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

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

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

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.

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


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



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

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:

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:


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



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 =


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

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

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