BỘ GIÁO GIÁO DỤC ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI  NGUYỄN

PHÚC

DƯƠNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN
ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY
PHUN DẠNG GIÀN PHUN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật i

LỜI

CAM

ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình
khoa học nào trước ñây.
Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều
ñược chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả Nguyễn Phúc Dương

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện ñề tài này, tôi ñã nhận ñược sự hướng dẫn,
chỉ bảo và giúp ñỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Tự ñộng hóa,
khoa Cơ ñiện, Viện ñào tạo sau ñại học và các thầy cô trường ðại học Nông
nghiệp Hà Nội. Nhân dịp này, cho phép tôi ñược bày tỏ lòng biết ơn chân
thành và sâu sắc nhất ñến quý thầy cô.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Ngô Trí Dương và thầy TS.
Lê Vũ Quân ñã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ từ việc ñịnh hướng

1.2.1. Máy phun bằng tay 3
1.2.2. Máy phun bằng máy 4
1.2.3. Phun tự ñộng 5
1.3. Giải pháp thiết kế hệ thống chuyển ñộng ñầu vòi phun 5
1.3.1. Yêu cầu luận văn 5
1.3.2. Giải pháp thiết kế 6
Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY
BIẾN TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN 8
2.1. Xây dựng mô hình phun 8
2.2. Thiết kế phần cứng 11
2.3. Lựa chọn bộ ñiều khiển lập trình 11
2.3.1. Tổng quan về ñiều khiển lập trình 11
2.3.2. Giới thiệu một số bộ ñiều khiển lập trình PLC và lựa chọn 14
2.3.3. Cú pháp tập lệnh S7-200 (Phụ lục 1) 15

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật iv

2.4. Lựa chọn cảm biến 16
2.4.1. Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp 16
2.4.2. Cấu hình ngõ ra của cảm biến 18
2.4.3. Lựa chọn cảm biến 18
2.5. Lựa chọn ñộng cơ bước 19
2.5.1. Nguyên lý hoạt ñộng của ñộng cơ bước 20
2.5.2. ðộng cơ từ trở thay ñổi 23
2.5.3. ðộng cơ ñơn cực 24
2.5.4. ðộng cơ lưỡng cực 26
2.5.5. ðộng cơ nhiều pha 27
2.5.6. Các mạch ñiều khiển ñộng cơ bước cơ bản 28
2.5.7. Lựa chọn ñộng cơ bước 34
2.6. Phần cơ khí 34

PHỤ LỤC 62 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Tạng thái cấp ñiện cho các cuộn dây 22
Bảng 2.2. Bảng thông số vòi phun 37
Bảng 3.1. Bảng phân công tín hiệu 39
Bảng 3.2. Bảng ñiều khiển ñộng cơ bước CðB1 44
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật vii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Một số hình ảnh về sử dụng bình phun thuốc sâu bơm tay 4
Hình 1.2. Một số hình ảnh máy phun thuốc có ñộng cơ 4
Hình 1.3. Ruộng trồng của một số loại cây hoa mầu trồng theo luống 5
Hình 1.4. Mô hình hóa mô hình trồng rau 6
Hình 1.5. Sơ ñồ bài toán xác ñịnh vị trí 7
Hình 2.1. Mô hình hóa mô hình trồng rau 8
Hình 2.2. Nguyên lý chung hệ thống 9
Hình 2.3. Hành trình dịch chuyển của vòi phun tùy biến 10
Hình 2.4. Mô hình hệ thống phun thuốc sâu 11
Hình 2.5 Quá trình hoạt ñộng của 1 vòng quét 12
Hình 2.6. Bộ ñiều khiển lập trình PLC S7-200 CPU224 14
Hình 2.7. Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp 16

thuốc bảo vệ thực vật phun thừa, tránh tác ñộng ñộc hại ñến con người, góp phần bảo
vệ môi trường hướng ñến một nền nông nghiệp an toàn và chính xác. Chính vì vậy tôi
chọn ñề tài trên ñể giải quyết các vấn ñề liên quan ñến tính cấp thiết của ñề tài.
2. Mục ñích nghiên cứu
- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống ñiều khiển ñộng cơ bước tùy biến trong máy phun
dạng giàn phun.
- Thiết kế giao diện ñiều khiển và giám sát vòi phun.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 2

3. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: ðiều tra, tìm hiểu tài liệu sử dụng trong
luận văn thông qua các kênh thông tin khác nhau.
- Kế thừa các công trình nghiên cứu về các kỹ thuật ñiều khiển, ñiều chỉnh tự
ñộng, thiết kế mạch, lập trình ñiều khiển
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu lựa chọn phương pháp ñiều khiển vị trí vòi phun. Tìm hiểu một số
phương pháp ñiều khiển vị trí ñang ñược sử dụng trong thực tế. Từ các phương pháp
ñiều khiển ñã có, chọn ra phương pháp ñiều khiển bằng ñộng cơ bước.
- Nghiên cứu tổng quan về ñộng cơ bước, căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật ñặt ra ñối
với vị trí vòi phun, lựa chọn loại ñộng cơ bước phù hợp.
- Nghiên cứu các phương pháp ñiều khiển ñộng cơ bước dang tùy biến theo thời
gian, từ ñó chọn ra phương pháp ñiều khiển phù hợp.
- Nghiên cứu, thiết kế giao diện hệ thống ñiều khiển vị trí vòi phun. Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 3

Chương 1: TỔNG QUAN



Hình 1.1. Một số hình ảnh về sử dụng bình phun thuốc sâu bơm tay
1.2.2. Máy phun bằng máy
ðối với các thiết bị phun có ñộng cơ thì hầu hết hiện nay ñược thiết kế ñể trong
quá trình làm việc khi phun thuốc, lượng thuốc phun ra sẽ phủ kín toàn bộ vùng nằm
trong khả năng phun của máy, nhưng trong thực tế sản xuất vị trí có cây trồng chỉ là
một phần của bề rộng làm việc, phần còn lại là diện tích ñất không có cây trồng ñặc
biệt với các loại hoa mầu trồng theo luống, do khi phun, lượng thuốc phủ kín bề mặt
làm việc nên có tình trạng có một lượng thuốc không nhỏ ñã không ñược phun vào cây
trồng mà phun xuống ñất, ñây chính là một trong các tác nhân gây ra ảnh hưởng xấu
của thuốc bảo vệ thực vật tới môi trường.

Hình 1.2. Một số hình ảnh máy phun thuốc có ñộng cơ

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 5

1.2.3. Phun tự ñộng
Từ thực tế trên có thể nhận thấy nếu có thể chế tạo ra một mẫu máy phun

Hình 1.4. Mô hình hóa mô hình trồng rau
1.3.2. Giải pháp thiết kế
Với yêu cầu của luận văn là ñiều khiển vị trí vòi phun theo vị trí cho trước hoặc
bất kỳ, và vòi phun sẽ dừng lại ở vị trí cây và phun cho cây. Trong luận văn tôi sẽ sử
dụng giải pháp là dùng cảm biến hồng ngoại ñể xác ñịnh vị trí của cây. Lựa chọn PLC
ñể ñiều khiển vị trí vòi phun thông qua ñộng cơ bước.
Các cảm biến nói chung ñều có khả năng nhận biết tín hiệu và ñưa ra bộ ñiều
khiển lập trình như PLC, Vi xử lý.
ðể hệ thống phun thuốc sâu nhận biết ñược khoảng cách lớn hơn, ta sử dụng
cảm biến quang, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại. Với các cảm biến có khả
năng ño khoảng cách càng xa thì giá thành càng lớn. Muốn hệ thống phun ñược
khoảng cách cây lớn ta ñưa ra bài toán và một giải pháp tích hợp ñầu ño của cảm biến
trên một cơ cấu dịch chuyển có thể ñiều khiển ñược.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 7

Sơ ñồ bài toán xác ñịnh vị trí:

Hình 1.5. Sơ ñồ bài toán xác ñịnh vị trí
Cảm biến cảm nhận vị trí cây và tác ñộng thì ñộng cơ bước dừng hẳn và vòi sẽ
phun thuốc.
Từ yêu cầu của luận văn ta có ñược giải pháp thiết kế hệ thống ñiều khiển ðCB
tùy biến trong máy phun dạng giàn phun, từ ñó ta có thể nghiên cứu, thiết kế hệ thống
ñiều khiển ñộng cơ bước tùy biến trong máy phun dạng giàn phun, nội dung này sẽ ñược
trình bày ở chương 2. Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 8

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG

ñẩy vòi phun P chuyển ñộng theo phương ngang CD, khi cảm biến nhận biết cây ở VT
2 thì cảm biến tác ñộng thì ðCB 2 ngừng và van mở ñể phun thuốc (Giả sử là t
p
) thì
van ñóng ñể ngừng phun. Kết thúc quá trình này hệ thống ñã phun ñược vị trí cây 1, 2
theo hàng ngang.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
10
Tiếp theo hệ thống sẽ phun ở vị trí 3,4 và 5,6 theo chu trình như trên.
Phần cơ khí chính của thiết bị là cơ cấu ñể dịch chuyển ñầu cảm biến theo
phương ngang và chuyển ñộng theo phương dọc (chuyển ñộng tịnh tiến) dưới sự ñiều
khiển của PLC. Cơ cấu này gồm:
- Hai bánh răng quay gắn trên một ñộng cơ bước ñể xác ñịnh góc (số
bước) ñã quay.
- Hai thanh ray có gắn bánh răng khớp với bánh răng quay ñể chuyển từ
chuyển ñộng quay sang chuyển ñộng thẳng.

Hình 2.3. Hành trình dịch chuyển của vòi phun tùy biến
Vòi phun sẽ dịch chuyển từ VT1  VT2 VT3 VT4 VT5  VT6
…VTn. Khi cảm biến gặp cây thì sẽ tác ñộng, ðCB1 dừng ñồng thời vòi phun P sẽ
phun cho cây ở VT1 trong khoảng thời gian là tp, sau t
p
thì ðCB1 ngừng, ðCB2 sẽ
dịch chuyển vòi phun ñến VT3, tiếp theo sẽ lầ lượt là VT4, VT5, VT6…VTn.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
11
2.2. Thiết kế phần cứng
Phần truyền ñộng gồm có bánh răng và thanh răng chuyển ñộng dịch chuyển

Trong kỹ thuật tự ñộng, các bộ ñiều khiển chia làm 2 loại:
- ðiều khiển nối cứng.
- ðiều khiển logic khả trình.
Một hệ thống ñiều khiển bất kỳ ñược tạo thành từ các thành phần sau:
Khối vào: Khối có nhiệm vụ chuyển ñổi các ñại lượng vật lý thành các tín
hiệu ñiện, các bộ chuyển ñổi có thể là: Nút nhấn, cảm biến … và tùy theo bộ chuyển
ñổi mà tín hiệu ra khỏi khối vào có thể ON/OFF hoặc dạng liên tục (analog).
Khối xử lý: Khối có nhiệm vụ xử lý thông tin từ khối vào ñể tạo những tín
hiệu ra ñáp ứng yêu cầu ñiều khiển.
Khối ra: Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của hệ thống ñiều khiển.
Các tín hiệu này ñược sử dụng tạo ra những hoạt ñộng ñáp ứng cho các thiết bị ở
ngõ ra. Các ngõ ra là: ðộng cơ ñiện, xy lanh, solenoid, van, role…

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 1
3
Sơ lược về lịch sử của PLC
Ngày nay tự ñộng hóa ngày càng ñóng vai trò quan trọng ñời sống và công
nghiệp, tự ñộng hóa ñã phát triển ñến trình ñộ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết
ñiều khiển tự ñộng, tiến bộ của ngành ñiện tử, tin học… Chính vì vậy mà nhiều hệ
thống ñiều khiển ra ñời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ
ñiều khiển lập trình PLC.
Bộ ñiều khiển lập trình ñầu tiên (Programmable controller) ñã ñược những
nhà thiết kế cho ra ñời năm 1968 (Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ
thuật nhằm ñáp ứng các yêu cầu ñiều khiển:
Dễ lập trình và thay ñổi chương trình.
Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa.
ðảm bảo ñộ tin cậy trong môi trường sản xuất.
Tuy nhiên hệ thống còn khá ñơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều
khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước
cải tiến hệ thống ñơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành. ðể ñơn giản hóa việc lập trình, hệ

tín hiệu số không có tín hiệu tương tự và số lượng ñầu vào và ra ñiều khiển nhỏ nên
không sử dụng các mô ñun mở rộng.
Xét về 2 mặt là kinh tế và kỹ thuật thì tôi lựa chọn bộ lập trình ñiều khiển là
bộ PLC S7-200 CPU224 của hãng Siemmen.
-
Hình 2.6. Bộ ñiều khiển lập trình PLC S7-200 CPU224

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
15
Nguồn cung cấp: 24VDC.
- Các ñịa chỉ ngõ vào và ra.
+ Các ñịa chỉ ngõ vào: Có 14 ñịa chỉ (I0.0; I0.1; I0.2; I0.3; I0.4; I0.5; I0.6;
I0.7,;I1.0; I1.1; I1.2; I1.3; I1.4; I1.5)
+ Các ñịa chỉ ngõ ra: Có 10 ñịa chỉ (Q0.0; Q0.1;Q0.2; Q0.3; Q0.4; Q0.5;
Q0.6; Q0.7; Q1.0; Q1.1)
Bộ ñiều khiển PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RL. Kích thước: (rộng x cao x
sâu) 120.5mm x 80mm x 62mm, khối lượng 410g. Tính năng CPU: Số lượng ñầu
vào số:14; số lượng ñầu ra số: 10; số bộ ñếm tốc ñộ cao: 6; số module mở rộng: 7;
số lượng ñầu vào/ra số tối ña: 56; số lượng ñầu vào/ra tương tự tối ña: 32vào/ 32ra;
số timer: 256. ðộ phân giải 1ms: 4. ðộ phân giải 10ms: 16. ðộ phân giải 100ms:
236. Số counter: 256. Nguồn nuôi: Dải ñiện áp cho phép: 85÷264VAC ở 47÷63Hz;
dòng vào cho phép: 30/100mA ở 240VAC, 60/200mA ở 120VAC; dòng khởi ñộng:
20A ở 264VAC. Nguồn ra cấp cho thiết bị chấp hành: Dải áp: 20.4÷28.8VDC.
2.3.3. Cú pháp tập lệnh S7-200 (Phụ lục 1)
Trong S7-200 cho phép lựa chọn 3 ngôn ngữ lập trình:
Ngôn ngữ LADDER.
Ngôn ngữ STL.
Ngôn ngữ FBD.
Ba ngôn ngữ này về mặt hình thức có thể chuyển ñổi lẫn cho nhau. Việc lựa
chọn ngôn ngữ lập trình là tùy theo thói quen, sở thích cũng như kinh nghiệm của
Hình 2.7. Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp
Với cảm biến quang loại thu phát tích hợp là bộ thu và bộ phát tích hợp trên
cùng một bộ, khi ñược cấp nguồn thì bộ phát phát ra ánh sáng nếu không có ñối
tượng thì ánh sáng từ bộ phát không tới ñược bộ thu do ñó cảm biến không có tín
hiệu. Khi có ñối tượng thì ánh sáng từ bộ phát tới ñập vào ñối tượng phản xạ tới bộ
thu lúc này ngõ ra out của cảm biến có tín hiệu. Cảm biến

ðối
tượng
Nguồn
Bộ phát
Bộ thu
Out