Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong văn hóa ẩm thực Việt Nam, các món ăn chế biến từ rau, củ, quả tươi như gỏi, nộm, món trộn đóng vai trò quan trọng nhờ hàm lượng dinh dưỡng cao (vitamin, chất xơ) và hương vị đặc trưng. Quy trình sơ chế các loại thực phẩm này bắt buộc phải qua các bước ngâm, rửa sạch để loại bỏ tạp chất và hóa chất, sau đó cần được làm ráo nước nhanh chóng để giữ độ giòn, tươi ngon và tránh làm loãng gia vị khi chế biến.

Các phương pháp làm ráo nước truyền thống phổ biến hiện nay bao gồm để ráo tự nhiên ngoài không khí, cho vào rổ vẩy bằng tay hoặc vắt ép thủ công. Những cách làm này bộc lộ nhiều nhược điểm:

  • Chỉ áp dụng được cho khối lượng nguyên liệu nhỏ.
  • Thời gian làm ráo kéo dài, làm giảm độ tươi của thực phẩm.
  • Thao tác thủ công không đảm bảo các tiêu chuẩn về vệ sinh an toàn thực phẩm và dễ làm dập nát nguyên liệu.

Trước yêu cầu nâng cao năng suất sơ chế và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm cho các bếp ăn, nhà hàng và cơ sở chế biến quy mô vừa và nhỏ, đề tài "Thiết kế và chế tạo máy vắt ly tâm dùng trong thực phẩm" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán tự động hóa công đoạn làm ráo nước rau củ bằng nguyên lý lực ly tâm.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Tìm hiểu, nghiên cứu và tính toán động lực học cho máy vắt ly tâm.
  2. Tìm hiểu và ứng dụng thuật toán điều khiển PID để ổn định và điều khiển chính xác vận tốc động cơ DC Servo.
  3. Thiết kế, tính toán và lựa chọn các khối phần cứng điện - điện tử: mạch điều khiển trung tâm, mạch công suất, mạch nút nhấn giao tiếp và mạch LED hiển thị trạng thái.
  4. Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển toàn diện cho hệ thống.
  5. Lập trình hoàn chỉnh chương trình điều khiển trên vi điều khiển nhúng.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tính toán thiết kế kết cấu cơ khí, lựa chọn vật liệu và gia công hoàn thiện phần cứng máy (lồng vắt, khung vỏ, trục truyền động, hệ thống giảm chấn).
  2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, mạch in và lắp ráp hệ thống điều khiển điện tử sử dụng vi điều khiển ARM STM32F407VG và mạch công suất cầu H.
  3. Chạy thử nghiệm thực tế với các loại rau củ, đo đạc và đánh giá hiệu quả tách nước cũng như độ ổn định của toàn hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình tính toán, thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển tự động máy vắt ly tâm ứng dụng trong chế biến thực phẩm.
  • Phạm vi giới hạn:
    • Khối lượng vắt định mức: 2 kg nguyên liệu/mẻ.
    • Cơ cấu chấp hành: Động cơ DC Servo được điều khiển tốc độ thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) kết hợp thuật toán PID và phản hồi từ bộ mã hóa quang học (encoder).
    • Chế độ vận hành: Tích hợp 2 chế độ làm việc (chế độ tự động với 3 cấp tốc độ/thời gian định sẵn và chế độ điều khiển bằng tay thông qua biến trở).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên các nền tảng lý thuyết cơ học và kỹ thuật điều khiển tự động:

  • Nguyên lý lực ly tâm và lực ly tâm tương đối (RCF): Khi vật chuyển động tròn với vận tốc góc $\omega$ và bán kính $r$, lực ly tâm tác dụng lên vật có độ lớn $F_{lt} = m \cdot \omega^2 \cdot r$. Chỉ số ly tâm tương đối được xác định theo biểu thức: $$RCF = \frac{m \cdot \omega^2 \cdot r}{m \cdot g} = \frac{\omega^2 \cdot r}{g} = \frac{n^2 \cdot r}{894000}$$ Trong đó: $n$ là tốc độ quay (vòng/phút), $r$ là bán kính quay (mm). Do bán kính lồng vắt cố định, mức độ tách nước được điều chỉnh thông qua việc thay đổi vận tốc quay của lồng.
  • Đo tốc độ bằng Optical Incremental Encoder: Sử dụng encoder quang học tương đối với 2 kênh xung A và B lệch pha $90^\circ$ để xác định góc quay, vận tốc và chiều quay của trục động cơ thông qua thuật toán ngắt ngoài trên vi điều khiển.
  • Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM): Điều chỉnh điện áp trung bình cấp cho động cơ DC theo công thức: $$U_d = U_{max} \cdot \left(\frac{t_1}{T}\right) = U_{max} \cdot D%$$
  • Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID): Thuật toán tính toán sai lệch giữa vận tốc đặt và vận tốc thực tế của động cơ theo mô hình rời rạc: $$u(n) = K_p \cdot e(n) + K_i \sum e(n) + K_d \cdot [e(n) - e(n-1)]$$
  • Phương pháp chỉnh định Ziegler–Nichols: Xác định các hệ số khuếch đại giới hạn $K_{gh}$ và chu kỳ dao động tới hạn $T_{gh}$ thông qua thực nghiệm để tính toán các tham số $K_p, T_i, T_d$.
Loại bộ điều khiển $K_p$ $T_i$ $T_d$
P $0{,}5 \cdot K_{gh}$ — —
PI $0{,}45 \cdot K_{gh}$ $0{,}83 \cdot T_{gh}$ —
PID $0{,}6 \cdot K_{gh}$ $0{,}5 \cdot T_{gh}$ $0{,}125 \cdot T_{gh}$

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích lý thuyết và giải tích cơ học: Tính toán động lực học, kiểm nghiệm độ bền trục chính theo ứng suất uốn - xoắn kết hợp, tính toán bộ truyền đai dẹt/thang và tính chọn công suất động cơ dẫn động.
  • Phương pháp thiết kế mô hình CAD và chế tạo cơ khí: Thiết kế các cụm chi tiết trên bản vẽ kỹ thuật, thực hiện gia công hàn, tiện, khoan và lắp ráp kết cấu khung máy, lồng vắt.
  • Phương pháp thiết kế mạch và lập trình nhúng: Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điện, mạch lái công suất MOSFET, lập trình điều khiển trên kit vi điều khiển ARM Cortex-M4 STM32F407VG.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Vận hành máy với các loại rau thực tế (cải bẹ dún, rau muống cắt sợi, rau xà lách) để đo đạc thời gian ráo nước và đánh giá chất lượng sản phẩm sau khi vắt.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy vắt ly tâm thực phẩm được thiết kế và chế tạo tích hợp giữa hai phân hệ: kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển điện tử.

       +-------------------------------------------------------------+
       |               PANEL ĐIỀU KHIỂN & GIAO DIỆN                  |
       |  (Nút bấm Mode/Time/Start, Công tắc Auto/Man, Biến trở ADC) |
       +------------------------------+------------------------------+
                                      |
                                      v
+---------------------------------------------------------------------------+
|                   KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM (STM32F407VG)                      |
|  - Thuật toán đọc Encoder (Ngắt ngoài)                                    |
|  - Bộ điều khiển số PID ổn định tốc độ                                    |
|  - Bộ điều chế độ rộng xung PWM (Timer)                                   |
+---------------------+-------------------------------+---------------------+
                      |                               |
                      v                               v
       +-----------------------------+ +-----------------------------+
       |     MẠCH CÔNG SUẤT CẦU H    | |       MẠCH HIỂN THỊ         |
       |    (MC33883 + IRF3205)      | |     (LED đơn + Buzzer)      |
       +--------------+--------------+ +-----------------------------+
                      |
                      v
       +-----------------------------+
       |     ĐỘNG CƠ DC SERVO        |
       |      (MCG2234-ME3563)       |
       +--------------+--------------+
                      | (Bộ truyền đai u = 2,7)
                      v
       +-----------------------------+
       |     LỒNG VẮT INOX 304       |
       |   (Đường kính 400x200 mm)   |
       +-----------------------------+

1. Thiết kế và chế tạo cơ khí

  • Lồng vắt: Chế tạo hoàn toàn bằng Inox 304 nhằm đáp ứng tiêu chuẩn an toàn thực phẩm. Kích thước lồng vắt dạng trụ tròn có đường kính $400\text{ mm}$, chiều cao $200\text{ mm}$. Đáy lồng hàn khối trụ rỗng đường kính $100\text{ mm}$, cao $100\text{ mm}$ kết hợp 4 lỗ bu-lông Inox M8 trên đường kính tâm $62\text{ mm}$ để bắt chặt vào khớp nối, giúp giảm mô-men uốn sinh ra do hiện tượng lệch tâm tải trọng khi quay. Xung quanh thành lồng được khoan các lỗ thoát nước đường kính $5\text{ mm}$, phân bố thành hàng cách nhau $25\text{ mm}$.
  • Trục chính và khớp nối: Trục chính bằng thép có chiều dài $300\text{ mm}$, đường kính tính toán tại tiết diện nguy hiểm $d = 8{,}4\text{ mm}$, đường kính chế tạo thực tế chọn $d = 20\text{ mm}$ để đảm bảo độ cứng vững khi chịu mô-men xoắn $T = 1270\text{ N}\cdot\text{mm}$ và mô-men uốn $M_x = 867{,}2\text{ N}\cdot\text{mm}$. Khớp nối bằng thép dạng đĩa tròn bắt bu-lông M8 với lồng vắt và bắt chặt vào trục chính bằng vít lục giác M5.
  • Bộ truyền đai: Chọn bộ truyền đai nhằm giảm chấn, khử rung và hạn chế tiếng ồn ở tốc độ cao. Bánh đai dẫn đường kính $d_1 = 30\text{ mm}$, bánh đai bị dẫn $d_2 = 83\text{ mm}$, tỉ số truyền $u = 2{,}7$ (tỉ số truyền thực tế $u = 2{,}82$), khoảng cách trục $a = 99{,}6\text{ mm}$, chiều dài dây đai $L = 383\text{ mm}$, góc ôm đai $\alpha_1 = 150^\circ \ge 120^\circ$.
  • Khung máy và giảm chấn: Khung chịu lực chính có kích thước $300 \times 300 \times 300\text{ mm}$, gia công hàn từ các thanh thép hộp vuông $40\text{ mm}$. Hệ thống sử dụng 4 chân đế cao su đàn hồi giảm chấn (phần trên hộp chữ nhật $40 \times 40 \times 30\text{ mm}$, phần dưới khối trụ đường kính $60\text{ mm}$) giúp kết cấu nhỏ gọn, chi phí thấp và phù hợp với máy công suất nhỏ 2 kg/mẻ.

2. Thiết kế hệ thống điện và mạch điều khiển

  • Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng kit phát triển STM32F4 Discovery tích hợp vi điều khiển ARM Cortex-M4 STM32F407VG (tần số hoạt động $168\text{ MHz}$, $1024\text{ KB}$ Flash, $192\text{ KB}$ RAM).
  • Mạch công suất cầu H: Sử dụng IC lái cầu H chuyên dụng MC33883 kết hợp 4 MOSFET công suất IRF3205 ($V_{DSS} = 55\text{V}$, $R_{DS(on)} = 8\text{ m}\Omega$), ngõ vào điều khiển được cách ly quang qua opto tốc độ cao 6N137, cho phép đáp ứng tần số xung PWM lên đến $100\text{ kHz}$ và độ rộng xung đạt $100%$.
  • Mạch nguồn và ổn áp: Nguồn cấp chính sử dụng bộ nguồn tổ ong $220\text{VAC} \rightarrow 24\text{VDC} - 5\text{A}$. Mạch hạ áp nuôi mạch điều khiển sử dụng IC nguồn xung LM2596S tạo điện áp $5\text{VDC}$ ổn định với dòng ra tối đa $3\text{A}$.
  • Mạch giao tiếp và bảng điều khiển (Panel): Mặt panel gia công bằng Mica $5\text{ mm}$ bố trí 4 cụm điều khiển: nút chọn chế độ vắt (Mode), nút chọn thời gian vắt (Time), núm xoay biến trở điều chỉnh tốc độ thủ công (kết nối ngõ vào ADC) và nút Start chạy máy. Mạch nút bấm được đệm tín hiệu qua IC 74HC245 trước khi đưa về vi điều khiển nhằm chống nhiễu trên đường dây dài.
Thông số / Cụm chi tiết Giá trị thiết kế / Mã linh kiện
Động cơ dẫn động Động cơ DC Servo MCG2234-ME3563 ($P = 70\text{ W}, n = 1500\text{ vòng/phút}, U = 24\text{V}$)
Bộ truyền động Bộ truyền đai dẹt/thang, $u = 2{,}7$, khoảng cách trục $a = 99{,}6\text{ mm}$
Vật liệu & Kích thước lồng vắt Inox 304, $\phi 400 \times 200\text{ mm}$, lỗ thoát nước $\phi 5\text{ mm}$
Trục chính Thép tròn, đường kính $\phi 20\text{ mm}$, dài $300\text{ mm}$, 2 gối đỡ vòng bi
Khung máy Thép hộp vuông $40\text{ mm}$, kích thước $300 \times 300 \times 300\text{ mm}$
Vi điều khiển ARM Cortex-M4 STM32F407VG ($168\text{ MHz}$)
Mạch công suất Cầu H MC33883 + 4 MOSFET IRF3205, Opto cách ly 6N137
Nguồn cấp hệ thống $24\text{VDC} - 5\text{A}$ và mạch nguồn xung $5\text{VDC}$ LM2596S ($3\text{A}$)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Trình bày tính cấp thiết của việc cơ giới hóa và tự động hóa khâu làm ráo nước thực phẩm tươi sống trong văn hóa ẩm thực Việt Nam. Đánh giá thực trạng các giải pháp thủ công và các dòng máy công nghiệp trên thị trường (máy công suất lớn $10 - 30\text{ kg/mẻ}$ của Việt Nam và Trung Quốc thường sử dụng giảm rung 3 lò xo, chỉ có một cấp tốc độ cố định). Xác định mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu và giới hạn đề tài ở quy mô chế tạo máy vắt ly tâm công suất $2\text{ kg/mẻ}$ dùng động cơ DC Servo điều khiển PID.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Tổng hợp cơ sở lý thuyết về lực ly tâm, lực ly tâm tương đối (RCF) và ảnh hưởng của vận tốc quay đến hiệu quả tách nước. Phân tích nguyên lý làm việc của encoder quang học tương đối (các kênh A, B, I) và so sánh các phương pháp đọc encoder trên vi điều khiển (Input capture, Counter, Ngắt ngoài). Trình bày nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM, hàm truyền và thuật toán rời rạc của bộ điều khiển PID số, phương pháp chỉnh định thông số Ziegler–Nichols và cấu trúc phần cứng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M4 STM32F407VG.

Chương 3: Thiết kế cơ khí

Phân tích lựa chọn phương án bố trí kết cấu (chọn phương án giảm chấn bằng đế cao su thay vì hệ thống treo 3 lò xo để tối ưu kích thước và chi phí). Tính toán động lực học hệ dẫn động: tính chọn công suất động cơ ($P_{ct} = 0{,}0589\text{ kW}$, chọn động cơ DC Servo $70\text{ W} - 1500\text{ vòng/phút}$), tính toán bộ truyền đai ($u = 2{,}7$, vận tốc đai $v = 2{,}35\text{ m/s} < v_{max} = 10\text{ m/s}$), tính toán sức bền và kiểm nghiệm trục chính ($d = 20\text{ mm}$). Thiết kế chi tiết lồng vắt Inox 304 ($\phi 400 \times 200\text{ mm}$), khớp nối trung gian, đồ gá động cơ, khung chịu lực chính $300 \times 300 \times 300\text{ mm}$ và đế cao su giảm rung.

Chương 4: Thiết kế mạch điện và thuật toán điều khiển

Xây dựng sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý hệ thống điện điều khiển. Lựa chọn và thiết kế chi tiết các khối mạch: mạch xử lý trung tâm STM32F407VG, mạch nút nhấn đệm dòng 74HC245, mạch hiển thị LED và chuông còi buzzer, mạch công suất cầu H MC33883 kết hợp 4 MOSFET IRF3205 với opto cách ly 6N137, mạch nguồn xung LM2596S hạ áp $5\text{V}$ và bộ nguồn tổ ong $24\text{V} - 5\text{A}$. Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển chính, thuật toán quét và xác định chế độ vắt/thời gian vắt, thuật toán điều khiển vắt tự động và vòng lặp kín điều khiển vận tốc PID.

Chương 5: Kết quả và thực nghiệm

Trình bày hình ảnh sản phẩm cơ khí và mạch điện tử sau khi gia công, lắp ráp hoàn thiện (lồng vắt, khung máy, thùng che chắn, panel điều khiển). Ghi nhận kết quả chạy thực nghiệm trên các loại rau củ thực tế ở chế độ tự động và chế độ bằng tay, đánh giá độ ổn định vận hành và chất lượng thực phẩm sau khi tách nước.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu ban đầu về mặt cơ khí và điện tử. Chỉ ra các điểm hạn chế còn tồn tại của mô hình và đề xuất các hướng nâng cấp, phát triển hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm chính

  • Chế tạo thành công mô hình máy vắt ly tâm thực phẩm dạng đứng hoàn chỉnh với công suất vắt $2\text{ kg/mẻ}$.
  • Hệ thống cơ khí vận hành đồng bộ: lồng vắt Inox 304 quay ổn định với tốc độ tối đa của lồng đạt $500\text{ vòng/phút}$ thông qua bộ truyền đai tỉ số truyền $2{,}7$, hệ thống đế cao su triệt tiêu rung động hiệu quả trong quá trình tăng tốc và làm việc ổn định.
  • Hệ thống điều khiển đáp ứng tốt: mạch công suất cầu H MC33883 điều khiển mượt mà động cơ DC Servo $24\text{VDC} - 70\text{W}$, thuật toán PID số trên STM32F407VG duy trì ổn định vận tốc quay theo giá trị cài đặt.
  • Máy thực hiện tốt 2 chế độ làm việc:
    • Chế độ tự động: 3 cấp tốc độ vắt (tương ứng với các mức vận tốc khác nhau) kết hợp 3 mức cài đặt thời gian linh hoạt.
    • Chế độ bằng tay: Cho phép người vận hành xoay biến trở để tinh chỉnh tốc độ quay của lồng vắt liên tục theo nhu cầu làm ráo của từng loại nguyên liệu.
  • Thử nghiệm thực tế trên các mẫu thực phẩm sau ngâm rửa (cải bẹ dún, rau muống cắt sợi, rau xà lách) cho thấy nước thừa bám trên bề mặt rau được tách sạch trong thời gian ngắn mà không làm dập nát, gãy nát hay biến dạng cấu trúc cơ học của rau.
Loại thực phẩm thử nghiệm Hiện trạng trước khi vắt Đánh giá kết quả sau khi vắt ly tâm
Cải bẹ dún Đọng nhiều nước sau khi rửa Ráo nước hoàn toàn, lá rau giữ nguyên độ tươi, không dập gân lá
Rau muống cắt sợi Ngậm nước, sợi rau dễ rối và nát Tách kiệt nước đọng, các sợi rau tơi xốp, giữ độ giòn
Rau xà lách Bản lá mỏng, nhiều nếp gấp giữ nước Ráo nước đều trên toàn bộ bề mặt lá, không bị rách hay dập nát

2. Đóng góp của đề tài

  • Làm chủ quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo tích hợp hoàn chỉnh một sản phẩm cơ điện tử phục vụ ngành công nghệ thực phẩm từ khâu động lực học cơ khí đến phần cứng và phần mềm điều khiển.
  • Đưa ra giải pháp thay thế các loại máy vắt ly tâm công nghiệp cồng kềnh (thường chỉ có 1 cấp tốc độ cố định) bằng một mô hình nhỏ gọn, linh hoạt điều chỉnh nhiều cấp tốc độ và thời gian vắt, phù hợp cho quy mô hộ gia đình, quán ăn và cơ sở chế biến vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Dung tích và công suất máy mới dừng lại ở mức $2\text{ kg/mẻ}$, chưa đáp ứng được nhu cầu chế biến liên tục khối lượng lớn trong các nhà máy công nghiệp.
  • Cơ cấu giảm chấn sử dụng đế cao su thụ động; khi người sử dụng xếp rau vào lồng bị lệch tâm lớn ở tốc độ cao, máy vẫn xuất hiện rung lắc nhất định.
  • Chưa có cảm biến tự động đo độ ẩm hoặc cảm biến phát hiện mức độ khô ráo của thực phẩm để tự ngắt chu trình vắt mà vẫn phụ thuộc vào thời gian cài đặt trước.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tăng công suất và kích thước máy để nâng sản lượng vắt lên quy mô bán công nghiệp ($5 - 10\text{ kg/mẻ}$).
  • Nghiên cứu cơ cấu tự cân bằng động hoặc nâng cấp hệ thống giảm chấn kết hợp lò xo và bộ giảm chấn thủy lực nhằm triệt tiêu rung động triệt để hơn khi phân bố tải lệch tâm.
  • Nâng cấp giao diện điều khiển bằng màn hình cảm ứng LCD/HMI và tích hợp cảm biến độ ẩm để tự động hóa hoàn toàn chu trình ngắt máy khi đạt độ ráo tiêu chuẩn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cao cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí và Tự động hóa: Tham khảo quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử khép kín, từ tính toán sức bền trục, tính chọn bộ truyền đai, thiết kế cơ khí trên CAD đến thi công phần cứng điện tử (cầu H MOSFET, mạch đệm tín hiệu, mạch vi điều khiển ARM).
  • Kỹ sư và người nghiên cứu hệ thống nhúng: Tham khảo phương pháp ứng dụng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M4 STM32F407VG trong bài toán điều khiển vòng kín động cơ DC Servo sử dụng encoder quang học và giải thuật PID rời rạc.
  • Các xưởng chế tạo máy và cơ sở chế biến thực phẩm: Tham khảo kết cấu cơ khí lồng vắt Inox 304 đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm và sơ đồ mạch điều khiển để ứng dụng chế tạo các dòng máy vắt ráo nước thực phẩm quy mô vừa và nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn phương án giảm rung bằng đế cao su thay vì hệ thống treo 3 lò xo lệch nhau $120^\circ$?
Phương án treo 3 lò xo cho phép làm việc với độ lệch tâm lớn nhưng kết cấu cồng kềnh, khối lượng nặng và chi phí gia công cao, chỉ thích hợp cho máy công nghiệp lớn. Với mục tiêu thiết kế máy công suất nhỏ $2\text{ kg/mẻ}$ phục vụ quy mô nhỏ, phương án đế cao su giúp kết cấu máy gọn nhẹ ($300 \times 300 \times 300\text{ mm}$), tiết kiệm không gian lắp đặt và giảm đáng kể chi phí chế tạo.

2. Lồng vắt của máy có đặc điểm kết cấu và vật liệu như thế nào để đảm bảo vệ sinh và độ bền cơ học?
Lồng vắt được gia công hoàn toàn bằng Inox 304 dạng khối trụ rỗng đường kính $400\text{ mm}$, cao $200\text{ mm}$. Đáy lồng có khối trụ đường kính $100\text{ mm}$, cao $100\text{ mm}$ bắt bu-lông Inox M8 với khớp nối để giảm mô-men uốn do lệch tâm khi quay. Xung quanh thành lồng khoan các lỗ thoát nước đường kính $5\text{ mm}$, phân bố thành hàng cách nhau $25\text{ mm}$ giúp thoát nước nhanh mà không làm lọt hay dập nát rau củ.

3. Mạch công suất cầu H lái động cơ DC Servo trong đồ án sử dụng linh kiện gì và có đặc tính kỹ thuật ra sao?
Mạch công suất sử dụng IC lái chuyên dụng MC33883 của Freescale điều khiển 4 MOSFET công suất IRF3205 ($V_{DSS} = 55\text{V}, R_{DS(on)} = 8\text{ m}\Omega$), ngõ vào điều khiển được cách ly quang qua opto 6N137. Mạch chịu được điện áp từ $+12\text{V}$ đến $+40\text{VDC}$, dòng tải liên tục tối đa $3\text{A}$ và đáp ứng tần số xung PWM lên tới $100\text{ kHz}$ với độ rộng xung đạt $100%$.

4. Vì sao mạch nút nhấn trên bảng điều khiển (Panel) cần sử dụng thêm IC 74HC245?
Do bảng điều khiển (panel nút bấm cơ) được đặt trên vỏ ngoài máy, cách xa bo mạch điều khiển trung tâm STM32F407VG, tín hiệu truyền qua dây dẫn dài dễ bị suy giảm điện áp và chịu tác động của nhiễu. IC 74HC245 được sử dụng làm tầng đệm dòng tín hiệu $3{,}3\text{V}$ giúp đảm bảo mức logic ổn định, tin cậy khi đưa vào chân vi điều khiển.

5. Hệ thống vận hành ở hai chế độ Tự động và Bằng tay như thế nào?
Ở chế độ tự động, người dùng chọn 1 trong 3 cấp tốc độ định sẵn và 1 trong 3 mức thời gian vắt rồi nhấn nút Start, vi điều khiển STM32F407VG sẽ tự động điều khiển động cơ tăng tốc, duy trì ổn định vận tốc nhờ thuật toán PID và tự dừng khi hết thời gian (kèm chuông còi báo). Ở chế độ bằng tay, người vận hành có thể chủ động xoay núm biến trở nối với kênh ADC để thay đổi tốc độ quay của lồng vắt liên tục theo ý muốn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy vắt ly tâm dùng trong thực phẩm" của sinh viên Đỗ Sơn Hải và Nguyễn Anh Tú (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu đặt ra. Đề tài đã tính toán, thiết kế và gia công hoàn thiện mô hình máy vắt ly tâm công suất $2\text{ kg/mẻ}$ với lồng vắt Inox 304 hợp vệ sinh, hệ thống dẫn động đai êm dịu và khung thép giảm chấn bằng cao su vững chắc. Hệ thống điều khiển tích hợp vi điều khiển ARM STM32F407VG, mạch lái công suất cầu H MC33883 và thuật toán PID số giúp động cơ DC Servo vận hành ổn định, chính xác ở cả hai chế độ tự động và thủ công. Kết quả thử nghiệm thực tế khẳng định máy làm ráo nước hiệu quả cho nhiều loại rau củ mà không làm tổn hại cấu trúc thực phẩm, mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật thiết thực cho lĩnh vực cơ điện tử ứng dụng.