BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CHẤT LƯỢNG CAO
BỘ MƠN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

-----------------⸙∆⸙-----------------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LQR CHO HỆ CON LẮC
NGƯỢC QUAY

GVHD:
SVTH:

Tp. Hồ Chí Minh , tháng

năm


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .................................................................................................................................3
1.1 Giới thiệu .....................................................................................................................................................3
1.2 Đặt vấn đề ....................................................................................................................................................4
1.3 Mục tiêu .......................................................................................................................................................4
1.4 Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................................................4
1.5 Phạm vi đề tài.............................................................................................................................................5
1.6 Giới hạn của đề tài .....................................................................................................................................5
1.7 Phương pháp và phương tiện nghiê cứu..................................................................................................5
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................................................................6
2.1 Lý thuyết điều khiển tự động.....................................................................................................................6

2.1.1 Khái niệm .............................................................................................................................................6
2.1.2 Các nguyên tác điều khiển ..................................................................................................................7
2.2 Lý thuyết điều khiển tối ưu(LQR) ............................................................................................................9
2.2.3 Khái niệm .............................................................................................................................................9
2.2.4 Các bước giải phương trình trình tối ưu ........................................................................................ 11
2.3 HỆ CON LẮC NGƯƠC QUAY ............................................................................................................. 12
2.3.1 Động cơ DC ....................................................................................................................................... 12
2.3.2 Mơ hình hóa hệ thống con lắc ngược quay ..................................................................................... 14
CHƯƠNG 3 NỘI DUNG THỰC HIỆN.......................................................................................................... 18
3.1 Yêu cầu điều khiển .................................................................................................................................. 18
3.2 Chọn thiết bị cho mơ hình thực tế .......................................................................................................... 18
CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ..................................................................................................... 25
4.1 Thiết kế bộ điều khiển LQR ................................................................................................................... 25
4.2 Mô phỏng bộ điều khiển bằng phần mềm Matlab ................................................................................ 28
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN .................................................................................................................................. 37
5.1

Nhận xét .............................................................................................................................................. 37

5.2

Kết quả thưc hiện .............................................................................................................................. 37

5.3

Hướng phát triển ............................................................................................................................... 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................................................... 38

2



CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
Từ xa xưa, con người chúng ta đã biết cách tạo ra những công cụ thô sơ để lao động sản
xuất, phục vụ đời sống hằng ngày. Thời gian trôi qua, họ không ngừng cải tiến chúng để
tăng năng xuất hơn nhưng nhìn chung vẫn cịn phụ thuộc rất nhiều vào sức người. Vì
vậy, mục tiêu lúc bấy giờ cần phải hướng đến là tự động hóa máy móc thay thế cho sức
người và thỏa mãn nhu cầu giải trí cho con người.
Với mục tiêu đó, nhiều nhà phát minh đã tạo ra nhiều sản phẩm vơ cùng tiện lợi, điển
hình như: cánh tay robot, các xe cân bằng, robot chó…

Hình 1.1: Cánh tay robot

Hình 1.2 :Xe 2 bánh tự cân bằng

3


Hình 1.3: Chó robot

1.2 Đặt vấn đề
Hiện nay, ta thấy việc ứng dụng hệ con lắc ngược được sử dụng rất rộng rãi ở nhiều
mảng: Hàng khơng, giải trí và đặc biệt đối với ngành công nghiệp vũ trụ, hệ cong lắc
ngược là một phần vô cùng cần thiết trong quá trình tự cân bằng của tên lửa,…
Hiện nay để điều khiển và cải tiến chất lượng cân bằng của hệ, ta có thể sử dụng nhiều
phương pháp điều khiển như sử dụng giải thuật LQR, fuzzy, PID hoặc các bộ điều khiển
kết hợp: PID Fuzzy,… Ngồi ra cịn có thể sử dụng phương pháp noron, mạng thần khinh,
di truyền,.. để tối ưu. Đối với đề tài này, sinh viên sẽ thiết kế bộ điều khiển con lắc ngược
quay 1 bậc dùng giải thuật LQR.

1.3 Mục tiêu
− Áp dụng phương pháp điều khiển LQR để điều khiển hệ thống con lắc ngược quay
− Xây dựng mơ hình tốn cho hệ con lắc ngược quay.
− Thiết kế bộ điều khiẻn LQR điều khiển hệ cân bằng.
− Mô phỏng trên Matlab/simulink.
− Thiết kế mơ hình thực nghiệm/ Mơ phỏng 3D.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Vận dụng các kiến thức đã học tính tốn tìm ra phương trình tốn học điều khiển
hệ ổn định
- Sử dụng Matlab/simulink để kiểm chức kết quả.
4


1.5 Phạm vi đề tài
- Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược quay dùng giải thuật LQR.
- Sử dụng Matlab/simulink kiểm chứng kết quả.
- Sử dụng phần mềm mô phỏng để thiét kế và mơ phỏng mơ hình 3D.
1.6 Giới hạn của đề tài
− Nghiên cứu bộ điều khiển trên lý thuyết.
− Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển LQR.
1.7 Phương pháp và phương tiện nghiê cứu
Về phương pháp nghiên, dựa trên việc đọc các bài báo khoa học của hội nghệ quốc tế
hoặc các trang báo IEEE, ISS,.. về các đề liên quan của những người đã nghiên cứu
trước. Sau đó tổng hợp lại những đặc điểm của mỗi bài báo về chủ đề cần tìm để có một
tầm nhìn khát qt về inverted pendulum và bộ điều khiển LQR Controler. Ghi chú lại
những ý còn chưa hiểu, các lỗi xảy ra khi thực hiện mô phỏng hay lỗi trong lúc xây
đựng mơ hình thực tế để tìm cách khắc phục. Ngồi ra cần tham khảo cũng như là hỏi ý
kiến thầy cô về những vấn đề cần giải đáp. Từ đó có thể nắm được những ưu điểm và
nhược điểm về phần mà đề tài đang thực hiện.
Về phương tiện thực hiện, hiên nay có rất nhiều công cụ hỗ trợ cho việc thực hiện các

đề tài liên quan đến inverted pendulum và các phần mềm soạn thảo cho cuốn báo cáo.
Phần mềm thiết kế mô hình Solidwork , AutoCAD 2D-3D, trình biên soạn code Python
Visual Code, Visual Studio,...sinh viên sẽ sử dụng phần mềm Matlab để mơ phỏng và
lập trình và phần mềm Solidwork để thiết kế mơ hình đơn giản cho hệ con lắc ngược
quay trên máy tính nếu có thể.

5


CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Lý thuyết điều khiển tự động
2.1.1 Khái niệm
2.1.1.1 Điều khiển
Điều khiển là quá trình thu tập thơng tin, xử lí thơng tin và tác động lên hệ thống
theo một quy luật hoặc một quá trình cho trước để đáp ứng hệ thống thỏa yêu cầu
đặt ra. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển khơng có sự tác động trực tiếp
của con người.
2.1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

r(t)

e(t)

BỘ ĐIỀU KHIỂN

u(t)

cht(t)

CẢM BIẾN


Trong đó :
• r(t): tín hiệu vào , tín hiệu chuẩn
• c(t):tín hiệu ra
• cht():tín hiệu hồi tiếp
• e(t): sai số
• u(t): tín hiệu điều khiển

6

ĐỐI TƯỢNG
ĐIỀU KHIỂN

c(t)


2.1.2 Các nguyên tác điều khiển
2.1.2.1 Thông tin phản hồi
2.1.2.1.1 Điều khiển bù nhiễu
Hệ thống lường trước nhiễu để tính toán, bù trừ sai số trước khi nhiễu ảnh hưởng
đến đối tượng. Vì khơng thể lường hết các nhiễu nên điều khiển bù nhiễu chất
lượng không cao.

n(t)

r(t)

BỘ ĐIỀU
KHIỂN


u(t
)

ĐỐI TƯỢNG
ĐIỀU KHIỂN

c(t)

ĐỐI TƯỢNG
ĐIỀU KHIỂN

c(t
)

Trong đó :
• r(t): tín hiệu vào , tín hiệu chuẩn
• c(t):tín hiệu ra
• n():tín hiệu hồi tiếp
• u(t): tín hiệu điều khiển
2.1.2.1.2 Điều khiển san bằng sai lệch

r(t
)
cht(t
)

e(t
)

BỘ ĐIỀU

KHIỂN

u(t
)

CẢM BIẾN

7


Trong đó :
• r(t): tín hiệu vào , tín hiệu chuẩn
• c(t):tín hiệu ra
• cht():tín hiệu hồi tiếp
• e(t): sai số
• u(t): tín hiệu điều khiển
2.1.2.2 Ngun tắc đa dạng tương xứng
Muốn q trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của bộ điều khiển phải tương
xứng với sự đa dạng của đối tượng . Tính đa dạng của bộ điều khiển thể hiện ở khả năng
thu nhập thông tin , lưu trữ thông tin , truyền tin , phân tích xử lý , chọn quyết định ,…Ý
nghĩa của nguyên tắc này là cần thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đối tượng . Hãy so
sánh yêu cầu chất lượng điều khiển và bộ điều khiển sử dụng trong các hệ thống sau:
• Điều khiển nhiệt độ bàn ủi (chấp nhận sai số lớn) với điều khiển nhiệt độ lị sấy
(Khơng chấp nhận sai số lớn)
• Điều khiển mực nước trong bồn chứa của khách sạn (chỉ cần đảm bảo ln có nước
tỏng bồn ) với điều khiển mức chất lỏng trong các dây chuyền sản xuất(mực chất
lỏng cần giữ khơng đổi).
2.1.2.3 Ngun tắc bổ sung ngồi
Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và có tác động qua lại
chặt chẽ với mơi trường đó . Ngun tắc bổ sung ngồi thừa nhận có một đối tượng chưa

biết (hộp đen ) tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen . Ý
nghĩa của nguyên tắc này là khi thiết kế hệ thống tự động , muốn hệ thống có chất lượng
cao thì khơng thể bỏ qua nhiễu của môi trường tác động vào hệ thống .
2.1.2.4 Ngun tắc dự trữ
Vì ngun tắc 3 ln coi thơng tin chưa đầy đủ phải đề phịng các bắt trắc xảy ra và
khơng được dùng tồn bộ lực lượng trong điều kiện bình thường . Vốn dữ trữ không sử
dụng , nhưng cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn.
8


2.1.2.5 Nguyên tắc phân cấp
Đối với một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung
cho trung tâm . Cấu trúc phân cấp thường sử dụng là cấu trúc hình cây , ví dụ như hệ
thống điều khiển giao thông đô thị hiện đại, hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất.
2.1.2.6 Nguyên tắc cân bằng nội
Mỗi hệ thống cần xẫ dựng cơ chế cân bằng nội để có khả năng tự giải quyết những biế
động xảy ra .
2.2 Lý thuyết điều khiển tối ưu(LQR)
2.2.3 Khái niệm
Một hệ điều khiển được thiết kế ở chế độ làm việc tôt nhất là hệ luôn ở trạng thái tối ưu
theo một tiêu chuân chất lượng nào đó (đạt giá trị cực trị).Trạng thái tối ưu có đạt được
hay không tùy thược vào yêu cầu chất lượng đặt ra , vào sự hiểu biết về đối tượng và các
tác động lên đối tượng , vào điều khiển làm việc của hệ điều khiển,…
Khảo sát vấn đề duy trì trạng thái của hệ thống ở giá trị là 0, chống tác động nhiễu,
đồng thời với cực tiểu tiêu hao năng lượng.
x = Ax + Bu

(1.1)

y = Cx


(1.2)



min J =

1
(x T Qx + u T Ru) dt

20

(1.3)

Sơ đồ thiết kế

𝑥ሶ = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑢

-K
9

x(t)


Trong đó:
• Q là ma trận đối xứng xác định dương hay bán xác định dương, thường là ma trận
chéo
• R là ma trận đối xứng xác định dương, thường là ma trận chéo
• Chọn luật điều khiển hồi tiếp trạng thái u= -Kx, K là hằng số , thay vào biểu thức
của J :



J=

1 T
x (Qx + K T RK) xdt
2 0

(1.4)

Tính K dùng phương trình Lyapunov , chọn hàm Lyapunox là J :


Vx (t) =

1 T
1
x (Q + K T RK) xdt = xT Px

20
2

Vx (t) =

1 T
x (0) Px(0)
2

(1.5)


(1.6)

Đạo hàm theo thời gian :
Vx (t ) =

1 T

x (Q+ K T RK ) x 0
2

1
1
= xT ()(Q+ K T RK ) x() − xT (0)(Q+ K T RK ) x(0)
2
2

(1.7)

Gỉa sự chọn K để ổn định 𝑥(∞) → 0
1
Vx (t) = − xT (t)(Q+ K T RK ) x(t)
2

(1.8)

1
Vx (t) = ( xT Px + xT Px)
2
1
= xT [(A − BK T ) P + P(A − PK)]x

2
1
= xT (t)(Q − K T RK) x(t)
2

(1.9)

Mặt khác :

Ma trận P thoả phương trình Lyapunv:
10


[( A − BK T ) P + P( A − PK )] = −(Q + K T RK )

(1.10)

2.2.4 Các bước giải phương trình trình tối ưu
Giải phương trình Lyapunov ta được các phần tử của ma trận P theo các phần tử
của ma trận K chưa biết.
1

Khi đó: J=Vx(0)= xT(0)Px(0) là hàm theo các phần tử của ma trận K .
2

Để J cực tiểu ta giải phương trình :

𝜕𝑃 𝜕𝐽
𝜕𝐾 𝜕𝐾𝑖𝑗


hay

𝜕𝐽
𝜕𝐾𝑖𝑗

=0

Suy ra ma trận K , luật điều khiển u=-Kx
Xét ổn định của ma trận A-BK
Nếu muốn điều chỉnh ngõ ra y= Cx sẽ chọn


J=

1 T T
x (C QC + K T RK ) xdt
2 0

(1.11)

Đặt 𝛤 𝑇 𝛤𝛤 𝑙à 𝑚𝑎 𝑡𝑟ậ𝑛 𝑣𝑢ơ𝑛𝑔 𝑘ℎơ𝑛𝑔 𝑠𝑢𝑦 𝑏𝑖ế𝑛
Phương trình Lyapunov viết lại là :
[ AT − BT K T ( AT − BT K T )]P + P ( A − BK ) + Q + K T K T = 0

(1.12)

[ AT P + PA + [K − ( T ) −1 BT P ]T [K − (T ) −1 BT P ]-PBR −1 BT P + Q = 0

(1.13)


Lấy đạo hàm phương trình theo Kij và dùng tính chất

𝜕𝐽
𝜕𝐾𝑖𝑗

=0

Ta suy ra :
P
= [K − (T )( −1) BT P]T [K − (T )( −1) BT P] = 0
Kij

(1.14)

Cực tiểu xảy ra khi số hạng trong ngoặc =0 hay 𝛤𝐾 = (𝛤 𝑇 )−1 𝐵𝑇 𝑃
K = (T ) ( −1) BT P = R ( −1) BT P
11

(1.15)


Phương trình Lyapunov trở thành phương trình đại số Ricati :
AT P + PA − PBR −1 BT P + Q = 0

(1.16)

Phương trình trên khơng chứa K
Các bước để tìm hồi tiếp K của LQR như sau :
• Lựa chọn thơng số ma trận Q và R
• Giải phương trình Riccati cho P

• Tìm hồi tiếp biến trạng thái SVFP sử dụng:
K = R( −1) BT P

(1.17)

• Thực thi tỏng MATLAB bằng hàm lqr(A,B,Q,R)
• Luật điều khiển tối ưu :

u = − Kx = − R ( −1) BT P
2.3 HỆ CON LẮC NGƯƠC QUAY
2.3.1 Động cơ DC

Trong đó :
• Vin : là điện áp cấp cho động cơ (V)
• Im : là cường độ dịng điện qua động cơ (A)
• Rm : là điện trở của động cơ ( 𝛺)
• Lm : là điện cảm của cuộn dây trong động cơ (H)
• 𝜀: là sức điện động tạo ra trong động cơ có độ lớn 𝜀 =KmV 𝜃ሶ
12

(1.18)


Áp dụng định luật Kirchhoffs 2 cho sơ đồ trên ta được:
Vin = VR + VL + Vemf
= I m Rm + Lm

(1.19)

dI m

+ K m m
dt

Trong đó :
• Vr : là điện áp giữa hai đầu điện trở Rm
• VL: là điện áp giữ hai đầu cuộn dây Lm
• Vemf : là điện áp tạo ra trong roto
• Km : là hằng số của động cơ
• 𝜃m: là goc của motor
Ta có Tm=K𝜙Im là moment của động cơ ; đặt K𝜙=Km⇒Im=

𝑇𝑚
𝐾𝑚

Gỉa sử ảnh hưởng của cuộn cảm Lm là khơng đáng kể nên bỏ qua
Có thể viết lại phương trình (1.20) như sau :
Vin = I m Rm + K m m
Vin K m − K m 2 m
Với Tm =
Rm

(1.21)
(1.22)

Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ:
Tm = T1 + B m + J m m

(1.23)

Trong đó :

• T1:là moment tải quy đổi về trục động cơ
• B : hệ số ma sát
• J: là moment quán tính động cơ và moment quán tính của hệ thống quy
đổi về trục động cơ
Quy đổi moment động cơ về trục làm việc
13


Tm ' = Tm K g g
J qd = J m K g g

(1.24)

 m = K g

Trong đó :
• Kg : tỉ số truyền
• 𝜂 g : là hiệu suất của cơ cấu
• 𝜃 : vị trí của trục tải
Ta có moment tải quy đổi về trục làm việc , giả sử bỏ qua ma sát ta được :
T1 = Tm K g g − J m K g 2 g

(1.25)

2.3.2 Mơ hình hóa hệ thống con lắc ngược quay
Con lắc ngược quay được thể hiện trên hình 3.3, và được sử dụng như các tọa
độ tổng quát mô tả cho hệ thống con lắc ngược quay. Con lắc di chuyển với một
góc trong khi cánh tay quay một góc . Giả sử trọng tâm của con lắc ở điểm B ,
điểm A được gắn trên cánh tay là giao điểm của tọa độ xyz.


Cánh tay quay trên mặt phẳng ngang xz và con lắc quay trên mặt phẳng đứng
xy , ta có thể vẽ những lực như trên hình 3.4.
Hình 3.3 Xem như con lắc chuyển động trịn quanh điểm A . Vận tốc ở điểm B trên
con lắc có mối liên hệ tới điểm A trên cánh tay là:
14


xBA = − L cos( )
yBA = − L sin( )

(1.26)

Con lắc di chuyển cùng với sự quay của cánh tay với vận tốc là 𝜃ሶr . Do đó, vận tốc
tuyệt đối của điểm B trên con lắc là:

xB = r − L cos( )
yB = − L sin( )

(1.27)

Phương trình (2.27) là theo thời gian , ta có gia tốc tại điểm B
 xB = r + L sin( ) 2 − Lcos( )

2
 yB = − Lcos( ) − L sin( )

(1.28)

Áp dụng định luật 2 NEWTON trên con lắc theo phương x:


F

x

= ma = mxB

= m[r + L sin( ) 2 − Lcos( ) ]

(1.29)

Áp dụng định luật 2 NEWTON trên con lắc theo phương y:

F

y

= ma = myB

= m[ − Lcos( ) 2 − L sin( ) ]

(1.30)

Áp dụng phương trình EULER cho chuyển động quay của con lắc về điểm B :
15


J B =  M B
1
12


1
12

(1.31)

1
3

Với J B = ( ) MR 2 = ( ) M(2 L)2 = ML2
1 2
mL  = Fx L cos( ) + Fy Lsin( )
3

(1.32)

Áp dụng phương trình EULER cho chuyển động quay của con lắc về điểm O:

J o =  M o
 J eq = T1 − Beq − Fx r

(1.33)

Thay thế (2.30) và (2.31)vào (2.33) :

1 2
mL  = m[r + L sin( ) 2 − Lcos( ) ]L cos( )
3
+ m[ − Lcos( ) 2 − L sin( ) ]Lsin( )

(1.34)


Thay thế (2.29) vào (2.33) :
J eq = T1 − Beq − m[r 2 + L sin( ) 2 − Lcos( ) ]r

(1.35)

Từ (2.35) và (2.36) có được phương trình chuyển động của hệ thống :
( J eq + mr 2 ) − mLrcos( ) + mrL sin( ) 2 = T1 − Beq


4
−mLr cos( ) + mL2 − mgL sin  = 0

3


(1.36)

Moment quán tính của tải tại trục làm việc là T1 :
T1 = Tm K g g − J m K g 2 g
= K g g

Vin K m − K m 2 K g
Rm

− J m K g 2 g

Thay (2.40) vào (2.37) để được mô hình phi tuyến của hệ thống như sau :
16


(1.37)


( J eq + mr 2 ) − mLrcos( ) + mrL sin( ) 2 =
K g g

Vin K m − K m 2 K g
Rm

(1.38)

− J m K g 2 g1 − Beq

Để tiện cho việc tính tốn, sau khi thu gọn biểu thức trở thành :
(J eq + mr 2 + J m K g 2 g ) − mLrcos( ) + mLrsin( ) 2 + (Beq +
K m K g g
Rm

g K g 2 Km2
Rm

)=

(1.39)

Vin

Đặt
a = J eq + mr 2 + J m K g 2 g
b = mLr

4
c = mL2
3
d = mLg

g K g 2 Km2
e = Beq +
Rm
K m K g g
f =
Rm

Hệ phương trình của mơ hình phi tuyến của hệ thống như sau :
 a + b cos( ) + bsin( ) 2 + e = fVin

−b cos( ) + c − d sin( ) = 0


17

(1.40)


CHƯƠNG 3 NỘI DUNG THỰC HIỆN
3.1 Yêu cầu điều khiển
Điều khiển hệ thống hoạt động ổn định quanh điểm làm việc tĩnh
3.2 Chọn thiết bị cho mơ hình thực tế
Phần khung của hệ được tao nên từ 2 tấm mica dày 4mm và được nối với nhau bằng 4
thanh nhôm làm trụ.
Động cơ được sử dụng là động cơ DC 24V có gắn encoder quan 400xung/vịng được nối

với cánh tay thông qua một bánh răng và đai truyền , cả hai được gá lắp vào mặt của mơ
hình
Để đo vị trí và vận tốc góc của con lắc ngược ta dung encoder 100xung/vong
3.4.1 Board mạch chính
MCU là một vi điều khiển thuộc dịng MegaVR của hãng ATMER.

Hình 3.1

Sơ đồ chân của ATmega168

18


Hình 3.2

Sơ đồ ngun lý mạch điều khiển.

3.4.2 Mạch cơng suất
Để điều khiển động cơ DC, ta cần điều khiển chiều dòng điện qua 2 đầu (+), (-) là từ
(+) đến (-) hoặc ngược lại từ (-) đến (+). Vì vậy, ta sử dụng mạch cầu H để điều khiển:

Thành phần chính của mạch cầu H là 4 khóa S1, S2, S3, S4. Oử điều kiện biềnh thường,
cả 4 khóa mở, mạch không hoạt động.
19


Giả sử khi ta tác động cho 2 khóa S1 và S4 đóng (2 khóa cịn lại vẫn mở), dịng điện chạy
từ Vcc qua S1 đến đầu (+) và xuyên qua motor đến đầu (-) trước khi qua khóa S4 và xuống
GND. Như vậy chiều dòng điện qua motor sẽ đi từ (+) sang (-) của nó.
Tương tự vậy, nếu ta cho khóa S3, S2 đóng (2 khóa cịn lại mở ra), chiều dòng điện qua

motor sẽ đi từ (+) sang (-) của nó. Từ đó cho thấy, ta có thể dung mạch này để đao chiều
động cơ DC.
Ta chọn linh kiện cho mạch cầu H là IC L298 (vì nó tích hợp sẵn 2 cầu H trong IC).

Hình 3.3

Hình 3.4

IC L298 ngoài thực tế.

Sơ đồ khối bến trong L298.

20


Vì trong IC này tích hợp 2 cầu H, mỗi cầu chịu dòng tối đa là 2A (tuy nhiên ta chỉ sử
dụng 1 cầu). Vì vậy, nếu ta nối chung các chân có cùng chúc năng lại thì được dịng tối
đa là 4A.

Hình 3.5

Mạch ngun lý mạch cơng suất

Hình 3.6

Mạch in trước và sau

21



Hình 3.7

Sơ đồ linh kiện mạch cơng suất.

Hình 3.8

Mạch 3D

3.4.3 Mạch nguồn 24V/5A - 5V/1A
Để chuyển đổi điện áp 220V AC sang 24V DC 5A ta có thể thiết kế mạch nguồn. Tuy
nhiên, ở đồ án này ta sử dụng 1 nguồn tổ ong 24V/5A để hoạt động chính xác và đơn
giản.

22


Hình 3.9

Nguồn tổ ong 24V/5A

Đối với nguồn 5V/1A, ta sử dụng nguồn 24V DC từ nguồn tổ ong, qua IC 7805 để ổn áp
5V DC(với ngõ ra IC 7805 có dịng nhỏ ≈1A).

Hình 3.10

Mạch ngun lý mạch nguồn chuyển đổi 24V-5V DC

Hình 3.12

Sơ đồ link kiện mạch nguồn

23


Hình 3.13

Mạch 3D

3.4.4 Thiết bị đo vị trí và vận tốc
Để đo vị trí và vận tốc góc, ta sử dụng encoder:
Nguồn: 5V-24V, hai pha A,B
Số vạch xung trên trên đĩa encoder: 100 vạch
Đường kính đĩa encoder: 22mm
Đường kính lỗ trong đĩa encoder: 3.5mm
Độ dày đĩa encoder: 0.3mm
Chất liệu đĩa encoder: thép.
Encoder có kích thước trục φ38mm; cốt φ6 × 15mm
Tốc độ tối đa 5000 vòng/phút

24


Hình 3.14

Encoder quang 100 xung.

Nguyên lý hoạt động của encoder là đĩa tròn quay quanh trục. Đèn led sẽ chiwwú vào
đĩa, tại các vị trí khơng có lỗ (rãnh) đèn led khơng chiếu qua được. Ở phía sau sẽ có bộ
phận nhận tính hiệu có hoặc khơng có ánh ánh từ led. Số xung đếm được và tăng lên nó
được tính bằng số lần ánh sáng bị cắt.
Như vậy encoder sx tạo ra xung vuông từ ánh sáng xuyên qua lỗ. Tần số xung đầu ra sẽ

phụ thuộc vào tốc độ quay của đĩa encoder. Đối với encoder chúng ta chọn, có 2 tín hiệu
ra lệch nhau 900 giúp ta nhận biết được chiều quay của động cơ.

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
4.1 Thiết kế bộ điều khiển LQR
Hệ phương trình mơ hình phi tuyến của hệ thống như sau :
25