1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
o0o
Lưu Văn Hùng

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ ĐIỀU KHIỂN
HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG
NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG CỦA DÂY CHUYỀN
SẢN XUẤT XI MĂNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 6052 0216
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2015
2
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Trung Hải
Phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Vị
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Như Hiển
Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường
Đại học kỹ thuật công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.
Vào hồi 14h30 ngày 19 tháng 01 năm 2015.
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu Đại học Thái
Nguyên hoặc thư viện trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG
1.1. Lý thuyết chung về hệ thống cân băng định lượng
1.1.1. Đặt vấn đề

1.1.4.1. Nguyên lý tính lưu lượng
Cân băng định lượng (cân băng tải) là thiết bị cung cấp liệu kiểu trọng lượng.
Vật liệu được chuyên trở trên băng tải, mà tốc độ của băng tải được điều chỉnh để lưu
lượng của băng luôn đạt theo lưu lượng đặt yêu cầu của điều khiển trung tâm.
1
7
8
9
2
3 4
5
6
3
1.1.4.2. Đo trọng lượng liệu trên băng tải
Trọng lượng đo nhờ tín hiệu của LoadCell bao gồm trọng lượng của băng tải và
trọng lượng vật liệu trên băng. Vì vậy để đo được trọng lượng của liệu thì ta phải tiến
hành trừ bì (tức là trừ đi trọng lượng của băng tải).
1.1.5. Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng
Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu liên tục cho băng cân định lượng sử dụng
bộ điều chỉnh PID để điều chỉnh cấp liệu (có thể là van cấp liệu hoặc van quay) để
đảm bảo cho lượng tải trên một đơn vị chiều dài băng tải là không đổi. Bộ PID có tác
dụng điều chỉnh nếu lưu lượng thể tích của liệu trên băng thay đổi theo phạm vi ±15%
và bộ PID chỉ hoạt động sau khi băng đã hoạt động.
1.2. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần
1.2.1. Động cơ không đồng bộ
1.2.1.1. Khái quát về động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ (KĐB) có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo vận hành đơn
giản an toàn, sử dụng trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3 pha nên động cơ KĐB được
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, từ công suất nhỏ đến công suất trung bình nó
chiếm tỷ lệ lớn so với động cơ khác. Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ







=
⋅
=
π
ω
(1.10)
Đặc tính cơ khi f
1
< f
1đm
với điều kiện từ thông Φ = const (hoặc gần đúng giữa U
f
/f
1
= const) thì M
th
được giữ không đổi ở vùng f
1
< f
1đm
.
1.2.1.2. Công thức tính chọn động cơ không đồng bộ
* Tính chọn công suất động cơ
Công suất động cơ:

- Tiết kiệm điện, bảo vệ các thiết bị điện trong cùng hệ thống.
- Đáp ứng yêu cầu công nghệ.
- Tăng năng suất sản xuất.
1.2.3. Điều chỉnh tần số động cơ bằng biến tần
Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số ta phải có một
bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp một cách đồng thời thông qua
một biến tần.
5
1.3. Cảm biến trọng lực Loadcell
1.3.1. Khái niệm Loadcell
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín
hiệu điện.
1.3.2. Tế bào cân đo trọng lượng
Là thiết bị đo trọng lượng trong hệ thống cân định lượng bao gồm 2 loại tế bào
là loại SFT (Smat Foree Tran Sduer) và tế bào cân Tenzomet.
1.3.2.1. Nguyên lý tế bào cân số SFT
1.3.2.2. Nguyên lý tế bào cân Tenzomet
Hình 1. 4. Sơ đồ cầu tế bào cân Tezomet

R
R
UU
Nr
∆
=
(1.15)
1.3.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
1.3.3.1. Cấu tạo
Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là "Strain gage"
và thành phần còn lại là "Load". Strain gage là một điện trở đặc biệt có kích thước rất

1.4. Băng tải cao su
Hệ thống băng tải được sử dụng để vận chuyển hàng hóa hoặc tài liệu từ một
điểm cố định khác trong một không gian. Các chức năng cụ thể của hệ thống băng tải
có thể khác nhau đáng kể tùy thuộc vào thiết kế của máy, nhưng nhiều hệ thống sử
dụng một băng tải cao su để vận chuyển hàng hoá.
1.5. Sensor đo tốc độ
1.5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Encoder bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared), một
cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh.
1.5.2. Đo vận tốc băng tải
Để xác định vận tốc dài của băng tải thì ta phải đọc được tốc độ quay của tang
bị động. Trong hệ thống này chúng ta sử dụng phương pháp mã hóa vòng quay thành
xung (encoder) loại tương đối để xác định tốc độ quay tang bị động. Encoder được gắn
đồng trục với tang bị động.
1.6. Đo khối lượng liệu trên băng.
Để xác định khối lượng liệu trên băng tải ta phải sử dụng cảm biến trọng lực
(Loadcell) đặt dưới băng tải. Tín hiệu ra cảm biến trọng lực rất nhỏ cỡ vài chục mV
tùy loại cảm biến, thường đặc tính ra của Loadcell 1÷2 mV/V. Do đó để nhận biết
được tín hiệu đó ta phải sử dụng mạch khuếch đại vi sai. Tín hiệu sau mạch khuếch đại
được đưa về bộ điều khiển xử lí
1.7. Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày được khái quát chung về hệ thống cân băng định lượng.
Xây dựng được cấu trúc chung của hệ thống cân băng định lượng gồm nhiều băng;
7
mỗi băng có các thành phần của hệ thống gồm động cơ truyền động điện, biến tần,
băng tải, bộ phận giảm tốc; lý thuyết về tế bào cân; lý thuyết về phương pháp xác định
tốc độ quay dùng phương pháp mã hóa xung; các phần tử để thu thập tín hiệu phản hồi
hệ thống cũng như các công thức tính các đại lượng vận tốc, khối lượng từ các tín hiệu
phản hồi đó.
8

(2.1)
i = 1÷ n, n là số thành phần nguyên liệu.
9
2.3. Điều khiển lưu lượng từng băng tải
2.3.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển băng tải
Hình 2. 1. Cấu trúc điều khiển băng tải cân băng định lượng
Để tổng hợp Bộ điều khiển băng tải, tìm ra luật điều khiển ta phải xác định mô
hình toán học mô tả các thành phần trong cấu trúc băng tải. Có nhiều phương pháp để
xác định mô hình toán học theo mối quan hệ các đại lượng của từng thành phần. Tuy
nhiên, trong phạm vi luận văn tác giả sử dụng công cụ nhận dạng mô hình (System
Identification toolbox) của phần mềm Matlab (Mathwork) để xác định mô hình toán
học. Khi đó ta coi đối tượng điều khiển gồm biến tần, động cơ, bộ phận giảm tốc và
băng tải, với tín hiệu vào là tín hiệu điều khiển biến tần U
đk
và tín hiệu ra là vận tốc dài
của băng tải V.
2.3.2. Nhận dạng mô hình toán học đối tượng
2.3.2.1. Thu thập dữ liệu vào/ra của đối tượng
Để nhận dạng mô hình toán học đối tượng (Băng tải) ta thực hiện cấp tín hiệu
điều khiển U
đk
cho biến tần, đó đáp ứng vận tốc của băng tải.
Hình 2. 2. Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng
Sau khi thực hiện thu thập dữ liệu tín hiệu điều khiển và đáp ứng vận tốc băng
tải với thời gian trích mẫu 10ms, ta thu được đặc tính của các dữ liệu như sau:
Sau khi thu thập dữ liệu vào/ra của hệ băng tải, ta tiến hành nhận dạng đối
tượng sử dụng công cụ của Matlab (System Identification toolbox). Khi nhận dạng
BT ĐC
GT
BgT

W
s s
=
+ +
(2.3)
2.3.2.2. Xác định luật điều khiển băng tải
Luật điều khiển băng tải được xác định dựa trên việc tổng hợp bộ điều khiển
lưu lượng băng tải cân băng định lượng.
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển lưu lượng băng tải cân băng định lượng
được trình bày trong hình 2.14.
Thay số ta được:
Q
Q
đ
(-)
R
Q
u
dk
e
12
3 3
0.41093 1 1
2 1.5 129.12 0.78045 2 1.5 129.12 0.78045
1
1.3592 10 3.3078 10
Q
R
s
s

2.5.2. Giới thiệu ArduinoDue
Arduino là một hệ thống sản xuất các bo mạch mã nguồn mở được hình thành
và phát triển từ năm 2005. Do các bo mạch là mã nguồn mở nên đến nay hệ thống này
đã phát triển rất mạnh mẽ và có thư viện hỗ trợ cho người sử dụng rất đa dạng, phong
phú. Là một thiết bị phần cứng, Arduino có thể hoạt động độc lập với chức năng thực
hiện các luật điều khiển, kết nối với máy tính, hoặc một thiết bị Arduino khác, các
thiết bị điện tử khác
Bo mạch ArduinoDue sử dụng vi điều khiển 32bit do hãng Atmel sản xuất. Sơ
đồ mạch vi xử lý trung tâm.
Các đặc tính của bo mạch:
Vi điều khiển: AT91SAM3X8E
Một lõi 32-bit, cho phép hoạt động trên 4 byte dữ liệu rộng trong một xung nhịp
CPU duy nhất.
Điện áp hoạt động: 3.3V
Nguồn cấp: 7-12V
Số đầu vào/ra số: 54 (trong đó có 12 cung cấp đầu ra PWM)
Đầu vào tương tự: 12
Đầu ra tương tự: 2 (DAC)
Dòng điện vào/ra số : 130 mA
Bộ nhơ chương trình (Flash): 512 KB
SRAM: 96 KB
Tần số xung hoạt động: 84 MHz
Mạch vi xử lý trung tâm ArduinoDue sử dụng vi xử lý 32bit và các mạch phụ
trợ cho vi xử lý hoạt động như mạch dao động, reset. Vi xử lý trung tâm kết nối với
các thiết bị khác thông qua các đầu kết nối như hình 2.17.
14
1 2
3 4
5 6
7 8

3
4
5
6
7
8
P5
PWMI
1
2
3
4
5
6
7
8
P7
COMMUNICATION
1
2
3
4
5
6
7
8
P8
ADCL
1
2

PWM12
PWM13
TX
RX
PWM2
PWM3
SS1/PWM4
PWM5
PWM6
PWM7
SCL0-3
SDA0-3
RXD2
TXD2
RXD0
RXD1
TXD0
TXD1
AD0
AD1
AD2
AD3
AD4
AD5
AD6
AD7
AD8
AD9
AD10
AD11

2
D+
3
ID
4
GND
5
USB1
USB_M
Reset(PC1/DW)
24
XTAL2(PC0)
2
XTAL1
1
AVCC
32
VCC
4
GND
3
UCAP
27
UVCC
31
D-
30
D+
29
UGND

13
(RTS/AIN5/INT6)PD6
12
(XCK/AIN4/PCINT12)PD5
11
(INT5/AIN3)PD4
10
(TXD1/INT3)PD3
9
(RXD1/AIN1/INT2)PD2
8
(AIN0/INT1)PD1
7
(OC0B/INT0)PD0
6
*2
ATMEGA16U2-MU
1 2
3 4
5 6
P3
Header 3X2
1 2
3 4
P1
Header 2X2
12Mhz
C9
100pF
C12

1k
D1
CD1206-S01575
8 P B 4
8 P B 5
8 P B 6
8 P B 7
MISO2
SCK2
RESET2
X V C C
BD-
BD+
SCK2
MOSI2
MISO2
R8
1k
R10
1k
R11
1k
R13
1k
MASTER-RESETRESET_CMD
USBVCC
GND
R12
1k
LED

3 Tab
4
IC1
LM1117
D2
1N4007
+DC
-DC
1
2
3
JDC1
Jac DC
+5V 3V3
1
1k
LED3
LED
GND
Hình 2. 6. Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính
2.5.3. Lập trình thuật toán điều khiển lưu lượng trên ArduinoDue
Luật điều khiển lưu lượng mỗi băng tải được thực hiện theo biểu thức (2.7),
khâu PI. Để chuyển biểu thức đó thành quy luật lập trình cho ArduinoDue ta thực hiện
như sau:
Phương trình vi phân mô tả quy luật điều chỉnh PI - tỷ lệ tích phân:
∫
+= )()( teKteKu
Ipdk
(2.8)
Đây là dạng hàm liên tục của biến e(t). Để tìm quy luật lập trình cho

∫
2
;0;
2
)(
1
)1()(
0
1
1
0
(2.10)
Tổng hợp các công thức xấp xỉ:
( ) ( )
1
( ) ( 1) (0)
, 0
2
dk k p k k
k k
k k
u P I K e I
e e
I I T I
−
−
= + = +
+
= + × =
(2.11)

−=⋅
+
≈
∫
−
kk
kk
t
t
ttTT
ee
dtte
k
k
17
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM
3.1. Các thiết bị thực nghiệm
3.1.1. Động cơ
Động cơ truyền động điện cho băng tải là động cơ xoay chiều rôto lồng sóc do
hãng Toshiba Corporation chế tạo sản xuất. Thông số kỹ thuật động cơ:
Mã hiệu: M14234
Điện áp: 200 200 220 V
Dòng điện: 0.68 0.62 0.62 A
Tần số: 50 60 60 Hz
Tốc độ quay: 1410 1700 1700 v/ph
Công suất: 0.1 kW
Số đôi cực: 2
3.1.2. Biến tần
Biến tần cấp điện cho động cơ là biến tần Commander SE do hãng Control
Techniques sản xuất. Thông số kỹ thuật biến tần:

2
Qd2
1
Qd1
Prod
C5
C5
C4
C4
C3
C3
C2
C2
C1
C1
2
S
1
En
Hình 3. 1. Khối Điều khiển trung tâm trên Matlab – Simulink
Bộ điều khiển băng tải: cấu trúc mạch vòng điều khiển lưu lượng được thực
hiện trên vi xử lý AT91SAM3X8E (Atmel) trong bo mạch ArduinoDue.
Giám sát hệ thống: Sơ đồ cấu trúc giám sát trạng thái hệ thống được thực hiện
bằng các khối thu thập dữ liệu từng băng tải trên Matlab – Simunlink.
Cấu trúc Điều khiển trung tâm và giám sát trạng thái hệ thống cân băng định
lượng trên Matlab – Simulink:
Hình 4. 2. Cấu trúc hệ thống trên Matlab – Simulink
20
3.2.2. Kết quả thực nghiệm
3.2.2. Kết quả thực nghiệm

4đ
= C
4
·S = 0.15·400 = 60 kg/h,
Q
5đ
= C
5
·S = 0.10·400 = 40 kg/h.
- Đáp ứng lưu lượng băng tải 1:
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
20
40
60
80
100
120
140
Time (s)
Q (Kg/h)
Dap ung Luu luong bang tai 1 (Kg/h)Q1
Hình 3. 3. Đáp ứng lưu lượng băng tải 1 với sản lượng 400Kg/h
- Đáp ứng vận tốc dài băng tải 1:
21
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0


M1
Hình 3. 5. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 1 với sản lượng 400Kg/h
22
3.2.2.2. Đáp ứng băng tải khi có nhiễu vật liệu thay đổi tính đồng nhất
Sản lượng yêu cầu: 400kg/h.
C
1
= 30%, C
2
= 20%, C
3
= 25%, C
4
= 15%, C
5
= 10%
Vật liệu trên băng tải 1 có sự thay lớn về tính đồng nhất.
- Đáp ứng lưu lượng của băng tải 1:
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
20
40
60
80
100
120
140
Time (s)
Q (Kg/h)

2.5
Time (s)
Khoi luong (Kg/m)
Tin hieu Khoi luong tren bang tai 1 (Kg/m)M1
Hình 3. 8. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 1 khi nguyên liệu không đồng nhất