DAI HOC DA NANG

TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

DO AN TRUYEN DONG DIEN

THIET KE TRUYEN DONG DIEN
CHO HE CON LAC NGUQC

Sinh vién thuc hién: Dang Thanh Son

Đà nẵng, tháng 5 năm 2024

[TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM

KHOA DIEN-DIEN TU’ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

---000--- ---000---

NHIEM VU DO AN MON HOC TRUYEN DONG ĐIỆN

Ho và tên sinh viên: Đặng Thành Sơn — 2050551200218

Lop: 20TDH2

GVHD: Ths. D6 Hoang Ngân Mi

1. Tén dé tai:

Thiết kế truyền động điện cho hệ con lắc ngược

2. Yêu cầu cụ thể:

2.1 Phân tích u cầu cơng nghệ

Hệ con lắc ngược trược có cấu trúc là cánh tay và vật nằm được gắn vào điểm treo.

Khi cánh tay và vật nằm lệch khỏi vị trí cân bằng, hai lực chính tác động là trọng lực và

lực điều khiến. Trọng lực tạo mômen lực cùng chiều với hướng lệch, trong khi lực điều

khiển tạo mômen lực ngược chiều để đưa hệ thống trở lại vị trí cân bằng và cân bằng yếu

tố ngoại lực khác.

2.2. Nội dung

CHUONG 1. TONG QUAN VAN DE
CHƯƠNG 2. THIET KE HE TRUYEN DONG

CHUONG 3. THIET KE HE THONG THUC

CHUONG 4. DANH GIA VA KET LUAN
TAI LIEU THAM KHAO

PHU LUC

3. Sản phẩm


e Bao cdo dé tai.
e - Mơ hình mạch thật với thơng số quy đổi.

e - Bản vẽ nguyên lý (Bản vẽ mạch lực, Bản vẽ mạch điều khiển, Danh mục thiết bi)

¢ Ban vé lap rap (Thiét ké ta dién và đi dây trong tủ điện)

¢ Phu luc Catalogue thiết bị

e File video quay dé tai (van hanh m6 hinh thật) (5-10 phút).

© Chvong trinh Matlab, chương trình lập trình sử dụng trong đồ án, ...

Kiểm tra tiến độ đồ án Đà Nẵng, ngày tháng năm 2024

Giáo viên hướng dẫn

LOI CAM DOAN.

Dé tai nay là do tôi tự thực hiện dựa vào việc tham khảo một số tài liệu và không sao

chép từ tài liệu hay cơng trình đã có trước đó. Mọi tài liệu được trích dẫn ở phần tài liệu
tham khảo. Nếu có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Sinh viên thực hiện

Muc luc MÔN HOC TRUYEN DONG DIEN....secscssssesssssessecssssssestessesssssenees 1

NHIEM VU ĐÔ AN 7... ...... 2


0989.9829907

Mục TỤC ........................... 2G TQ n 1n HH ng ng ng 3

Chương I: Tổng quan vấn đề nghiên cứu.........2+.©2.s+.+2E.2E.Et2.EE2.EE.2EE.2E.E2E.EE.EEE-EE-Err-rr-rrex 6

1. Mơ hình con lắc ngược.....................

2. Mơ hình tốn hệ con lắc ngược

Chương 2: Thiết kế mơ hình con lắc ngược .............22.2.22.+2+.2E.++.EEE.+E.EE.2EE-Ez-rxe-sr-ke-rrx-eee 10

1; Xây đựng mơ hìnH:z:s::z:z:zz:z::zzx1710519SE00008A5Y0PDASEEHEOESEEHEEYEGRYEEEEESIEIENEUIRIDDRSSEtEH 10

2. Tinh todn dong LUC... ............................ 12

3. Mach COng SUAt.....cecscsssssssssssscsssecsssecsssecsssscsssecsssecssuscsssccsssecsssecssscssssesssccssecssuceaseceases 14

Ñ, BBifễn:Khiế hasnesnuoecosotsgttotrtotosrtkSiDSEHCGSGEEHETEDSSHSRGILATGNGSSIESRGSEMETUTPNESNBEEENSEiIGSmUf 20

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển ............22.2.2 .2<.‡2E.E92.EE.E2E.E22.312.21.122.127.12-221-22122-2x. 24

1. Yêu cầu thiẾt kẾ............v.22..11..22.1.1.11.....1....-¿.--2.-.2+.ti2e2i2

2. Phân tích hệ thống.....

E000. ee ...............................

4. Bộ điều khiển cho hệ con lắc TIPƯỢC ......Ă ..n...T.H.TH.TH.n.h TH.H.H.H.H-tư 29


Chương 4: Kết luận......................---2- 22 22 ©2E+22E£22192312211211111111111211111111111111211111ce 38

Tài liệu tham khảo. .........................-- ---- 25 2 32213 22332113 533 531 231 3 E9 12 vn vn ng ng ng ng ven 39

IunBull.:................. 40

Danh muc hinh

Hình 1. M6 hinh con lic nguoc. ...ccccssessssessssesssecsssessscsssscssssessssesssecsssecsssessecessecssseeess 6

Hình 2 Mơ hình con lắc ngược dùng xử lí ảnh......................--..:--2¿©+¿©+++22+++czxeetzxrsrxs 7

Hình 3. Mơ hình động lực học hệ con lắc TP ƯÙỔ L6: 16016616424405516358556619183455958581859548859858 7

Hình 4. Sơ đồ lực tác dụng vào hệ con lắc TIPƯỢC. .......SG Ă ...n....HH..tt.-dư 8

Hình 5. Mơ hình thiết kế con lắc ngược

Hình 6. Mơ hình dẫn động sóng trượt trịn...

Hình 7. Mơ hình bộ truyền động dây đai.........2-5.2 .25.Sc 2.E.E.3 2.EE.2E.E2.EE2.EE.2E.Er.rr.rer 12

Hình §. Mơ hình động lực học hệ con lắc ¡22111 ............ 12

Hình 9. Kết cấu dẫn động hệ con lắc 2550 ———--Ầ..... 13

Hình 10. Thơng số kỹ thuật động cơ GA25-370. .. ...14

Hình 11. Sơ đồ mạch cầu.......¿2.©.+.E+E.E+Ek.£EE.2E1.2E1.121.1211.115.111.111.1.11.1 1-111-. 1-x te. 15


Hình 12. Hai trạng thái của mạch 0 16

Hinh 13. M6 hinh 0:00... ................... 17

Hình 14. M6 hinh dién dong co don gian.... sv T

Hinh 15. Tim biG PWM..u. ........................... 18

Hình 16. Sơ đồ khối hệ thong .o.cceeccccccccccccsscsssesssesssessssssesssesssessuesssesssecssesssesssecssecssecese 20

Hình 17. Lưu đồ thuật tốn.......2.6°..E+.EE.£EE.EEE.E9E.197.112.111.111.121-111-11E-11-11-1x-rxeE 21
Hình 18. Sơ đồ kết nói...... 922
Hinh 19. So dé nguyén ly mach cd L298N....ssccsssesssssssssssssecsssccsssecsseecsseessseessseessseee 23
Hình 20. So dé nguyén ly cam bién MPU6050......cccsccssssesssseessseesssecsssecsssecsseessseessseeess 23

Hình 21. Mơ hình động lực học hệ con lắc TIPƯỢC...................... nh nh nh rg 24

Hình 22. Mơ hình phân tích động lực học hệ con lắc TEUUD56221735060033592004214390003819388 25

Hình 23. Biéu diễn hệ thống trong Matlab......................-..-:-22¿©222222+zc2cx+cEExverrxrerrrrsres 26

Hình 24. Kết quả kiểm tra......2.2 2.2¿2.2S+.22E.2+2.2EE2.211.271.127.11 .221-122.1122.1 .111.--ecrk, 27

Hình 25. Mơ hình simsSCap€ ........-..G .G E.11.2..991.121.1 .1 9.119.11 .g1 .g1 .nh .ng..nh.nh-ng-Hư 28

Hình 26: Mơ hình vịng lặp THỞs:::zzzzzz2ezz2eit2eoitS0ESIISORIESDSTG1S0S3†YsD9i0SR9e5tt0aa 28

000109604). vốv1.iì8i 17.80100010). 01157... ................. 28

Hình 28. Kết quả mơ phỏng........22.©S2.22E.E2E.E2E.E2E.112.711.271.127.112.711.271.121.112-112-1E -ee 29


Hình 29. Rời rạc hóa hệ thống HH ng ng TK TT TH cv. 30

Hình 30. Kết quả rời rạc hóa hệ thống............2E.2.E .2 E.22.E22.21.22.71-127-12211-2121 221.¿cze. 30
Hình 31. Kiểm tra khả năng của hệ thống ...........2.-.2-.2..2E.£2E.E2.EE.2E.E2.EE.rE.Ee.rr-rr-rex 31
Hình 32. Kết quả kiểm tra khả năng của hệ thống.................©.52.22.2.2 ..2.EE-er-x©er2rr2ee-ee 31

Hình 33. Sơ đồ khối bộ điều Khién LOR .....sssssessscesssssseeseeeessssneeeeeeeesssneeeeeeeessnneneeeee 32

Hình 33: Mơ hình LỢOR:se:rczerisosstisoreitiibreiTSEERTSOVEEDNHIREDNDIXONITOHRNISSHSHiB 32

Hình 35. Thiết kế bộ điều khiến LQR...........-- 2.®..+.EE.£EE.£EE.ESE.EEE.Etr.Ete.rxe-rxe-rke-srke 33

Hình 36. Kết quả kiểm tra bộ LQR..........22c.©2.E2E.E2E.Et.2EE.2EE.12.711.271.127-12-11 -212-1.-cre. 33

Hình 37. Hiệu chỉnh thơng số bộ điều khiển LQR..................22..2.22.22.+.£z.+r.xe.z.rs-ez-ei 34

Hình 38. Kết quả kiểm tra bộ LQR sau khi hiệu chỉnh .............................-----25s22zs+czsz=z+ 34
Hình 39. Mơ hình bộ LQR bổ sung tham chiếu/...........2.-.2..2.22.2E.++.£E.+2£.E+.zz.xe.zr.xe-zrx 35
Hình 40. Bồ sung tham chiếu cho bộ LQR...........2-.2.2 .©E£.2E.£2E.E£.2E.E+2.EE.+2E.Ee.zEE.ez-rxe-rex 35

Hình 41. Kết quả kiểm tra bộ LQR bổ sung tham chiếu ....................2.-.2...s=.z.s-z-=s-+ 35

Hình 42. Mơ hình bộ LQR với bộ quan sátí........--.- ¿.+5.2.+.s +..+x+.ex.ve.xe.rex.ee.rr.er.rrs.er.ree 36

Hình:43: Xác định cực của bộ Quan Sâ secszzseestiseeetsteeli eGISĐSOGSAiA9SRdi8AS808gt088 36

Hình 44. Kết quả xác định cực của bộ quan sát......................---2-©22+2++2EE2EE2EErrkrrrrrerrrees 36

Hình 45. Xác định ma trận ÌU........-.-- (.6..22.332.3 E2.3 12.81 .EEE.E£.E2E.EE.EEE.EE.ESE.EE.EEe.ss.rkr.rk.ere-see


Hình 46. Kết quả xác định ma trận L....

Hình 47. Kiểm tra hệ thống sau cùng

Hình 48. Mơ hình con lắc ngược thực tẾ.......................----2-©22¿©2E£+2E2EE2EE2EE2EEEEErrkrrerrex 38

Danh mục bảng

Bang 1. Thơng số mơ hình con lắc ngược thực .....................-----2-©2+cx2cx+Exsrxerrreerreees 10

Bang 2. Thơng số động cơ GA25-370..

Bang 3. Trạng thái mạch cầu bên A

Bang 4. Trạng thái mạch cầu bên B

Bang 5. Trạng thái mạch cầu

Bang 6. Trạng thái mạch cầu

Bang 7. Trạng thái mạch cầu

Bang 8. Cấu hình mạch cầu......5.s S.E+2.ESEE.2EE.2EE2.E12.E125.57E.2E12.E12.E121.121-1 7-12.11©1221 .crre

Bang 9. Phân công VÀO Tả soi 10016605 21 1401355 0364511681611166865014360565115688XE4136031131648sSt18

Bảng 10. Thông số hệ thống con lắc ngược.

Bang 11. Thông số hệ thống con lắc ngược


Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Hệ thống con lắc ngược là một hệ thống điều khiển kinh điển có hai bậc tự do, nó là

minh chứng phổ biến cho việc sử dụng điều khiển phản hồi dé ổn định hệ thống vòng hở,

được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu. Hệ thống con lắc ngược cung cấp một

mơ hình phù hợp để kiểm tra các thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao, nó cịn được coi
là một ví dụ điển hình về hệ thong SIMO (Single Input Multi Output), trong đó chỉ có một
đầu vào duy nhất nhưng yêu cầu điều khién ít nhất 2 đầu ra là vị trí và góc lệch của con lắc

để duy trì nó trong tình trạng thắng đứng. Vì vậy nghiên cứu các thuật tốn điều khiển và
phương pháp trên mơ hình con lắc ngược là một lĩnh vực quan trọng, nhằm tìm ra các giải
pháp tối ưu cho các ứng dụng thực tế trong lĩnh vực điều khiển tự động. Các giải thuật và
phương pháp này có thê áp dụng để điều khiển tốc độ động cơ, giảm tốn hao công suất,

điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, và điều khiển cân bằng hệ thống.

1. Mơ hình con lắc ngược

Hệ thống con lắc ngược là một hệ thống cơ khí đơn giản nhưng có tính tốn phức tạp,

được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển tự động và nghiên cứu. Mục tiêu của hệ

thống con lắc ngược là duy trì vật nặng ở vị trí thắng đứng cân bằng trong khi phản ứng lại
các lực tác động từ môi trường bên ngoài. Hệ thống con lắc ngược đang được nghiên cứu

hiện nay gồm một số loại như sau: con lắc ngược đơn, con lắc ngược quay, hệ xe con lắc

ngược, con lắc ngược 2, 3 bậc tự do,.... Hệ thống con lắc ngược có ba thành phần chính:

Phần cơ khí của hệ thống bao gồm một thanh con lắc kim loại quay quanh một trục

thẳng đứng. Thanh con lắc được gắn vào một xe con lắc thơng qua mét encoder dé do góc.

Trên xe con lắc cũng có một encoder khác để xác định vị trí đi chuyển của xe.
Phần điện tử của hệ thống bao gồm cảm biến đo vị trí của xe và góc con lắc, mạch

khuếch đại công suất và mạch điều khiển trung tâm. Tín hiệu tir encoder được truyền về

bộ điều khiển, dựa trên tín hiệu đọc từ các encoder, bộ điều khiển được lập trình để xuất

tín hiệu điều khiển động cơ DC thông qua mạch khuếch đại công suất.
Chương trình điều khiển hệ con lắc ngược được viết trên IDE. Tốc độ điều khiển của

hệ thống phụ thuộc vào tốc độ xử lí và tần số lấy mẫu của bộ điều khiến trung tâm.

Hình 1. Mơ hình con lắc ngược J5}.

6

Đã có nhiều phương pháp điều khiển cho hệ con lắc ngược được đề xuất. Vào năm
1999, Thuật toán LQR (Linear-quadratic regulator) được sử đụng một cách hiệu quả lần
đầu tiên [1]. Tiếp theo, vào năm 2008, nghiên cứu [2] cũng sử dụng thuật toán LQR để
điều khiển cân bằng hệ thống con lắc ngược. Điều đáng chú ý là thời gian điều khiển cân
bằng trong đề tài này nhanh 10 giây. Cùng vào năm 2008, Đề tài [3] được thực hiện có
khác biệt với các đề tài trước bởi việc sử đụng cơng nghệ xử lí ảnh để điều khiển cân bằng
con lắc ngược. Năm 2013, bộ điều khiển PD mờ cải tiến được sử dụng làm hệ thống con
lắc ngược có thời gian xác lập khoảng 4 giây và độ vọt lỗ là 44% [4].


Hình 2 Mơ hình con lắc ngược dùng xử lí ảnh[ 5}.

2. Mơ hình tốn hệ con lắc ngược

Việc mơ tả các chun động của động lực học con lắc ngược dựa vào định luật của

Newton về chuyên động. Các hệ thống cơ khí có hai trục: chuyên động của xe con lắc ở

trên trục X và chuyên động quay của thanh con lắc trên mặt phẳng XY.

'

x Ising _|

| š 8 m

g 2

l

Hình 3. Mơ hình động lực học hệ con lắc ngược 5}.
Trong đó:
- M: Khối lượng xe (kg).
- _m: Khối lượng con lắc (kg).
- 1: Chiéu đài con lắc (m).

- F: Luc tac dong vao xe (N).

- g: Gia tốc trọng trường (m/s?).


-x: Vị trí xe con lắc (m).
- 9; Góc lệch giữa con lắc và phương thắng đứng (rad).

- -=x

¬ ex

Hình 4. Sơ đỗ lực tác dụng vào hệ con lắc ngược[5J. phương ngang[ 5]:
Phương trình chuyến động từ tổng hợp các lực tác động vào hệ theo
(1.1)
Mx + bx +N=F

Tổng hợp lực của thanh con lắc theo chiều ngang:

mx + mlcosO- ml sinO = N (1.2)

Trong đó:

L sk RUN GA « re atk AK
l= gi chiêu dài từ tâm con lắc tới điểm gôc.

Thay (1.2) vao (1.1):

(M+m) % + bx + mlcosO- ml@ sin0 = F (1.3)

Tổng hợp lực vng góc với thanh con lắc:

PsinØ + Ncos0- mgsinØ = mÌĨ + mlÄcosØ (1.4)


Tổng hợp momen tại trọng tâm để triệt tiêu điều kiện N và P:

-PlsinØ- NcosØ = J0 (1.5)

Thay (1.4) vào (1.5):

(J + ml2)0+ gmlsin60= -mlšcosØ (1.6)

Hệ phương trình mơ tả đặc tính động học phi tuyến của hệ thống con lắc ngược từ

(1.3) và (1.6):

(M+ m)# + b# + mlÖtosØ~ mlÖf' sin9= F (1.7)

(J+ m2 )O+ m lg sinØ= —ml#cosØ (1.8)

Tương đương:

ga bx- mldcos0+ mld sind (1.9)
(1.10)
M+m

0= — mlÖcos0— mlgsin0

J+ ml2

Phương trình toán của hệ con lắc ngược phi tuyến khi thay (1.9), (1.10) vào (1.7) và

(1.8):


ge U+m 12)(F- )(F bx—#— mmLØ mld sisnin6éccooss6)+ )+m m?12 gsignsđiŒndocsosd (1.11)

U+ ml2)(M+ m)— m212cos26

ò= Tnl(b#os0— Fcos0— mld sinđos0 +(M+ m)gsin0 (1.12)

Œ+ m12)(M+ )— rn?12cos?9

Phương trình tốn của hệ con lắc ngược phi tuyến khi bỏ qua khối lượng cần lắc:

đồ = F+ mi(sinØŸ~ 1ngsin®os0 (1.13)

M+n~— rnccos29

a= Fcos0— (M+ m)gsin0+ ml(sindcosOie (1.14)

mlcos2@-(M+ m)l

Phương trình tuyến tính hóa khi giả sử góc Ð có giá trị nhỏ, lúc này sin ~ 0, cos0 =

0, ở x0: (1.15)

‘ _F _mgé

#=nj

ò==P ¡+ M+ 930 (1.16)
ML ML

Chương 2: Thiết kế mơ hình con lắc ngược


Mơ hình hệ thống con lắc ngược gồm các thành phần: xe con lắc được điều khiển tịnh

tiến trên trục có định với cảm biến đặt trên con lắc, tất cả được điều khiển bởi vi điều khiển

đã được lập trình. u cầu điều khiển vị trí và tốc độ xe để giữ cho con lắc cân bằng 0 vi

trí thắng đứng. Trong đó, cảm biến dùng để xác định góc nghiêng của con lắc, từ đó bộ

điều khiển động cơ qua mạch công suất làm cho con lắc ở đúng vị trí cân bằng.

1. Xây dựng mơ hình

Hệ thống con lắc ngược bao gồm:

- Thanh giằng chính có tác dụng cố định toàn bộ cơ cấu trượt loại 20-20mm.

- 2 thanh trượt giúp định hướng đường trượt của xe con lắc loại 8mm.

- Xe con lắc mang con lắc quay tự do vng góc với trục trượt bằng cơ cấu bạc đạn,

con trượt tịnh tiến loại LM§UU và dẫn động thong qua day dai GT2.

Đề giảm rung khi con lắc tiến đến trạng thái cân bằng, đầu kẹp được thiết kế các bộ

phận để tăngkhối lượng. Các bộ phận còn lại được thiết kế và in 3D bằng vật liệu PLA.

Hình 5. Mơ hình thiết kế con lắc ngược.

Bang 1. Thơng số mơ hình con lắc ngược thực.


Mơ tả Giá trị

Khối lượng con lắc 100g

Chiều dài con lắc 20cm

Khối lượng xe con lắc 150g

Hành trình trượt 40cm

Trong hệ thống này sử dụng cơ cấu dẫn động sóng trượt với vai trò quan trọng trong
điều hướng các bộ phận di động. Ngồi việc đảm bảo tính di động cho các bộ phận máy,

sóng trượt cịn có vai trị truyền lực.

10

Sóng trượt cần đảm bảo các yêu cầu như độ phăng cho phép trong khoảng 0,02 - 0,03
mm/m, độ bóng bề mặt từ cấp 6 đến cấp 8. Độ hở giữa sóng trượt và các chỉ tiết lắp vào nó
được kiểm tra bằng sơn và đo đạc với độ dày 0,04 mm. Ngoài ra Bé mặt sóng trượt cần có
khả năng chịu mài mịn cao, đặc biệt đối với máy chính xác, mức mài mòn khoảng 0,004 -
0,008 mm/năm.

Vật liệu sử dụng để chế tạo sóng trượt có tác động lớn đến tuổi thọ của nó. Với điều
kiện làm việc chủ yếu là chịu mải mòn, có thể sử dụng nhơm và các chất dẻo để tạo sóng
trượt ngắn. Tuy nhiên, nhược điểm của nhơm và chất đẻo là hệ số dẫn nhiệt thấp, dẫn đến
tăng nhiệt độ trong quả trình ma sát, gây nguy cơ gãy sóng trượt.

Để đáp ứng các yêu cầu và ứng dụng khác nhau, có nhiều cấu trúc sóng trượt khác

nhau được sử đụng. Các hình dạng sóng trượt bao gồm: sóng trượt thắng (hình chữ nhật),
sóng trượt lăn trụ (hình tam giác), sóng trượt hình chữ V, sóng trượt đi én, sóng trượt
hình trụ. Trong mơ hình này do u cầu tải trọng không cao và lực tác động theo 1 hướng,
để đạt độ chính xác cao nhất, chọn loại sóng trượt trịn kép.

s } s L4‡ 4 xy

Hinh 6. Mé hinh dan d6ng song trwot tron[6]

Bộ truyền động dây đai được lựa chọn cho hệ con lắc ngược với một 86 ly do quan

trọng. Đầu tiên, tính linh hoạt của bộ truyền động dây đai cho phép điều chỉnh độ dài dé

dàng và linh hoạt, giúp tinh chỉnh thời gian dao động mong muốn cho hệ con lắc. Bên cạnh
đó, với trọng lượng nhẹ và cấu trúc đơn giản, dây đai làm từ vật liệu nhẹ như cao su gia
cường hoặc sợi composite, giúp giảm trọng lượng tổng thể của hệ con lắc. Điều này giúp
hệ con lắc di chuyển một cách nhẹ nhàng và đễ dàng hơn.

Ngoài ra, bộ truyền động dây đai tạo ra ít tiếng ồn trong quá trình hoạt động, đảm bảo
sự yên tĩnh và ổn định trong hệ con lắc. Điều này là rất quan trong dé đạt được sự dao động
chính xác và đáng tin cậy. Bên cạnh đó, việc bảo trì bộ truyền động dây đai cũng rất đơn
giản, vi dé dang thay thế đây đai khi cần thiết mà không u cầu quy trình gia cơng phức
tạp. Khơng chỉ có những ưu điểm kỹ thuật, bộ truyền động dây đai cũng có chỉ phí thấp
hơn so với các loại truyền động khác như truyền động trục vít hoặc hệ thống khớp nối. Với
vật liệu đơn giản và quy trình sản xuất tiện lợi, việc mua sắm và bảo trì bộ truyền động dây
đai trở nên hợp lý và tiết kiệm chỉ phí.

11

Hình 7. Mơ hình bộ truyền động dây đai [7].


2. Tính tốn động lực

Việc mơ tả các chuyên động của động lực học con lắc ngược dựa vào định luật của

Newton về chuyên động. Các hệ thống cơ khí có hai trục: chuyển động của xe con lắc ở

trên trục X và chuyên động quay của thanh con lắc trên mặt phẳng XY. Lực tác động chính

được tổng hợp từ lực hướng : trục F và lực hướng kính F;.

x Ising _|

8 m

| 8gz F 1
l

Hình 8. Mơ hình động lực học hệ con lắc nguoc[5].

Trong do:

- M: Khéi lượng xe (kg).

- m: Khối lượng con lắc (kg).

- l; Chiều đài con lắc (m).

- F: Lực tác động vào xe (N).


- g: Gia tốc trọng trường (m/s?).

- x: Vị trí xe con lắc (m).

- 8: Góc lệch giữa con lắc và phương thắng đứng (rad).

- F¡: Thành phần lực cắt theo phương chạy của xe.

Tốc độ trượt:
—— D4
v= Tm(Xsyguzp ˆ`U 2.1)

Ta có:

12

K, = KyvKyv Kuv (2.2)

Với: Kuy = Cy (@)" (23)

Trong đó:

- Cụ =1

- Ny = 0,9
- op = 0,2 Mpa
Suy ra: Kyy =2

Ta lai co: Kyy = 1; Kyy =3


Suy ra K, = KyyKyyKuv = 6 (2.4)

Thay tất cả vào công thức (2.1):

_ Tm‡x@sœyDp——gzZP K =30 cm/s (2.5)

Lực kéo:

Py DdnWw _ 10CptX*cS7Z pt+t B1Z Kup (2.6)
Khi đó:

P, s DInWw _ 10CptSZRMZ Kup = 0,27Kg (2.7)

Công suât kéo trên cơ sở P, và V đã xác định từ trước, cơng st kéo N,„:

© vzV __g aw (2.8)

612.104.9,81

Kết cấu dẫn động.

Đông cơ )

Hình 9. Kết cấu dẫn động hệ con lắc Hgược.

1. Động cơ dẫn động. 2. Nói trục. 3. Bộ truyền động dây đai.

Khi động cơ quay thông qua nối trục sẽ làm quay bộ truyền dây đai, biến chuyển động

quay của trục động cơ thành chuyển động tịnh tiến dẫn đến cụm trục xe con lắc chuyển


động tịnh tiễn theo.

Chọn loại động cơ truyền động là động cơ một chiều DC do những đặc điểm:

- Điện áp nhỏ.

- Momen lớn.

- Đa dạng lựa chọn về cơng suất, kích thước.

Động cơ truyền động có cơng suất được tính theo lực kéo Q:

O = KP, + u(Py + 2P, + G) (2.9)

13

Trong do:

- K= hệ số tăng lực do P, tạo ra.

- n= 0,2 hệ số ma sát thu gọn trên sống trượt.

-G= Khối lượng các bộ phận chuyên động.

- P,, Py, P, khong tỉ lệ thuận và phụ thuộc vào kiểu máy, đối với hệ con lắc ngược,

khơng có tỉ số P, và P,.

Lực chạy xe trượt:


Ó =KP, + 1G =20N (2.10)

Công suất động cơ theo với hiệu xuất rị = Tựa Tum (2.11)

Nac xy == _T91H _ 2,97 W (2.12)

Theo yêu cầu, chọn động cơ GA25-370 có thơng số:
Bảng 2. Thông số động cơ GA25-370ƒ8J

Mô tả Thông số

Điện áp 12V

Công suất 13,5W

Dòng định mức 0,06A

Dòng cực đại 0,3A

Tốc độ không tải 1360 RPM

Tốc độ định mức 1000 RPM

Mô men định mức 0,1 Nm

Mô men cực đại 0,4 Nm

T¡ số hộp số 1:4


115

3. Mạch Hinh 10. Thong s6 kf thudt dong co GA25-370{8].
Mạch
công suất
động cơ DC cầu H là một mạch cơng suất cơ bản và có nhiều ứng dụng trong điều khiển
cho các đối và động cơ bước 2 cặp cực. Có nhiều biến thể của mạch cầu H được sử dụng
tượng khác nhau. Sự khác biệt giữa các biến thể mạch cầu H nằm ở khả năng
điều khiển.
Điều kiện như dịng điều khiển lớn hoặc nhỏ, có khả năng điều chỉnh tốc độ,

14

và tần số xung PWM có ảnh hưởng quan trọng đến việc lựa chọn linh kiện cho mạch cầu

H.

Đối với động cơ DC với hai đầu A và B, được kết nối với nguồn điện DC thông qua
hai đầu dây. khi nối đầu A với cực (+) và đầu B với cực (-), động cơ sẽ quay và khi đảo
ngược cực dây, động cơ sẽ đảo chiều quay.

Với mục đích kiểm sốt, u cầu thực hiện việc "đảo chiều dây" bằng cách tự động.
Vì vậy cần có mạch điện có khả năng thực hiện tự động việc đảo chiều này. Mạch cầu H
(H-Bridge Circuit) ra đời để giúp ta thực hiện điều đó. Mạch cầu H là một mạch điện đơn
giản giúp đảo chiều dòng điện đi qua một đối tượng. Lý do mạch này được gọi là mạch cầu
H là vì hình dạng của nó tương tự chữ H. Hình dưới đây minh họa cách thức hoạt động của

mạch cầu H.

S4


Hình II. Sơ đồ mạch câuJ9J.
Các phần tử chuyên mạch (S1..S4) thường được thực hiện bằng bóng bán dan hai cực

hoặc FET trong nhiều ứng dụng, và trong một số trường hợp sử đụng IGBT cho điện áp
cao. Mặc dù cũng có các giải pháp tích hợp có sẵn, việc tích hợp các phần tử chuyền mạch

với mạch điều khiển không liên quan đến phần lớn cuộc thảo luận này. Các diode (S1..S4)

được gọi là diode bắt và thường là loại Schottky.
Đầu trên của cầu được kết nối với nguồn điện (ví đụ như pin) và đầu dưới được nồi

đất. Nói chung, cả bốn phần tử chuyển đổi có thể được bật và tắt độc lập, mặc dù có một
số hạn chế rõ ràng.

Mặc dù trong lý thuyết, tải có thể là bất cứ thứ gì, cho đến nay, ứng dụng phô biến
nhất của cầu H là điều khiến động cơ DC bằng các bước hoặc lưỡng cực (mỗi động cơ yêu
cầu hai cầu H).

15

Hình 12. Hai trạng thai cia mach cau[9]

Cách hoạt động cơ bản của mạch cầu H là một quá trình đơn giản. Khi DI và D4

được kích hoạt, một dịng điện được đưa vào dây dẫn bên trái của động cơ, trong khi dây

dẫn bên phải được kết nối với mặt đất. Điều này cho phép dòng điện chảy qua động cơ,

cung cấp năng lượng cho nó với một hướng quay tương ứng (giả sử hướng trước), và trục


động cơ bắt đầu quay theo chiều đó. Tương tự, khi D2 và D3 được kích hoạt, quá trình

ngược lại xảy ra: động cơ nhận năng lượng theo hướng ngược lại và trục quay ngược chiêu.

Tuy nhiên, trong mạch cầu H, khơng nên bao giờ kích hoạt cùng một lúc cả DI và

D2 (hoặc D3 và D4). Nếu điều này xảy ra, sẽ tạo ra một đường dẫn điện trở rất thấp giữa

nguồn cung cấp và mặt đất, gây ngắn mạch hiệu quả nguồn năng lượng. Hiện tượng này

được gọi là "bắn xuyên qua" và nhanh chóng gây hủy hoại mạch cầu hoặc các thành phần

khác trong mạch.

Do đó, để tránh tình huống này, cần đảm bảo rằng chỉ một trong hai cặp phần tử

chuyên mạch (DI và D4 hoặc D2 và D3) được kích hoạt cùng một lúc trong mach cầu H.

Do hạn chế này từ bốn trạng thái có thể, các cơng tắc bên A có thể chỉ có ba ý nghĩa:

Bảng 3. Trạng thái mạch cầu bên A.

DI D2

Mở Mở

Đóng Mở

Mở Đóng


Tương tự với bên B.

Bảng 4. Trạng thái mạch cầu bên B.

D3 D4

Mở Mở

Đóng Mở

Mở Đóng

16

Từ các trạng thái riêng lẻ của bên A và B, tô hợp thành trạng thái chung của toàn

mạch.

Bảng 5. Trạng thải mạch cẩu.

Ql Q2 Q3 Q4

Dong Mo Mo Mo

Dong Mo Mo Dong

Dong Mo Dong Mo

Mo Dong Mo Mo


Mo Dong Mo Dong

Mo Dong Dong Mo

Mo Mo Mo Mo

Mo Mo Mo Dong

Mo Mo Dong Mo

Trong mơ hình động cơ đơn giản này, các yêu tô cơ học không được xem xét. Theo

phương diện điện, động cơ cơ bản chứa một số cuộn cảm đi chuyên trong một từ trường.

Mỗi cuộn cảm bản thân cũng có một giá trị cuộn cảm và một số điện trở. Chuyển động của

các cuộn cảm trong từ trường tạo ra một điện áp, được gọi là điện áp máy phát và được ký

hiệu 1a V,, trén cdc cuộn cảm. Từ mơ tả này, ta có thé suy ra mơ hình sau:

Hình 13. Mơ hình điện động cơ.

Trong thực tẾ, trong nhiều trường hợp, điện trở trong của cuộn cảm có thể bị bỏ qua,

và một mơ hình thậm chí đơn giản hơn, một cuộn cảm lý tưởng nói tiếp với nguồn điện áp

có thể được sử đụng.

lạ - Vụ cùng một dòng


Hình 14. Mơ hình điện dong co don gian. cơ, nghĩa là tốc
nam châm điện
Trong cả hai trường hợp, tất cả các phần tử trong chuỗi đều chia sẻ

điện, nhưng điện áp trên chúng sẽ khác nhau.
Điện áp của máy phát (W„) chỉ phụ thuộc vào tốc độ quay của động

độ mà cuộn cảm di chuyền trong một trường từ.

Lực (hoặc mô-men xoắn trong hệ thống quay, như động cơ DC) của
- cuộn cảm - tác động tỷ lệ với dòng điện chạy qua chúng.

17

Mơ hình trên là mô tả hệ thống ở chế độ hoạt động tĩnh, tức là khơng có sự thay đôi
nào xảy ra. Tuy nhiên, nếu hoạt động khiển PWM cho các
công tắc. Tín hiệu PWM bao gồm hai đưới tốc độ, động cơ được điều và thời gian "dưới".

| giai đoạn, gồm thời gian "trên"

| tin higu PWM | \

| | |

mở ||| đóng ||| mở | |

Hinh 15. Tin hiéu PWM

Đó là một tín hiệu định kỳ, với tần số khơng đồi. Nội đung thông tin — được sử đụng


dé thay déi các tham số vận hành của mạch cầu H - là tỷ lệ giữa thời gian mở và thời gian

tắt. Các chế độ ổ đĩa khác nhau về cách các công tắc được đặt trong thời gian bật và tắt.

Các trạng thái bao gồm:

Bang 6. Trạng thái mạch cẩu.

QI Q2 Q3 Q4

Đóng Mở Mở Mở

Đóng Mở Mở Đóng

Đóng Mở Đóng Mở

Mở Đóng Mở Mở

Mở Đóng Mở Đóng

Mở Đóng Đóng Mở

Mở Mở Mở Mở

Mở Mở Mở Đóng

Mở Mở Đóng Mở

Về cơ bản nó là một tải cảm ứng. Cuộn cảm có đặc tính khơng thể thay đơi dịng điện


chạy qua chúng ngay lập tức. Vì vậy, bất cứ khi nào mạch cầu thay đơi trạng thái với dong

điện động cơ khác không, trạng thái mới phải đảm bảo rằng dịng điện có thể tiếp tục chảy

theo một cách khác. trong thời gian mở, cuộn cảm động cơ được kết nối giữa nguồn điện

và GND. Do đó, dịng điện sẽ bắt đầu tăng thơng qua các cuộn cảm. Rất khó có khả năng

đến khi thời gian kết thúc và sẵn sàng chuyển mạch cầu sang trạng thái khơng hoạt động,

dịng điện sẽ là 0. Vì vậy, cần chọn trạng thái cho thời gian chờ, có thể cung cấp một đường

dẫn cho dòng điện dẫn chạy qua. Như vậy cần phải đóng một cơng tắc mỗi bên ở hai bên

của động cơ và điều đó sẽ loại bỏ các trạng thái chờ.

Bảng 7. Trạng thái mạch câu.

Ql Q2 Q3 Q4

Dong Mo Mo Dong

18

Dong Mo Dong Mo

Mo Dong Mo Dong

Mo Dong Dong Mo


Két hop bốn lựa chọn đó với hai trạng thái mở sẽ tạo ra tám cấu hình. Tuy nhiên, hai

trong số đó có cả trạng thái mở và trạng thái chờ đều giống nhau, nên chỉ có 6 cầu hình có

ý nghĩa.

Bảng 8. Cấu hình mạch câu.

Cấu hình 1

Trang thai mo Ql Q2 Q3 Q4
Dong Mo Mo Dong

Trang thai cho Dong Mo Dong Mo

Cau hinh 2

Ql Q2 Q3 Q4

Trang thai mo Dong Mo Mo Dong

Trang thai cho Mo Dong Mo Dong
Cau hinh 3

Ql Q2 Q3 Q4

Trang thai mo Dong Mo Mo Dong

Trang thai cho Mo Dong Dong Mo


Cau hinh 4

Ql Q2 Q3 Q4

Trang thai mo Mo Dong Dong Mo

Trang thai cho Dong Mo Mo Dong

Cau hinh 5

Ql Q2 Q3 Q4

Trang thai mo Mo Dong Dong Mo

Trang thai cho Dong Mo Dong Mo

Cau hinh 6

Ql Q2 Q3 Q4

Trang thai mo Mo Dong Dong Mo

Trang thai cho Mo Dong Mo Dong

Trong các cấu hình trên, có một số cấu hình đối xứng, ví dụ cấu hình 3 va 4 thay đơi

cả hai bên. Tuy nhiên, nếu hoán đổi bên A và bên B trong cấu hình 3 sẽ có được cấu hình

4 và ngược lại. Đó là những cấu hình “ổ khóa chống pha”.


Bốn cấu hình khác (1,2, 5 và 6) chỉ thay đổi trạng thái của một bên của mạch cầu. Tuy

nhiên, cấu hình 1 và 5 là các cấu hình đối xứng của nhau theo cách tương tự như 3 và 4.

19