BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÁO CÁO
MÔN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu quay

Giáo viên hướng dẫn:

Th.S Nhữ Quý Thơ

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Tấn Ngọc 2018*****
Hà Minh Tú

2018*****

Trần Xuân Toán

2018*****

Lớp :

Cơ Điện tử 4

Khoa:

Cơ khí – K13

Hà Nội - 2021

Mục lục
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 2
Phần 1

Tổng quan về con lắc ngược........................................................................... 3

1.1 Giới thiệu về con lắc ngược ............................................................................... 3
1.2 Các thành phần chính của con lắc ngược dạng quay......................................... 3
Phần 2

Thiết kế concept.............................................................................................. 4

2.1 Phân tích nhiệm vụ thiết kế ............................................................................... 4
2.1.1

Thiết lập danh sách yêu cầu ..................................................................... 5

2.1.2

Tóm tắt để xác định các vấn đề cơ bản .................................................... 6

2.1.3

Thiết lập cấu trúc chức năng .................................................................... 8

2.1.4

Phát triển cấu trúc làm việc: ................................................................... 12


2.1.5

kết hợp các nguyên tắc làm việc ............................................................ 13

2.1.6

Lựa chọn biến thể phù hợp ..................................................................... 15

2.1.7

Tổng hợp và đánh giá các biến thể......................................................... 16

2.2 Thiết kế cụ thể ................................................................................................. 16
2.2.1

Cung cấp nguồn:..................................................................................... 16

2.2.2

Chuyển đổi điện năng thành cơ năng: .................................................... 19

2.2.3

Chức năng điều khiển hệ dẫn động: ....................................................... 20

2.2.4

Chức năng truyền động .......................................................................... 22


2.2.5

Chức năng báo hiệu ................................................................................ 23

2.2.6

Chức năng giám sát chuyển động .......................................................... 24

2.2.7

Chức năng thu nhận và xử lý tín hiệu .................................................... 26

2.3 Bản vẽ sơ bộ của hệ thống con lắc ngược ....................................................... 37
2.3.1

Mơ hình mơ phỏng hệ thống .................................................................. 37

2.3.2

Phác thảo hệ thống ................................................................................. 38
1


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây ngành Cơ điện tử có những bước phát triển vượt bậc,
việc ứng dụng các sản phẩm Cơ điện tử vào sản xuất ngày càng phổ biến giúp nâng cao
năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm. Song song với quá trình phát triển đó là
yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc trong mơi trường
khắc nghiệt với thời gian dài của các hệ thống Cơ điện tử. Vì vậy việc nghiên cứu và
thiết kế các hệ thống Cơ điện tử để đáp ứng được yêu cầu trên là việc làm cần thiết. Sự

phát triển của hệ thống Cơ điện tử là sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công
nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều
tiến bộ mới.
Dưới sự phân công và hướng dẫn của thầy Nhữ Quý Thơ nhóm sinh viên đã
thực hiện bài tập lớn học phần Thiết kế hệ thống cơ điện tử với đề tài: “ Thiết kế sản
phẩm cơ điện tử con lắc ngược một bậc tự do kiểu quay”. Nhận thấy đây là một đề tài
hay và có tính thực tế cao với mục đích của đề tài là bước đầu tạo cho sinh viên hiểu
quy trình thiết kế một sản phẩm, từ đó áp dụng các kiến thức và phương pháp đã học
để thiết kế một sản phẩm cơ điện tử.
Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức còn hạn chế nên gặp nhiều khó
khăn và khơng tránh khỏi những sai sót. Rất mong sự góp ý quý báu của các thầy để
chúng em hoàn thiện đề tài hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.

2


Phần 1

Tổng quan về con lắc ngược

1.1 Giới thiệu về con lắc ngược
Con lắc ngược dạng quay bao gồm một liên kết con lắc quay trong một mặt phẳng
thẳng đứng. Liên kết được gắn với một tay quay, được lắp trên trục tải của động cơ điện
một chiều. Cánh tay quay có thể được quay trong mặt phẳng nằm ngang bởi động cơ
DC.
Con lắc ngược dạng quay nói riêng và con lắc ngược nói chung là các đối tượng
có tính bất ổn định cao, do đó thường được sử dụng để kiểm nghiệm các thuật toán điều
khiển.


1.2 Các thành phần chính của con lắc ngược dạng quay
Hệ con lắc ngược dạng quay bao gồm 2 phần chính:
Phần cơ khí: gồm một thanh kim loại (con lắc) có thể quay theo phương thẳng
đứng. Con lắc được gắn vào một thanh kim loại khác(cần lắc hoặc cánh tay quay ) có
thể quay theo phương nằm ngang. Cánh tay quay được chuyển động được nhờ động cơ.
Trên động cơ có gắn cảm biến để đo chiều quay của cánh tay quay.
Phần điều khiển: gồm mạch khuếch đại công suất và mạch điều khiển trung
tâm. Tín hiệu từ cảm biến sẽ được truyền đến bộ điều khiển. Tùy vào tín hiệu nhận
được từ cảm biến mà bộ điều khiển sẽ có những điều chỉnh để điều khiển động cơ

3


hình 1.1: mơ hình con lắc ngược
Ghi chú :
1: con lắc

2: cánh tay quay

4: đế

5: cảm biến đo

Phần 2

3:động cơ

Thiết kế concept

2.1 Phân tích nhiệm vụ thiết kế

Mơ hình con lắc ngược kiểu quay là một hệ thống máy gồm hai khâu: con lắc và
cần lắc. Cần lắc được gắn vào động cơ DC quay quanh trục thẳng đứng, con lắc được
gắn vào trụ encoder ở cuối cần lắc tự do trong mặt phẳng vng góc với cần lắc. Từ
đây có thể thấy hệ thống có hai vị trí cân bằng: ổn định và không ổn định. Ở trạng thái
cân bằng ổn định con lắc sẽ hướng xuống dưới. Ở trạng thái cân bằng khơng ổn định vị
trí của con lắc hướng lên trên và vì thế cần một lực tác động để duy trì trạng thái này.
Từ đây có thể thiết lập ra danh sách yêu của của hệ thống:

4


2.1.1 Thiết lập danh sách yêu cầu
Danh sách yêu cầu của con lắc ngược dạng quay

Thay
đổi

D

u cầu:

W
Phần cơ khí:

D
D
D
D
D
D

D
D

D
D
D
D
D

W
D
D

• Phần đế:
- Làm bằng kim loại không gỉ
- Dài 15-25 cm
- Rộng 10-15 cm
- Cao 15-25 cm
- Không bị di chuyển, rung lắc mạnh
khi hoạt động
• Động cơ:
- Gắn ở mặt đáy của đế
- Mơmen lớn
- Tốc độ quay >1200 vịng/phút
• Cánh tay quay:
- Dài 10-20cm
- Có phần rãnh chạy dọc
- Góc quay lớn nhất 360o
- Khối lượng <0.5 kg
- Làm bằng vật liệu cứng không đàn hồi,

chịu uốn tốt
- Tốc độ quay nhỏ
• Con lắc:
- Dùng vật liệu cứng, chịu uốn tốt
- Hình trụ dài 15-25 cm

5


D
D

- Khối lượng <0.5 kg
- Góc nghiêng tối đa 30o
• Phần điện tử:

D
D
W
W
W
W
D
W

D
D

D
D

D

• Cảm biến đo:
- Điện áp ra ổn định
- Tốc độ đáp ứng nhanh
- Nhỏ gọn
- Đo góc nghiêng của con lắc
- Đo góc quay của cánh tay quay
- Đo vận tốc
• Mạch khuếch đại:
- Có chức năng lọc tín hiệu nhiễu
- Tín hiệu đầu ra vng, ổn định
• Bộ phần báo hiệu:
- Đưa ra âm thanh khi động cơ hoạt động
- Báo hiệu khi con lắc ở trạng thái cân
bằng

• Phần chương trình
- Có ít nhất 4 đầu vào
- Tốc độ xử lý >20Mhz
- Thuật toán điều khiển có thế chỉnh trực
tiếp khí con lắc hoạt động

2.1.2 Tóm tắt để xác định các vấn đề cơ bản
Giai đoạn 1:Loại bỏ sở thích cá nhân, bỏ qua các yêu cầu không ảnh hưởng trực tiếp
đến chức năng và các ràng buộc cần thiết:
Phần đế:
- Dài: 15-25cm
6



- Rộng: 10-15cm
- Cao: 15-25 cm
Dẫn động bằng bánh răng
Vận tốc động cơ có thể đo lường
Nguồn DC-24V
Nguồn cho thiết bị khác (cảm biến, bộ xử lý, đèn,...) 5V-2A
Cần lắc hình trụ dài 15-25 cm
Con lắc hình trụ dài 20-50 cm
Đo vận tốc, góc quay của cần gạt
Đo góc nghiêng của con lắc
Vật liệu đế: chống gỉ, bền
Vật liệu con lắc, cần lắc: chịu va đập, khơng có thay đổi về chiều dài
Giai đoạn 2: chuyển dữ liệu định lượng thành dữ liệu định tính và giảm chúng thành
các tuyên bố thiết yếu:
Phần đế hình hộp
Dùng nguồn 24 V
Con lắc, cần lắc hình trụ
Đo góc quay, đo góc nghiêng
Vật liệu sử dụng: chống gỉ, bền, chịu va đập
Giai đoạn 3: trong mức độ nhất định, khái quát lại kết quả các bước trước
Phần đế hình hộp
Dùng nguồn 24 V
Đo góc quay, đo góc nghiêng
Vật liệu sử dụng: chống gỉ, bền, chịu va đập
Giai đoạn 4: hình thành vấn đề theo các thuật ngữ trung lập về giải pháp
Thiết kế hệ thống con lắc ngược 1 bậc tự do dạng quay

7



2.1.3 Thiết lập cấu trúc chức năng
Có các chức năng con đạt thành các mục tiêu sau:
• Biến đổi năng lượng đầu vào thành vận tốc
• Biến đổi năng lượng đầu vào thành năng lượng cho bộ điều khiển và cảm
biến
• Kiểm soát năng lượng và vận tốc quay
• Thay đổi vận tốc quay của cần gạt
• Đo vận tốc
• Đo góc nghiêng và góc quay
Từ đây có thể khái quát thành chức năng tổng thể.
a) Chức năng tổng thể của con lắc:

hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của con lắc

8


hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của con lắc
b) Các chức năng con:
Cung cấp nguồn:

hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc chức năng cung cấp nguồn

9


Giám sát chuyển động:

hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc chức năng giám sát chuyển động

Điều khiển hệ dẫn động:

hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc chức năng điều khiển hệ dẫn động

10


Thu nhận và xử lý tín hiệu:

hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc chức năng thu nhận và xử lý tín hiệu
Chuyển đổi điện năng thành cơ năng

hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc chức năng chuyển đổi điện năng thành cơ năng

11


Truyền động

hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc chức năng truyền động
Báo hiệu

hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc chức năng báo hiệu
2.1.4 Phát triển cấu trúc làm việc:
Giải pháp 1

2

3


Chức năng

1

Cung cấp
nguồn

Biến áp

Biến áp hạ
áp

Biến áp
tăng áp

Chỉnh
lưu

Diode chỉnh
lưu

Diode cầu

Lọc
nhiễu

Bộ lọc tụ
điện

Bộ lọc RC


12

Chỉnh lưu
nửa chu kỳ

4


2

3

Chuyển đổi điện năng
thành cơ năng

Điều khiển
hệ dẫn động

Khuếch
đại

Động cơ
DC servo

Động cơ
bước

Mạch dùng
IC


Mạch kiểu
ghép tầng
sử dụng
BJT

Điều
Tần số
khiển Mạch cầu H
xung PWM
động cơ

4

Thu nhận và xử lý tín
hiệu

Arduino
ATMEGA

5

Truyền động

6

Báo tín hiệu

7


Giám sát
chuyển
động

Chip PIC

Động cơ
RC servo

Mạch
Mạch kiểu
khuếch đại ghép tầng
sử dùng
Darlington
EC

FET

Biến tần

18f4520

Chip PIC
30f4011

Thanh răng
bánh răng

Đai


Xích

Chng

Đèn báo

Đo góc
lệch con
lắc

Encoder
tụt đối

Encoder
tuơng đối

Đo vị trí

Encoder
tụt đối

Encoder
tuơng đối

Chiết áp

Cảm biến
siêu âm

2.1.5 Kết hợp các nguyên tắc làm việc

Các nguyên tắc làm việc được kết hợp thành một biến thể được thể hiện như
trong bảng sau:
13


Giải pháp 1

2

Chức năng
Biến áp
1

Cung cấp
nguồn

Chỉnh lưu
Lọc nhiễu

2

Chuyển đổi điện năng thành
cơ năng

Khuếch đại
3

Điều khiển
hệ dẫn động


4

Thu nhận và xử lý tín hiệu

5

Truyền động

6

Báo tín hiệu

7

Giám sát
chuyển
động

Điều khiển
động cơ

Đo góc lệch
con lắc
Đo vị trí

14

3

4



Sau khi kết hợp các nguyên tắc làm việc, ta được ba biến thể tiêu biểu: được biểu
diễn bởi ba mũi tên màu đen (biến thể 1), xanh (biến thể 2) và cam (biến thể 3). Từ đây
ta xét tới tính khả thi của các biến thể vừa được tạo ra.
2.1.6 Lựa chọn biến thể phù hợp
Sau khi kết hợp các nguyên tắc làm việc, ta được ba biến thể tiêu biểu:
Biến thể 1: 1.1.1-1.2.2-1.3.1-2.1-3.1.2-3.2.1-4.1-5.1-6.2-7.1.2-7.2.2-7.3.2
Biến thể 2: 1.1.1-1.2.2-1.3.1-2.2-3.1.4-3.2.1-4.3-5.2-6.2-7.1.2-7.2.3-7.3.1
Biến thể 3: 1.1.1-1.2.1-1.3.1-2.2-3.1.4-3.2.1-4.2-5.2-6.2-7.1.1-7.2.4-7.3.3
Để lựa chọn ra được biến thể phù hợp nhất, ta tiến hành xây dựng các tiêu chí
đánh giá và so sánh các biến thể với nhau. Tuy nhiên độ phức tạp và quan trọng của các
tiêu chí để đánh giá là khác nhau, vì thế để có thể bao quát và thấy được các mức độ
quan trọng của các tiêu chí, ta xây dựng cây mục tiêu.
Trong cây mục tiêu bao gồm các tiêu chí đặt ra cho biến thể. Trong các tiêu chí
lớn có những tiêu chí nhỏ hơn được đặt ra. Số điểm bên trái (w) là độ quan trọng của
tiêu chí đó với tổng thể hệ thống, số điểm bên phải (𝑤𝑡 ) là mức độ đáp ứng của từng
biến thể

15


hình 2.10 Sơ đồ cây những tiêu chí đánh giá cho hệ con lắc ngược
2.1.7 Tổng hợp và đánh giá các biến thể
Điểm đánh giá của từng biến thể là:
Điểm đánh giá của biến thể 1: 0.835
Điểm đánh giá của biến thể 2: 0.75
Điểm đánh giá của biến thể 3: 0.805
Từ điểm đánh giá trên thì chọn biến thể 1 để thiết kế


2.2 Thiết kế cụ thể
2.2.1 Cung cấp nguồn:
a) Chức năng biến áp
Do khối lượng của mơ hình con lắc ngược và động cơ sử dụng có cơng suất là
32W và dùng nguồn điện áp là từ 12-24 V mà nguồn đầu vào dùng nguồn điện 220V.
Nên phải dùng máy biến thế để chuyển đổi điện áp
Tên sản phẩm: Biến áp 220V ra 24V 30 W
16


hình 2.11 máy biến áp 220V ra 24V
Thơng số kỹ thuật:
Điên áp vào

AC 110-260V 50/60HZ

Điện ra

AC 24 V

Cơng suất

30W

Lõi

Đồng

Trọng lượng


600g

Kích thước

Dài 59mm x Cao 33mm x Rộng 50mm

b) Chức năng chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ đổi điện áp AC thành DC
Tên sản phẩm: bộ chỉnh lưu Lm7812 Lm7912
17


hình 2.12 bộ chỉnh lưu Lm7812 Lm7912
Thơng số kỹ thuật
Điện áp vào

12-24 AC

Điện áp ra

12V DC

Kích thước

Dài 30mm x Rộng 26mm x Cao 22mm

c) Chức năng lọc nhiễu
Điện áp đầu ra của nguồn điện chuyển mạch bao gồm các gợn, phụ thuộc vào tần số
chuyển mạch; ngồi ra, cũng có nhiều nguồn
Tên sản phẩm: mạch chống nhiễu điện từ, bảo vệ tiếp điểm RC


hình 2.13 mạch chống nhiễu
18


Thơng số kỹ thuật
Khích thước

Dài 31mm x Rộng 13.7mm

Trọng lượng

5g

Phù hợp với tải

5-40V DC

2.2.2 Chuyển đổi điện năng thành cơ năng:
- Chọn động cơ
Việc chọn động cơ sử dụng trong mơ hình con lắc ngược được xác định bởi các tiêu
chí: cơng suất động cơ, tốc độ, kích thước,….
Cơng suất động cơ được tính theo cơng thức :
𝑃=

𝑛. 𝑇
9.55

Trong đó: n là tốc độ quay của động cơ (vòng/phút)
T là momen xoắn của trục động cơ (N.m)

Vận tốc cần thiết cho mơ hình là 0.8m/s:
𝑛=

𝑣 ∗ 60
0.8 ∗ 60
=
= 382(𝑣ị𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡)
2𝜋𝑟
2 ∗ 3.14 ∗ 0.02

Để có thể thay đổi chiều của động cơ nhanh thì t cần có 1 momen lớn, lấy giả thiết lực
kéo tối thiểu là 32N, bán kính mỗi puly kéo là 2 cm
𝑇 = 𝐹 ∗ 𝑟 = 32 ∗ 0.02 = 0.64(𝑁. 𝑚)
Vậy công suất tối thiểu cần của động cơ là:
𝑃=

382 ∗ 0.64
= 25.6 (𝑊)
9.55

Từ đấy có thể chọn Động cơ servo NISCA NF5475 encoder 200ppr đủ đáp ứng các
nhu cầu đưa ra.

19


hình 2.14 Động cơ servo NISCA NF5475
Thơng số kỹ thuật của động cơ:
Điện áp sử dụng


12-24V DC

Cơng suất

32W

Đường kính motor

52 mm

Khối lượng

800g

Tích hợp encoder

Encoder 200xung, 2 kênh A B

Số lượng vít

4 ốc vít M4x0,75 cách nhau 52 mm

2.2.3 Chức năng điều khiển hệ dẫn động:
a) Chức năng khuếch đại
Sử dụng mạch dùng IC , có nhiệm vụ khuếch đại dịng điện 1 chiều theo hệ số khuếch
đại có 2 đầu vào và 1 đầu ra.
Tên sản phẩm: IC UA741

20



hình 2.15 khuếch đại IC UA741
Thơng số kỹ thuật:
Dải nhiệt độ hoạt động

0-70 độ C

Điện áp vào

12V

Hiệu điện thế cung cấp

5-40V

b) Chức năng điều khiển động
Để điều khiển chiều quay của động cơ DC là quay thuận hay quay nghịch nhằm
mục đích thay đổi chiều quay của cánh tay quay và giữ con lắc cân bằng người ta sử
mạch cầu H.
Tên sản phẩm: IC L298

21


hình 2.16 IC L297
Thơng số kỹ thuật
Só lượng cầu H

2


Điện áp đầu vào

5-30V DC

Dịng tối đa cho mỗi cầu H

2A

Kích thước

Dài 43 x Rộng 43 x Cao 27 mm

2.2.4 Chức năng truyền động
Để phù hợp với thiết kế cơ khí có yêu cầu truyền được chuyển động một cách tốt và có
độ trượt nhỏ

22


hình 2.17 Các bánh răng
Để các bánh răng có thể ăn khớp thì cần phải có cùng modun, với hệ thống con lắc
ngược quay chọn modun của bánh răng là m=10mm
Chiều dày của các bánh răng là: 𝑆 =

𝑃
2

=

𝑚

2

=

10
2

Chiều rộng rãnh răng của các bánh răng là: 𝑈 =

= 5(𝑚𝑚)
𝑃
2

=

𝑚
2

=

10
2

= 5(𝑚𝑚)

Bước răng của các bánh răng là: 𝑃 = 𝑚 ∗ 𝜋 = 10 ∗ 3.14 = 31.4 (𝑚𝑚)
Theo yêu cầu thiết kế thì số răng của các bánh lần lượt là bánh răng 1 có Z=12, bánh
răng 2 có Z=32, bánh răng 3 có Z= 32
2.2.5 Chức năng báo hiệu
Đèn led làm nhiệm vụ báo hiệu khi hệ thống đang hoạt động. Đèn LED được đặt

ở trên bộ nguồn và hoạt động trong suốt quá trình hệ thống hoạt động.

23


hình 2.18 đèn LED 5mm
Thơng số kỹ thuật
Điện áp vào

5V DC

Chân dài

28-29 mm

2.2.6 Chức năng giám sát chuyển động
a) Chức năng đo góc nghiêng con lắc:
Encoder là bộ mã hóa tạo ra tín hiệu số đáp ứng với chuyển động của với chủ
thể, nói cách khác Encoder có khả năng biến đổi chuyển động quay thành tín hiệu xung,
giúp ta có thể đo được vị trí của con lắc. Từ đó nhằm xác định góc nghiêng của con lắc

24