điều khiển có chức năng đọc tín hiệu đầu vào từ các nguồn như nút nhấn, tín hiệu analog từ biến trở và tín hiệu xung từ encoder của động cơ Sau khi tiếp nhận, bộ điều khiển sẽ xử lý các tín hiệu này, thực hiện các phép tính theo chương trình và xuất ra tín hiệu điều khiển để điều chỉnh vận tốc và chiều của động cơ, đồng thời cung cấp tín hiệu cho mạch hiển thị.
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển
Căn cứ vào chức năng của bộ điều khiển, nhóm đã chọn mạch vi điều khiển ARM STM32F407VG để làm mạch điều khiển chính của hệ thống.
Mạch nút nhấn
Để tối ưu hóa quy trình vận hành máy, nhóm đã chọn các thiết bị như nút nhấn cơ thường hở và công tắc gạt, cho phép người dùng dễ dàng chọn chế độ vắt, thời gian vắt và bắt đầu chương trình Công tắc gạt cũng được sử dụng để chuyển đổi giữa chế độ tự động và thủ công, cũng như để tắt mở nguồn Ngoài ra, biến trở được sử dụng như núm điều chỉnh tốc độ bằng tay, mang lại sự linh hoạt trong quá trình sử dụng.
Nhóm đã sử dụng IC 74HC245 để đệm dòng tín hiệu đưa vào vi điều khiển do các nút nhấn được đặt xa mạch điện Nguồn cấp cho mạch nút nhấn là 3.3V, lấy từ vi điều khiển.
GND VDD GND PC1 PC3 PA1 PA3 PA5 PA7 PC5 PB1 GND PE7 PE9 PE11 PE13 PE15 PB11 PB13 PB15 PD9 PD11 PD13 PD15 GND
G N D NC PD 14 PD 12 PD 10 PD 8 PB14 PB12 PB10 PE14 PE12 PE10 PE8 PB2 PB0 PC 4 PA6 PA4 PA2 PA0 PC 2 PC 0 N R ST VD D G N D
GND PC6 PC8 PA8 PA10 PA14 PC10 PC12 PD1 PD3 PD5 PD7 PB4 PB6 BOOT0 PB8 PE0 PE2 PE4 PE6 PC14 PH0 3V 5V GND
G N D 5V 3V PH 1 PC 15 PC 13 PE5 PE3 PE1 PB9 VD D PB7 PB5 PB3 PD 6 PD 4 PD 2 PD 0 PC 11 PA15 PA13 PA9 PC 9 PC 7 G N D
Mạch hiển thị
Mạch hiển thị có vai trò quan trọng trong việc thể hiện các chế độ mà người dùng lựa chọn, bao gồm các đèn LED màu đỏ để hiển thị chế độ vắt, thời gian vắt, cũng như chế độ tự động hoặc bằng tay Ngoài ra, mạch còn được trang bị một buzzer, phát ra âm thanh khi nút được nhấn hoặc khi chương trình bắt đầu và kết thúc.
Hình 4.4 : Sơ đồ nguyên lí mạch hiển thị
Mạch công suất
Đề tài sử dụng động cơ một chiều với dòng điện tối đa 3A và điện áp 24V Nhóm đã lựa chọn mạch công suất H Bridge MC33883 để điều khiển động cơ hiệu quả.
Hình 4.5: Mạch cầu H Bridge MC33883 Đặc tính kỹ thuật:
- Phần công suất sử dụng 4 MOFETs công suất IRF3205 có thông so61VDSS 55V, RDS(on) =8.0 mΩ, ID 0A
- Điện áp cấp ngõ vào từ +12 V đến +40 VDC
- Sử dụng opto xung 6N137 và IC lái MC33883 nên tần số PWM có thể đáp ứng
- Ngõ vào opto cách ly PWM+,PWM-,DIR+,DIR-
- Sử dụng IC kích fet chuyên dụng MC33883 của Freescale nên độ rộng xung PWM đạt 100%, ƣu điểm hơn so với các IC kích fet khác
- Có led báo nguồn, led báo đảo chiều động cơ và PWM
- Board có 2 nút nhấn DIR và PWM thích hợp cho việc test board bằng tay
Mạch ổn áp 5V
Mạch sử dụng IC ổn áp LM2596S để cung cấp điện áp 5V ổn định cho mạch vi điều khiển Điện áp đầu ra có thể điều chỉnh thông qua biến trở, giúp linh hoạt trong việc điều chỉnh nguồn điện cho các ứng dụng khác nhau.
IC LM2596S là IC nguồn xung có chu kì đóng/ngắt lên đến 125 KHz cho hiệu suất làm việc cao
Hình 4.6: Mạch ổn áp LM2596S
Thông số kỹ thuật của mạch:
- Điện áp đầu vào dao động từ 3V đến 40V
- Điện áp đầu ra từ 1.23V đến 37V
Mạch cung cấp điện áp 24 V cho mạch công suất và mạch ổn áp 5V
- Điện áp đầu vào : 220 V/50 Hz
- Điện áp đầu ra: 24 VDC
4.8 Thiết kế panel điều khiển
Panel được lắp ráp từ các miếng mica dày 5 mm, đảm bảo độ bền và thẩm mỹ Hệ thống đèn LED và nút nhấn được bố trí hợp lý, giúp người dùng dễ dàng thao tác Các nút nhấn và công tắc được cố định chắc chắn bằng đai ốc, tăng cường độ ổn định khi sử dụng.
Hình 4.8: Thiết kế panel điều khiển
1 Nút nhấn chọn chế độ vắt
2 Nút nhấn chọn thời gian vắt
3 Núm chỉnh tốc độ vắt bằng tay
4 Nút nhấn chạy chương trình vắt
4.9.1 Thuật toán điều khiển chính
33 Hình 4.9 : Thuật toán điều khiển chính
4.9.2 Thuật toán xác định chế độ vắt và hiển thị
34 Hình 4.10: Thuật toán xác định chế độ vắt và hiển thị
4.9.3 Thuật toán xác định thời gian vắt và hiển thị
35 Hình 4.11: Thuật toán xác định thời gian vắt và hiển thị
4.9.4 Thuật toán chương trình tự động
36 Hình 4.12: Thuật toán chương trình vắt tự động
Thiết kế panel điều khiển
Panel được lắp ráp từ các miếng mica dày 5 mm, đảm bảo độ bền và tính thẩm mỹ Hệ thống đèn LED và nút nhấn được bố trí hợp lý, tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng trong quá trình sử dụng máy Các nút nhấn và công tắc được cố định chắc chắn bằng đai ốc, tăng cường độ ổn định và an toàn.
Hình 4.8: Thiết kế panel điều khiển
1 Nút nhấn chọn chế độ vắt
2 Nút nhấn chọn thời gian vắt
3 Núm chỉnh tốc độ vắt bằng tay
4 Nút nhấn chạy chương trình vắt.
Thuật toán điều khiển
4.9.1 Thuật toán điều khiển chính
33 Hình 4.9 : Thuật toán điều khiển chính
4.9.2 Thuật toán xác định chế độ vắt và hiển thị
34 Hình 4.10: Thuật toán xác định chế độ vắt và hiển thị
4.9.3 Thuật toán xác định thời gian vắt và hiển thị
35 Hình 4.11: Thuật toán xác định thời gian vắt và hiển thị
4.9.4 Thuật toán chương trình tự động
36 Hình 4.12: Thuật toán chương trình vắt tự động
KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM
Kết quả
Hình 5.1: Lồng vắt sau khi gia công
Hình 5.2: Bên trong lồng vắt
38 Hình 5.3: Khung máy sau khi gia công
Hình 5.4 : Lắp lồng vắt vào khung máy
39 Hình 5.5 :Thùng che sau khi gia công
Hình 5.6: Panel điều khiển thực tế
Hình 5.7: Máy vắt ly tâm sau khi hoàn thành
Bảng 5.1 : Thông số kỹ thuật của máy
STT Thông số kỹ thuật
2 Tốc độ lồng vắt 500 vòng/phút
3 Kích thước lồng vắt 400 x 200 mm
6 Vật liệu lồng vắt Inox 304
Thực nghiệm
Sau khi hoàn thành chế tạo máy vắt ly tâm, nhóm đã tiến hành thực nghiệm để kiểm tra tính ổn định của máy và đánh giá chất lượng thực phẩm sau khi vắt nước Thử nghiệm được thực hiện trên bốn loại rau: rau muống, rau cải bẹ dún, rau bắp cải và rau xà lách.
Hình 5.8: Thực nghiệm với cải bẹ dún
Chạy ở chế độ tự động:
Quy trình vận hành máy ở chế độ tự động:
- Bắt đầu, ta gạt công tắc để mở nguồn điện cung cấp cho máy hoạt động Sau đó gạt công tắc để chọn chế độ vắt tự động
- Bước tiếp theo ta sẽ chọn chế độ vắt Có 3 chế độ vắt: vắt nhẹ, vắt khô và vắt kiệt
Chế độ vắt nhẹ với tốc độ 250 vòng/phút giúp làm ráo nước nhẹ trên bề mặt thực phẩm, đáp ứng nhu cầu sử dụng hiệu quả.
Ở chế độ vắt khô lồng vắt quay với tốc độ 350 vòng/phút
Ở chế độ vắt khô lồng vắt quay với tốc độ 480 vòng/phút
- Tiếp theo ta sẽ chọn thời gian vắt Có 3 cấp thời gian với 3, 5 và 7 phút
Với thời gian 3 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 1,2 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 30 giây, rồi quay nghịch trong 1,2 phút
Với thời gian 5 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 2 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 1 phút, rồi quay nghịch trong 2 phút
Với thời gian 7 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 2,8 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 1,4 phút, rồi quay nghịch trong 2,8 phút
- Sau khi chọn song chế độ vắt và thời gian vắt, ta nhấn nút Start để máy bắt đầu chạy
Kết quả sau khi thực nghiệm:
Bảng 5.2: Thực nghiệm với chế độ tự động
Rau Chế độ vắt Nhận Xét
Vắt nhẹ Ráo nước, tuy nhiên do tốc độ chậm nên phần rau bên ngoài vẫn còn chƣa ráo hết
Vắt khô Độ ráo nước tốt, để ráo hơn nữa cần tăng thời gian vắt
Vắt kiệt Rau ráo nước tuy nhiên phần ít rau bị rối
Vắt nhẹ Độ ráo đạt yêu cầu, lá và thân không bị dập hƣ
Vắt khô Không bị dập, ráo nước nhiều
Vắt kiệt Lá bị dập, thân rau
Vắt nhẹ Ráo nước chưa đạt yêu cầu
Vắt khô Ráo nước tương đối
Vắt kiệt Ráo nước đạt yêu cầu, không dập
Vắt nhẹ rau để rau ráo nước, nhưng vẫn giữ cho phần bên ngoài không bị ướt Vắt khô rau giúp loại bỏ nước hiệu quả, tuy nhiên cần chú ý để tránh làm dập lá rau Cuối cùng, vắt kiệt có thể khiến lá rau bị dập nhiều hơn.
Hình 5.9: Rau muống cắt sơi sau khi vắt nước Nhận xét:
- Khi vừa bắt đầu chạy máy hiện tƣợng do rau chƣa phân bố đều Khi đạt đƣợc tốt độ đặt máy mới chạy ổn định
- Sau các kết quả trên nhóm nhận thấy:
Chế độ vắt nhẹ rất thích hợp cho các loại rau có lá nhiều và thân mềm, vì chúng dễ bị dập nát Nếu rau chưa ráo nước đủ mức mong muốn, bạn có thể điều chỉnh và tăng thời gian vắt để đạt được kết quả tốt hơn.
Chế độ vắt khô lý tưởng cho các loại thực phẩm như bún, cải cắt sợi và đu đủ sợi, vì chúng có đặc điểm dai và dạng sợi.
Chế độ vắt kiệt phù hợp cho các loại cũ cắt sợi với yêu cầu vắt khô nước bền trong và bên ngoài
Kết luận: Qua thực nghiệm, máy đã đáp ứng tốt yêu cầu vắt nước cho thực phẩm với nhiều chế độ khác nhau Tuy nhiên, máy vẫn gặp một số hạn chế, cụ thể là tình trạng rung do cơ khí chưa được cải thiện.
Chạy ở chế độ bằng tay:
Quy trình vận hành máy ở chế độ bằng tay:
- Bắt đầu, ta gạt công tắc để mở nguồn điện cung cấp cho máy hoạt động Sau đó gạt công tắc để chọn chế độ tự động
- Tiếp theo ta sẽ chọn thời gian vắt Có 3 cấp thời gian với 3, 5 và 7 phút
Với thời gian 3 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 1,2 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 30 giây, rồi quay nghịch trong 1,2 phút
Với thời gian 5 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 2 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 1 phút, rồi quay nghịch trong 2 phút
Với thời gian 7 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 2,8 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 1,4 phút, rồi quay nghịch trong 2,8 phút
- Sau khi chọn song chế độ vắt và thời gian vắt, ta nhấn nút Start để máy bắt đầu chạy
- Trong quá trình máy chạy ta chỉnh tốc độ lồng vắt bằng núm vặn chỉnh tốc độ
Hình 5.10: Thực nghiệm với xà lách
Độ ráo nước của rau tăng theo tốc độ tăng trưởng Đối với rau xà lách và cải bẹ dún, tốc độ nằm dưới mức trung bình (Med) sẽ mang lại kết quả tốt Nếu tốc độ vượt mức này, rau có thể gặp hiện tượng hư hại ở lá.
