Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc áp dụng các dây chuyền máy móc và thiết bị tự động hóa vào đời sống phục vụ sản xuất cũng như chế biến thực phẩm ngày càng trở nên cần thiết. Hoa quả là nguồn thực phẩm giàu vitamin và dưỡng chất thiết yếu, được sử dụng rộng rãi trong các món ăn và đồ uống như sinh tố hay kem. Tuy nhiên, công đoạn sơ chế đầu tiên là gọt bỏ lớp vỏ ngoài thường được thực hiện thủ công, gây tốn nhiều thời gian và không đạt hiệu suất cao. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài "Máy cắt gọt trái cây" được thực hiện nhằm mục đích tự động hóa quá trình gọt vỏ, nâng cao năng suất và giải phóng sức lao động.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Thiết kế và chế tạo mô hình máy gọt vỏ hoa quả phục vụ công tác học tập, nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.
  2. Thi công hoàn thiện phần cứng máy gọt vỏ trong thời gian 16 tuần.
  3. Ứng dụng gọt các loại trái cây có hình dạng tròn hoặc bầu dục, vỏ mỏng và mềm (như quả bom, lê, táo, kiwi, dưa lưới, dưa gang).
  4. Nghiên cứu lập trình hệ thống điều khiển trên nền tảng vi điều khiển Arduino.
  5. Nghiên cứu và áp dụng phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.
  6. Tiến hành vận hành gọt thực nghiệm trên các mẫu trái cây thực tế để đánh giá hiệu suất của máy.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống cơ điện tử tích hợp cơ cấu gọt vỏ trái cây tự động, động cơ điện một chiều có hộp số, mạch điều khiển công suất và vi điều khiển. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được tiến hành tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; phạm vi thời gian thực hiện kéo dài trong 16 tuần và hoàn thành nghiệm thu vào tháng 07 năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp cơ sở lý thuyết máy điện, kỹ thuật điều khiển truyền động và vi điều khiển để giải quyết bài toán điều khiển cơ cấu cắt gọt.

Khung lý thuyết và mô hình tính toán được tác giả sử dụng gồm:

  • Cơ sở lý thuyết động cơ điện: Cấu tạo và nguyên lý của động cơ điện một chiều (DC) và động cơ điện xoay chiều (AC). Phân loại động cơ DC theo phương thức kích từ (kích từ độc lập, song song, nối tiếp và hỗn hợp).
  • Phương trình đặc tính cơ điện của động cơ DC kích từ độc lập:
    • Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: $U_ư = E_ư + (R_ư + R_f)I_ư$, trong đó $U_ư$ là điện áp phần ứng, $E_ư$ là sức điện động phần ứng, $R_ư$ là điện trở mạch phần ứng và $I_ư$ là dòng điện phần ứng.
    • Sức điện động phần ứng: $E_ư = K \Phi \omega$, với $K$ là hệ số cấu tạo của động cơ, $\Phi$ là từ thông kích từ và $\omega$ là tốc độ góc.
    • Mô men điện từ: $M_{đt} = K \Phi I_ư$.
  • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM): Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thông qua tỷ lệ điều chỉnh chu kỳ đóng cắt $D = \frac{t_1}{T}$ với công thức điện áp trung bình đặt lên tải $U_d = U_{max} \cdot D$.
  • Cấu trúc tập lệnh và phần cứng Arduino: Sử dụng tập lệnh C/C++ cho vi điều khiển họ AVR (ATmega328P) với cấu trúc cơ bản gồm khối hàm setup(), loop(), các câu lệnh rẽ nhánh, vòng lặp và kiểu dữ liệu chuẩn.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai qua các bước:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Khảo sát các dòng máy gọt vỏ thủ công dùng tay quay (dạng cắm ngang và cắm thẳng đứng) và máy gọt bán tự động dùng điện trên thị trường để xây dựng bản vẽ kết cấu.
  • Phương pháp thiết kế và thi công kỹ thuật: Lắp ráp khung máy, gia cố cơ cấu cơ khí, bố trí hệ thống truyền động và đấu nối mạch điều khiển.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chạy thử nghiệm gọt thực tế trên các loại hoa quả để phát hiện lỗi cơ khí, điện tử, từ đó hiệu chỉnh phần cứng và thông số điều khiển phần mềm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế dưới dạng mô hình máy gọt hoa quả tự động, kết hợp giữa cơ cấu chấp hành cơ khí và mạch điều khiển điện tử.

Phân hệ Thành phần kỹ thuật Chức năng và thông số kỹ thuật
Cơ cấu chấp hành 03 Động cơ DC có hộp số - Động cơ 1: Điều khiển cơ cấu kẹp và giữ chặt trái cây phía trên.
- Động cơ 2: Điều khiển chuyển động xoay tròn của trái cây quanh trục.
- Động cơ 3: Điều khiển cơ cấu tịnh tiến/dịch chuyển lưỡi dao gọt bám sát vỏ quả.
Mạch điều khiển công suất Module cầu H VNH2SP30A (VNH30A) Điều khiển đảo chiều và điều chỉnh điện áp/tốc độ cấp cho động cơ DC công suất lớn, chịu dòng tải cao.
Khối xử lý trung tâm Bo mạch Arduino Uno R3 - Vi điều khiển chính: ATmega328P.
- Vi điều khiển giao tiếp USB: ATmega16U2.
- Xử lý thuật toán điều khiển tuần tự và xuất tín hiệu băm xung PWM điều khiển tốc độ.
Kết cấu cơ khí Khung máy và trục gá Trục cắm quả thẳng đứng, cơ cấu giữ đỉnh quả chống rung lắc và cơ cấu dẫn hướng dao cắt theo quỹ đạo đường xoắn ốc.

Quy trình hoạt động của hệ thống được lập trình tuần tự:

  1. Trái cây được cắm cố định vào trục quay bên dưới.
  2. Động cơ giữ kích hoạt để hạ cơ cấu kẹp cố định đỉnh trái cây.
  3. Động cơ xoay trái cây và động cơ dao gọt đồng thời hoạt động: quả xoay tròn quanh trục, lưỡi dao tì sát vào bề mặt và di chuyển tịnh tiến dọc thân quả từ đỉnh xuống dưới, bóc tách lớp vỏ theo đường xoắn ốc liên tục.
  4. Sau khi hoàn thành hành trình gọt, cơ cấu dao tự dừng và động cơ giữ nhả kẹp để người vận hành lấy thành phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu tự động hóa khâu sơ chế thực phẩm và nâng cao năng suất chế biến trái cây. Tác giả xác định mục tiêu chế tạo mô hình máy gọt vỏ ứng dụng trong thực tiễn và phục vụ học tập. Chương này đưa ra phạm vi giới hạn gồm thời gian thực hiện 16 tuần, các nhóm quả mục tiêu (hình tròn hoặc bầu dục, vỏ mềm mỏng như lê, táo, kiwi, dưa lưới, dưa gang), việc làm chủ vi điều khiển Arduino và phương pháp điều khiển động cơ DC. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài được khẳng định qua việc hỗ trợ giảm sức lao động và cung cấp tài liệu tham khảo cho sinh viên kỹ thuật.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung trình bày các kiến thức nền tảng:

  • Khảo sát các loại máy gọt vỏ hiện có: Phân tích nguyên lý làm việc của máy gọt hoa quả quay tay (dạng cắm ngang và cắm thẳng đứng) và máy gọt chạy điện tự động.
  • Tổng quan về động cơ điện: Trình bày cấu tạo stator (cực từ chính, cực từ phụ, gông từ, nắp máy, chổi than) và rotor (lõi sắt phần ứng, cuộn dây phần ứng, cổ góp) của động cơ DC; phân tích 4 loại động cơ DC (kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp) và đặc tính cơ điện. So sánh với nguyên lý từ trường quay của động cơ xoay chiều 1 pha và 3 pha.
  • Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC: Đánh giá 3 phương pháp (thay đổi điện trở phần ứng, thay đổi từ thông, thay đổi điện áp phần ứng). Tác giả lựa chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng bằng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nhờ ưu điểm giữ nguyên độ cứng đặc tính cơ và mô men tải.
  • Kỹ thuật PWM và nền tảng Arduino: Trình bày nguyên lý băm xung PWM bằng phần cứng (dùng mạch so sánh IC 555, LM556) và bằng phần mềm vi điều khiển. Tổng thuật lịch sử các thế hệ mạch Arduino (từ cổng RS-232, Severino, USB, Extreme, NG, Diecimila, Duemilanove, Uno R2/R3/SMD đến Mega 2560) cùng hệ thống tập lệnh C/C++ (cấu trúc setup(), loop(), các phép toán logic, vòng lặp for, while, khối switch/case và các kiểu dữ liệu int, long, float, byte, char).

Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng

Chương 3 mô tả chi tiết quá trình chế tạo mô hình:

  • Mô hình máy gọt: Giới thiệu thiết kế ban đầu và các bước gia cố khung cơ khí nhằm đảm bảo độ vững chắc khi các động cơ vận hành đồng thời.
  • Mạch điều khiển động cơ VNH2SP30A: Sử dụng module cầu H chuyên dụng để điều khiển dòng điện công suất cao cho các động cơ DC.
  • Khối vi điều khiển Arduino Uno R3: Phân tích sơ đồ chân vào/ra (I/O) và thông số kỹ thuật của board.
  • Sơ đồ đấu nối hệ thống: Thiết lập sơ đồ kết nối dây tín hiệu điều khiển giữa Arduino Uno R3 với mạch cầu H VNH2SP30A và hệ thống 3 động cơ DC (động cơ kẹp giữ, động cơ xoay, động cơ dao gọt).

Chương 4: Lập trình phần mềm

Chương 4 trình bày thuật toán điều khiển của hệ thống:

  • Quy trình hoạt động: Thiết lập chu trình làm việc tự động từ khi nhận lệnh bắt đầu, kích hoạt cơ cấu giữ, khởi động đồng thời động cơ xoay và động cơ dao gọt theo tỷ lệ tốc độ định trước, đến khi hoàn tất hành trình gọt vỏ và ngắt dừng an toàn.
  • Lưu đồ giải thuật: Xây dựng lưu đồ điều khiển chi tiết cho vi điều khiển Arduino để đọc tín hiệu, xuất xung PWM tương ứng cho mạch cầu H điều khiển chính xác tốc độ 3 động cơ DC.

Chương 5: Kết quả thi công và thực nghiệm

Chương 5 tổng kết kết quả thực tế của đề tài:

  • Sản phẩm hoàn thiện: Trình bày hình ảnh tổng quan của mô hình máy sau khi hoàn thành lắp ráp và cơ cấu dao gọt thực tế.
  • Chạy thử nghiệm: Đưa máy vào vận hành thử nghiệm cắt gọt trực tiếp trên các mẫu hoa quả thực tế để kiểm tra khả năng bóc vỏ, độ ổn định của cơ cấu kẹp và sự phối hợp giữa hai động cơ truyền động chính.
  • Đánh giá hạn chế và hướng phát triển: Đưa ra các điểm còn tồn tại của cơ cấu cơ khí và đề xuất phương hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy gọt vỏ trái cây tự động vận hành bằng 03 động cơ điện một chiều có hộp số kết hợp mạch công suất cầu H VNH2SP30A và vi điều khiển Arduino Uno R3.
  • Hiện thực hóa thành công giải pháp điều khiển phối hợp tốc độ giữa động cơ xoay trái cây và động cơ dẫn động dao gọt, kết hợp với cơ cấu giữ quả phía trên giúp quả không bị lệch tâm hoặc văng ra ngoài trong quá trình gọt.
  • Ứng dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) từ vi điều khiển để điều chỉnh tốc độ động cơ DC, duy trì mô men tải ổn định và giảm thiểu chi phí phần cứng so với các giải pháp điều khiển công nghiệp phức tạp.
  • Đồ án đóng góp một mô hình thiết bị cơ điện tử hoàn chỉnh từ khâu tính toán lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm đến vận hành thực nghiệm, phục vụ làm tài liệu tham khảo cho sinh viên kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được tác giả ghi nhận trong văn bản bao gồm:

  • Thiết bị mới chỉ đáp ứng tốt cho các loại quả có hình dạng tương đối tròn hoặc bầu dục, bề mặt vỏ mỏng và mềm (bôm, lê, táo, kiwi, dưa lưới, dưa gang); chưa xử lý được các loại quả có vỏ dày, cứng hoặc hình dạng phức tạp, gồ ghề.
  • Độ linh hoạt của cơ cấu dao gọt cơ khí vẫn cần được hoàn thiện thêm để bám sát tốt hơn biên dạng của nhiều loại trái cây có kích thước khác nhau.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Cải tiến cơ cấu cơ khí của cụm dao cắt để tự động thích ứng với nhiều biên dạng quả đa dạng hơn.
  • Tích hợp thêm các cảm biến để tối ưu hóa quá trình nhận diện kích thước quả và tự động hóa hoàn toàn các khâu cấp phôi, gọt và đẩy phôi thành phẩm ra ngoài.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Tham khảo phương pháp điều khiển động cơ DC bằng vi điều khiển Arduino Uno R3 và module công suất cầu H VNH2SP30A.
  • Người nghiên cứu và phát triển thiết bị chế biến thực phẩm: Tham khảo kết cấu cơ cấu kẹp giữ, trục xoay và cơ cấu tịnh tiến dao gọt vỏ hoa quả theo quỹ đạo xoắn ốc.
  • Nội dung giá trị nhất: Phần lý thuyết điều khiển tốc độ động cơ DC bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng dùng xung PWM và sơ đồ kết nối phần cứng giữa mạch vi điều khiển với mạch cầu H công suất.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống máy cắt gọt trái cây sử dụng bao nhiêu động cơ và chức năng của từng động cơ là gì?
Máy sử dụng 03 động cơ điện một chiều (DC) có hộp số:

  • 01 động cơ dùng để điều khiển cơ cấu kẹp giữ chặt trái cây từ phía trên nhằm tránh quả bị rơi hoặc lệch tâm khi gọt.
  • 01 động cơ dùng để xoay tròn trái cây quanh trục gá.
  • 01 động cơ dùng để điều khiển cơ cấu dẫn động lưỡi dao gọt tịnh tiến bám theo thân quả.

2. Khối điều khiển trung tâm và mạch công suất của máy sử dụng những linh kiện nào?
Hệ thống sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 (trang bị chip xử lý ATmega328P và chip nạp ATmega16U2) kết hợp với module điều khiển công suất cầu H VNH2SP30A (VNH30A) để cấp nguồn và điều khiển đảo chiều, tốc độ cho các động cơ DC.

3. Tại sao tác giả lựa chọn phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách thay đổi điện áp phần ứng qua xung PWM?
Theo lý thuyết đặc tính cơ, phương pháp thay đổi điện áp phần ứng giúp giữ nguyên độ dốc (độ cứng) của đường đặc tính cơ, đảm bảo mô men tải không đổi trên toàn dải điều chỉnh ở vùng dưới tốc độ định mức. Đồng thời, kỹ thuật băm xung PWM bằng phần mềm vi điều khiển có độ chính xác cao về tần số, cấu trúc mạch đơn giản và tối ưu chi phí hơn so với điều khiển biến tần hay thay đổi điện trở phần ứng.

4. Máy gọt được những loại trái cây nào và có những giới hạn gì về mặt hình dáng?
Máy được thiết kế để gọt các loại trái cây có hình tròn hoặc bầu dục, lớp vỏ mỏng và mềm như bôm (táo tây), lê, táo, kiwi, dưa lưới, dưa gang. Máy chưa xử lý được các loại quả có hình dạng không đồng đều, vỏ cứng hoặc nhiều gai/gồ ghề.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Máy cắt gọt trái cây" của sinh viên Nguyễn Hữu Hoàng Minh đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình máy gọt vỏ hoa quả tự động. Bằng việc kết hợp điều khiển 03 động cơ DC thông qua vi điều khiển Arduino Uno R3 và mạch cầu H VNH2SP30A sử dụng kỹ thuật băm xung PWM, hệ thống đã thực hiện ổn định chu trình kẹp giữ, xoay và gọt vỏ các loại quả tròn, vỏ mềm theo đường xoắn ốc. Đề tài cung cấp tài liệu tham khảo thực tiễn cho việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động vào các thiết bị sơ chế nông sản quy mô nhỏ.