TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

Sinh viên thực hiện:
1/ Lê Hoàng Đăng
MSSV: 1111565
2/ Lê Văn Toán
MSSV: 1117940

Cán bộ hướng dẫn:
PGs.Ts. Nguyễn Chí Ngôn

Cần Thơ, tháng 05 năm 2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

Sinh viên thực hiện:
1/ Lê Hoàng Đăng
MSSV: 1111565

2/ Lê Văn Toán
MSSV: 1117940

Cán bộ hướng dẫn:
PGs.Ts. Nguyễn Chí Ngôn

Ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa K37
Thành viên Hội đồng:
PGs.Ts. Nguyễn Chí Ngôn
Ths. Nguyễn Minh Luân
Ths. Nguyễn Huỳnh Anh Duy
Luận văn được bảo vệ tại:
Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Bộ môn Tự động hóa, Khoa Công Nghệ,
Trường Đại học Cần Thơ vào ngày: 23/05/2015.
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
1. Thư viện Khoa Công Nghệ, Trường Đại Học Cần Thơ
2. Website:


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

i


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................

ii


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

iii


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN
Nhằm góp phần nhỏ vào việc cải tiến của phòng thí nghiệm và có thêm công
cụ hỗ trợ cho các bạn sinh viên. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế mô hình thí
nghiệm điều khiển vị trí” để làm luận văn tốt nghiệp cho mình.
Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức hạn
chế nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết và
thành quả của chúng tôi đạt được dưới sự hướng dẫn của thầy PGs.Ts. Nguyễn Chí
Ngôn.
Chúng tôi xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo
luận văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước
nào. Nếu không đúng sự thật, tôi xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường.
Cần Thơ, ngày 23 tháng 05 năm 2015
Nhóm sinh viên thực hiện

(ký tên và ghi họ tên)

Lê Hoàng Đăng

Lê Văn Toán

iv


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp, chúng tôi đã gặp không ít khó
khăn, thử thách. Tuy nhiên bên cạnh những khó khăn thử thách ấy, chúng tôi đã nhận
được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô, bạn bè và nhất là sự ủng hộ của gia đình để
đề tài của chúng tôi được hoàn thành tốt đẹp.
Trước tiên chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy
PGs.Ts. Nguyễn Chí Ngôn.
Để có kiến thức và kết quả thực tế ngày hôm nay, chúng tôi xin chân thành
cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Công Nghệ trường Đại Học Cần Thơ đã giảng
dạy và trang bị cho chúng tôi những kiến thức cơ bản.
Cuối cùng chúng tôi xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình đã ủng hộ, lo lắng
về vật chất và tinh thần. Xin gởi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên
chúng tôi trong thời gian qua.

v



Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................IV
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................V
MỤC LỤC......................................................................................................VI
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................VIII
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................X
KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ..................................................................................X
TÓM TẮT ......................................................................................................XI
ABSTRACT ...................................................................................................XI
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN........................................................ 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ......................................................................................... 1
1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ ............................................................. 1
1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI ................................................... 2
1.3.1 Mục tiêu đề tài .................................................................................. 2
1.3.2 Phạm vi đề tài ................................................................................... 2
1.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .................................................... 2
1.5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN ......................................................................... 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................. 4
2.1 PHẦN CƠ KHÍ ....................................................................................... 4
2.1.1 Bộ phận phát động ............................................................................ 4
2.1.2 Cơ cấu truyền động ........................................................................... 7
2.2 PHẦN MẠCH ĐIỆN ............................................................................. 14
2.2.1 Các linh kiện điện tử ....................................................................... 14
2.2.2 Tổng quan về mạch điện .................................................................. 28
2.3 PHẦN ĐIỀU KHIỂN ............................................................................. 29
2.3.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID ...................................................... 29

2.3.2 Các phương pháp xác định thông số bộ điều khiển PID ...................... 31
2.4 PHẦN LẬP TRÌNH ............................................................................... 34
2.4.1 Tổng quan về MATLAB R2014b ..................................................... 34
2.4.2 Giới thiệu về Simulink và các Toolboxs trong MATLAB ................... 35
2.4.3 Giao tiếp giữa Arduino và MATLAB Simulink ................................. 35
2.4.4 Điều khiển tốc độ động cơ ............................................................... 38
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................... 42
3.1 PHẦN CƠ KHÍ ..................................................................................... 42
3.1.1 Thiết kế phần cơ khí ........................................................................ 42
3.1.2 Cơ cấu mô hình điều khiển vị trí ....................................................... 42
3.1.3 Mô hình 3D của bộ thí nghiệm điều khiển vị trí ................................. 45
3.2 PHẦN MẠCH ĐIỆN ............................................................................. 45
3.2.1 Mạch điều khiển trung tâm .............................................................. 45
3.2.2 Nguồn cung cấp .............................................................................. 46
3.2.3 Mạch công suất điều khiển động cơ .................................................. 47
3.2.4 Mạch tín hiệu hồi tiếp ...................................................................... 48
3.2.5 Sơ đồ kết nối mạch điện .................................................................. 53
3.3 PHẦN ĐIỀU KHIỂN ............................................................................. 53
3.3.1 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID ........................................... 53
vi


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

3.3.2 Thiết kế chương trình điều khiển vị trí .............................................. 54
3.4 PHẦN THỰC NGHIỆM ........................................................................ 56
3.4.1 Thực nghiệm kiểm tra giải thuật PID trên mô hình ............................. 56
3.4.2 Kết quả thực nghiệm ....................................................................... 57

KẾT LUẬN ................................................................................................... 58
ĐỀ NGHỊ ...................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 60
PHỤ LỤC...................................................................................................... 62

vii


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Động cơ DC [24] ........................................................................................4
Hình 2.2: Cấu tạo motor DC [13]...............................................................................5
Hình 2.3: Momen từ của motor DC [13]....................................................................6
Hình 2.4: Phân loại động cơ điện một chiều theo kích từ [17] ..................................7
Hình 2.5: Dây đai truyền động thực tế [17] ...............................................................7
Hình 2.6: Truyền động đai [8]....................................................................................8
Hình 2.7: Đai dẹt [8] ..................................................................................................9
Hình 2.8: Đai thang [8] ..............................................................................................9
Hình 2.9: Đai tròn [8] .................................................................................................9
Hình 2.10: Đai hình lược [8] ....................................................................................10
Hình 2.11: Đai răng [8] ............................................................................................10
Hình 2.12: Phân loại đai theo truyền động [8] .........................................................10
Hình 2.13: Truyền động bánh răng [17] ..................................................................12
Hình 2.14: Bộ truyền bánh răng [11] .......................................................................13
Hình 2.15: Vi điều khiển Atmega 2560 [21] ...........................................................18
Hình 2.16: Hình ảnh thực tế cảm biến hồng ngoại GP2D12 [22] ............................19
Hình 2.17: Sơ đồ khối bên trong cảm biến hồng ngoại (IR) GP2D12 [22] .............20

Hình 2.18: Sơ đồ chân cảm biến hồng ngoại (IR) GP2D12 [22] .............................20
Hình 2.19: Nguyên lý đo khoảng cách bằng hồng ngoại (IR) [22] ..........................21
Hình 2.20: đồ thị cảm biến hồng ngoại (IR) GP2D12 [22] .....................................21
Hình 2.21: Nguyên lý Time Of Fligh [18] ...............................................................22
Hình 2.22: Mạch cầu H [23] ....................................................................................23
Hình 2.23: Nguyên lý hoạt động mạch cầu H [23] ..................................................24
Hình 2.24. MOSFET [23] ........................................................................................25
Hình 2.25: Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC [23] ...............................26
Hình 2.26: Mạch cầu H dùng MOSFET [5].............................................................27
Hình 2.27: Sơ đồ khối mạch xử lí trung tâm ngõ vào ..............................................28
Hình 2.28: Sơ đồ khối mạch xử lí trung tâm ngõ ra ................................................28
Hình 2.29: Sơ đồ khối mạch công suất điều khiển động cơ ....................................28

viii


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.30: Cấu trúc bộ điều khiển PID [6] ..............................................................30
Hình 2.31: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S [6] .............................................31
Hình 2.32: Đáp ứng nấc của hệ kín [6] ....................................................................32
Hình 2.33: Cài đặt Toolboxs Arduino [20] ..............................................................36
Hình 2.34: Bảng tùy chọn công cụ hỗ trợ MATLAB [20].......................................37
Hình 2.35: Công cụ hỗ trợ phần cứng của Arduino [20] .........................................37
Hình 2.36: Hướng dẫn cài đặt thông số của khối Arduino [20] ...............................38
Hình 2.37: Giản đồ xung PWM [13] ........................................................................38
Hình 2.38: Động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ [17] ..........................................40
Hình 2.39: Động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ [17] .......................................41

Hình 3.1: Khung đỡ 3D của mô hình .......................................................................42
Hình 3.2: Động cơ DC .............................................................................................42
Hình 3.3: Thanh trượt vuông....................................................................................43
Hình 3.4: Dây đai răng .............................................................................................44
Hình 3.5: Puly răng ..................................................................................................44
Hình 3.6: Mô hình 3D của bộ thí nghiệm điều khiển vị trí ......................................45
Hình 3.7: Kit Arduino Mega2560 ............................................................................45
Hình 3.8: Nguồn tổ ông 12V – 5A ...........................................................................46
Hình 3.9: Board HB-300W ......................................................................................47
Hình 3.10: Sơ đồ khối giao tiếp giữa cảm biến và Arduino với máy tính ...............48
Hình 3.11: Biểu đồ cảm biến GP2D12 datasheet (trái) và thực tế (phải) [22] .......49
Hình 3.12: Đồ thị khoảng cách cảm biến GP2D12 từ 10 – 80cm............................50
Hình 3.13: Sơ đồ khảo sát giá trị đo được và giá trị thực tế của cảm biến ..............51
Hình 3.14: Tín hiệu khảo sát được trên cảm biến SRF05 ........................................51
Hình 3.15: Sơ đồ khối mạch điện .............................................................................53
Hình 3.16: Mô hình Simulink điều khiển bộ điều khiển vị trí .................................54
Hình 3.17: Mô hình Position System .......................................................................54
Hình 3.18: Sơ đồ khối DIR ......................................................................................55
Hình 3.19: Sơ đồ khối tín hiệu hồi tiếp ....................................................................55
Hình 3.20: Hình ảnh tổng thể của mô hình thí nghiệm vị trí ...................................56
Hình 3.21: Kết quả đáp ứng mô hình thí nghiệm điều khiển vị trí ..........................57

ix


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Một số thông số kỹ thuật kit Arduino Mega 2560 [19] ...........................16
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật vi điều khiển Atmega2560 [21] .................................18
Bảng 2.3: Phương pháp Zeigler – Nichols thứ nhất [6] ...........................................32
Bảng 2.4: Thông số bộ điều khiển P, PI và PID của hệ kín [6] ...............................33
Bảng 2.5: Tác động của việc tăng một thông số độc lập [6] ...................................33
Bảng 3.1: Giá trị đo từ 10cm đến 80cm ...................................................................49
Bảng 3.2: So sánh kết quả khảo sát của hai loại cảm biến .......................................52
Bảng 3.3: Kết quả thực nghiệm của mô hình điều khiển vị trí ................................57
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật mô hình ......................................................................58

KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
P

Proportional

I

Integral

D

Derivative

CNC

Computer Numerical Control

COM

Center Of Maximum


PC

Personal Computer

ADC

Analog-to-digital converter

PWM

Pulse Width Modulation

I2C

Inter-Integrated Circuit

SPI

Serial Peripheral Interface Bus

UART

Universal Asynchronous Reciever/Transmitter

SDRAM

Synchronous Dynamic Random Access Memory

USB


Universal Serial Bus

x


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

TÓM TẮT
Luận văn này trình bày phương pháp thiết kế, xây dựng mô hình thí nghiệm
điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PID. Xây dựng các module phần cứng và giải
thuật phần mềm phục vụ điều khiển hệ thống trên board mạch Arduino Mega 2560
và công cụ MATLAB/Simulink. Kết quả thực tế cho thấy đáp ứng của hệ thống có
thời gian tăng và thời gian xác lập hợp lý, sai số hệ thống nhỏ. Ngoài ra, bộ điều khiển
còn đáp ứng được yêu cầu về thời gian thực và sự ổn định trước tác động của nhiễu
vào hệ thống.
Từ khóa: Bộ điều khiển PID, MATLAB, Simulink, Arduino.

ABSTRACT
This thesis presents design methodology, building an experiment model to
controlling use position PID controller. Construction of the module hardware and
software algorithms serve and control system on board Arduino Mega2560 and
MATLAB / Simulink tool. Actually, results show that the response of the system had
time increases and established reasonable time, small systematic errors. In addition,
the controller also responds the requirements of real-time and stability to the effects
of noise in the system.
Keywords: PID controller, MATLAB, Simulink, Arduino.


xi


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Phương pháp điều khiển vị trí được sử dụng rộng rãi trong đời sống nhất là
trong các lĩnh vực kỹ thuật. Chúng ta có thể bắt gặp phương pháp này trong rất nhiều
các máy công cụ chính xác như: máy phay, máy tiện CNC, các máy cắt lazer [15]. Vì
vậy việc nghiên cứu và xây dựng bộ thí nghiệm điều khiển vị trí rất phát triển và được
bán trên thị trường khá nhiều. Nhưng giá thành còn rất cao, một trong số đó là bộ
điều khiển vị trí (RT060) của hãng Gunt – Hamburg (Đức) được bán trên thị trường
với giá 30,000 Euro [1].
Phòng thực tập điều khiển quá trình, trường Đại học Cần Thơ được trang bị
các hệ thống điều khiển hiện đại của hãng Gunt – Hamburg (Đức) với các bộ điều
khiển như điều khiển mực chất lỏng, điều khiển lưu lượng, điều khiển áp suất, điều
khiển nhiệt độ. Tuy vậy, mô hình để sinh viên thực tập và nghiên cứu còn hạn chế,
một trong đó là bộ điều khiển vị trí.
Từ những thực tế và hạn chế được nêu trên chúng tôi quyết định bắt tay vào
nghiên cứu và thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình thí nghiệm điều khiển vị trí” sử
dụng kit Arduino và công cụ MATLAB/Simulink với giá thành khoảng 250 Euro
để phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu.
1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Điều khiển vị trí được ứng dụng khá nhiều trong công nghiệp hiện đại nói
chung và dây chuyền tự động nói riêng. Vì vậy, việc điều khiển vị trí đã được nghiên
cứu và thực hiện khá nhiều.
Hãng Gunt – Hamburg (Đức) đã thiết kế bộ điều khiển vị trí (RT060) trên nền

giải thuật PID nhằm phục vụ quá trình nghiên cứu và học tập ở một số trường Đại
học [1]
Trong nước, các đề tài về điều khiển vị trí cũng đưa vào nghiên cứu và đạt
được kết quả khách quan. Trong đó có đề tài: Điều khiển vị trí với bộ điều khiển trượt
– PID [16].

1


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

Ở cấp độ nhà trường, đề tài “Điều khiển thời gian thực con lắc ngược sử dụng
thuật toán PD mờ” [17], đã đạt thành công trong việc điều khiển góc lệch con lắc và
vị trí của xe. Tuy nhiên, giải thuật điều khiển khá phức tạp và tín hiệu hồi tiếp về là
encoder.
Để có thêm nhiều giải pháp điều khiển và giải thuật điều khiển đơn giản hơn
nên chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình thí nghiệm điều khiển vị
trí“ bằng thuật toán PID và tín hiệu hồi tiếp là cảm biến khoảng cách.
1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
1.3.1 Mục tiêu đề tài
 Thiết kế mô hình cơ khí vững chắc, chính xác nhằm hạn chế sai số xảy ra khi
vận hành hệ thống.
 Giao tiếp giữa công cụ MATLAB/Simulink với Arduino qua cổng USB.
 Xây dựng chương trình điều khiển thời gian thực trên Simulink để áp dụng
giải thuật với mô hình thực tế.
 Đáp ứng của tín hiệu khảo sát đạt các tiêu chuẩn chất lượng hệ thống điều
khiển.
 Sai số của hệ thống < 2%.

 Thiết kế mô hình với chi phí thấp nhất.
1.3.2 Phạm vi đề tài
Mô hình thí nghiệm điều khiển vị trí được thiết kế có thể áp dụng nhiều bộ
điều khiển thông minh khác nhau như: bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ, bộ điều
khiển PD mờ... Tuy nhiên trong đề tài này, chúng tôi chỉ trình bày phương pháp thiết
kế sử dụng bộ điều khiển PID để kiểm chứng khả năng hoạt động của hệ thống.
1.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Bước 1: Tham khảo tài liệu các hệ thống điều khiển hiện đại của hãng Gunt –
Hamburg (Đức) như: điều khiển mực chất lỏng (RT010), điều khiển lưu lượng
(RT020), điều khiển áp suất (RT030), điều khiển nhiệt độ (RT040) và đặc biệt là bộ
điều khiển vị trí (RT060).
Bước 2: Đưa ra giải pháp và chọn hướng giải quyết tối ưu nhất.
Bước 3: Thiết kế phần cơ khí cho mô hình.

2


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

Bước 4: Thiết kế phần khung và hộp cho mô hình.
Bước 5: Lắp đặt motor cảm biến vị trí và cơ cấu chuyển động.
Bước 6: Lắp đặt và kết nối hệ thống mạch điện (mạch điều khiển trung tâm,
mạch công suất động cơ, mạch nguồn).
Bước 7: Thiết kế chương trình điều khiển thời gian thực trên Simulink.
Bước 8: Thực nghiệm kiểm tra giải thuật điều khiển PID trên mô hình.
1.5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về luận văn.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trình bày tóm tắt lý thuyết liên quan đến các vấn

đề đặt ra trong đề tài.
Chương 3: Nội dung và kết quả nghiên cứu. Trình bày những nội dung và kết
quả mà nhóm đã nghiên cứu thực hiện được trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

3


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 PHẦN CƠ KHÍ
2.1.1 Bộ phận phát động
Tổng quan về động cơ DC (động cơ điện một chiều)
Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi, song điện
một chiều vẫn tồn tại và phát triển.
Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở nơi có yêu cầu
momen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng.
Trong các thiết bi tự động hiện đại các cơ cấu chấp hành động cơ điện một
chiều vẫn được sử dụng.

Hình 2.1: Động cơ DC [24]
 Ưu điểm:
-

Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng.

-


Tốc độ điều chỉnh vận tốc tốt.

-

Công suất của phía kích từ động cơ kích từ độc lập nhỏ hơn công suất của
phần ứng động cơ.

 Nhược điểm:
-

Cần nguồn một chiều.

-

Dễ sinh tia lửa điện.

-

Giá thành cao.

4


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động động cơ một chiều
 Cấu tạo


Hình 2.2: Cấu tạo motor DC [13]
Sơ đồ nguyên tắc của motor DC được vẽ trong hình 2.2. Cấu tạo cơ bản của
motor DC gồm 3 phần chính: stator, rotor và cổ góp[13]
• Stator: còn gọi là phần cảm hay phần tĩnh (phần N-S trong hình 2.2); là 1
nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu. đối với motor có công suất nhỏ thì phần
này thường là nam châm vĩnh cửu.
• Rotor: còn gọi là phần ứng hay phần động (phần vòng dây trong hình 2.2).
Phần này là các vòng dây quấn quanh lõi thép hình trụ.
• Cổ góp và chổi điện: cổ góp là các phiến góp bằng đồng ghép cách điện.
Chổi điện (hay chổi than) làm bằng than graphit tì chặt vào cổ góp nhờ vào lo xo.
Phần này được gắn vào đầu trục rotor, có tác dụng là bộ phận giao tiếp để cấp nguồn
DC từ bên ngoài vào motor.
 Nguyên lí hoạt động:
Khi dòng điện DC chạy qua cuộn dây, lực từ tác dụng lên cuộn dây làm quay
rotor. Để thay đổi chiều quay, ta phải đảo chiều dòng điện cấp vào motor. Chiều của
lực từ tác dụng lên rotor được xác định theo qui tắc bàn tay trái và có độ lớn được
tính theo công thức sau: [13]
F = L.I.B

( 2.1)

Trong đó:
L: chiều dài của dây quấn, do bằng m.

5


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp


I: dòng điện chạy trong dây dẫn rotor, đo bằng A.
B: Từ cảm, đo bằng T (Tesla).
Momen từ của motor DC có độ lớn được tính theo công thức sau: [13]
M = Lực tác dụng . Cánh tay đòn

(2.2)

W
sin( B. F )
2

(2.3)

= 2.F.

= I.B.L.W. sin( B. F )

(2.4)

= I.B.a.sin(θ)

(2.5)

Trong đó:
W: chiều rộng của cuộn dây quấn (m)
A: Tiết diện của cuộn dây (m2)
B: Từ cảm, đo bằng T (Tesla)
I: Dòng điện chạy qua cuộn dây (A)
θ: Là góc hợp bởi lực từ F và từ cảm B


Hình 2.3: Momen từ của motor DC [13]
Nhìn vào công thức tính M, ta thấy: để điều chỉnh Momen quay (cũng là điều
chỉnh tốc độ quay của motor), ta có thể thay đổi các thông số sau:
• Thay đổi tử cảm B bằng cách thay đổi dòng điện kích từ. Tuy nhiên, cách
này chỉ áp dụng được trong trường hợp Stato là nam châm điện.
• Hai là điều chỉnh dòng điện cấp vào motor. Có hai cách để thực hiện:

6


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch rotor. Khi thêm điện trở vào mạch, tốc độ
giảm. Tuy nhiên, với cách làm này, công suất tổn hao trên điện trở điều chỉnh là rất
lớn nên chỉ áp dụng được đối với motor công suất nhỏ.
Dùng nguồn điện một chiều điều chỉnh được để cung cấp điện cho motor, gọi
là kỹ thuật điều khiển độ rộng xung, hay biến điệu độ rộng xung (PWM) [13].
Phân loại
Dựa vào phương pháp kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các
loại sau:
• Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (Hình 2.4a).
• Động cơ điện một chiều kích từ song song (Hình 2.4b).
• Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (Hình 2.4c).
• Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp (Hình 2.4d).

Hình 2.4: Phân loại động cơ điện một chiều theo kích từ [17]
2.1.2 Cơ cấu truyền động

Truyền động đai

Hình 2.5: Dây đai truyền động thực tế [17]

7


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

2.1.2.1.1 Tổng quan về truyền động đai
Bộ truyền đai (Hình 2.5, Hình 2.6) hoạt động theo nguyên lý ma sát: công suất
từ bánh chủ động truyền cho bánh bị động nhờ vào ma sát sinh ra giữa dây đai và
bánh đai.

Hình 2.6: Truyền động đai [8]
Ma sát sinh ra giữa hai bề mặt xác định theo công thức:[8]
F ms = f.N

(2.6)

Như vậy, để có lực ma sát thì cần thiết phải có áp lực pháp tuyến. Trong bộ
truyền đai, để tạo lực pháp tuyến thì phải tạo lực căng đai ban đầu.
 Ưu điểm:
 Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau (<15m).
 Làm việc êm, không gây ồn nhờ vào độ dẻo của đai nên có thể truyền động
với vận tốc lớn.
 Nhờ vào tính chất đàn hồi của đai nên tránh được dao động sinh ra do tải
trọng thay đổi tác dụng lên cơ cấu.

 Nhờ vào sự trượt trơn của đai nên đề phòng sự quá tải xảy ra trên động cơ.
 Kết cấu và vận hành đơn giản.
 Nhược điểm:
 Kích thước bộ truyền đai lớn so với các bộ truyền khác: xích, bánh răng.
 Tỉ số truyền thay đổi do hiện tượng trượt trơn giữa đai và bánh đai (ngoại
trừ đai răng).
 Tải trọng tác dụng lên trục và ổ lớn (thường gấp 2-3 lần so với bộ truyền
bánh răng) do phải có lực căng đai ban đầu (tạo áp lực pháp tuyến lên đai
để tạo lực ma sát).

8


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

 Tuổi thọ của bộ truyền đai thấp.
 Phạm vi sử dụng:
Hiện nay, bộ truyền đai thang được sử dụng rộng rãi, đai dẹt ngày càng ít sử
dụng. Khuynh hướng dùng bộ truyền đai răng ngày càng phổ biến vì tận dụng được
ưu điểm của bộ truyền bánh răng và bộ truyền đai.
2.1.2.1.2 Phân loại bộ truyền đai
 Theo hình dáng tiết diện đai:
• Đai dẹt: có tiết diện ngang hình chữ nhật, chiều rộng , chiều dày (Hình 2.7).

Hình 2.7: Đai dẹt [8]
• Đai thang: có tiết diện ngang hình thang cân (Hình 2.8).

Hình 2.8: Đai thang [8]

• Đai tròn: có tiết diện hình tròn, chỉ sử dụng trong các máy công suất nhỏ (Hình
2.9).

Hình 2.9: Đai tròn [8]
• Đai hình lược: là trường hợp đặc biệt của bộ truyền đai thang. Các đai được
làm liền nhau như răng lược (Hình 2.10).

9


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.10: Đai hình lược [8]
• Đai răng: là một dạng biến thể của bộ truyền đai. Dây đai có hình dạng gần
giống như thanh răng, bánh đai có răng gần giống như bánh răng (Hình 2.11).

Hình 2.11: Đai răng [8]
 Theo cách bố trí truyền động:

Hình 2.12: Phân loại đai theo truyền động [8]
• Đai bắt thẳng (Hình 2.12a).
• Đai bắt chéo (Hình 2.12b).
• Đai bắt nửa chéo (Hình 2.12c).
• Đai bắt gãy góc (Hình 2.12d).
2.1.2.1.3 Các dạng hư hỏng của bộ truyền đai
Đứt đai do mỏi: khi đai quay một vòng, ứng suất kéo thay đổi một chu kỳ, ứng
suất uốn trong đai thay đổi theo hai chu kỳ. Ứng suất thay đổi theo chu kỳ là nguyên
nhân gây nên hỏng hóc đai do mỏi.


10


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

Nóng do ma sát: do ma sát giữa dây đai và bánh đai và ma sát trong dây đai
nên khi làm việc dây đai bị nóng lên.
Hiện tượng trượt trơn: khi góc trượt bằng góc ôm đai thì bắt đấu xảy ra hiện
tượng trượt trơn.
2.1.2.1.4 Hiện tượng trượt của bộ truyền đai
 Trượt trơn:
• Xảy ra khi bộ truyền bị quá tải tức là lực ma sát giữa đai và bánh đai nhỏ
không đủ truyền lực kéo, làm cho đai bị trượt trên bánh đai.
• Nguyên nhân chủ yếu sinh ra trượt trơn:
 Lực căng ban đầu nhỏ chưa đủ tạo lực ma sát để truyền động.
 Bộ truyền thường xuyên làm việc quá công suất tính toán, lực cản tăng đột
ngột trong quá trình truyền động.
• Biện pháp khắc phục trượt trơn:
 Tăng lực căng ban đầu S o , nhưng không được tăng lớn quá làm đai nhanh
mòn, chóng rão. Thường tăng S o sao cho σ 0 < 2 N/mm2.
 Tăng góc ôm trên bánh đai nhỏ (α1) là biện pháp tốt nhất. Có nhiều cách
tăng góc ôm trên bánh đai nhỏ : tăng khoảng cách hai tâm; giảm tỉ số
truyền; nếu bộ truyền có hai trục song song, hai bánh đai quay cùng chiều
bố trí nhánh căng ở dưới, nhánh chùng ở trên; nếu bộ truyền có hai trục
song song, hai bánh đai quay ngược chiều dùng đai bắt chéo; bộ truyền có
khoảng cách hai tâm nhỏ, tỉ số truyền cao dùng bánh xe căng đai.
 Trượt đàn hồi:

• Trượt đàn hồi bao giờ cũng xảy ra khi đai chịu tải, vì vậy hiện tượng này
không thể tránh được trong bộ truyền đai. Nguyên nhân sinh ra hiện tượng trượt đàn
hồi là do đai truyền động, lực căng trên các nhánh đai khác nhau.
• Ta xét một đoạn đai truyền động qua bánh chủ động, đoạn ở nhánh căng có
độ dài là Δl 1 ; khi đai chuyển sang nhánh chùng độ dài chỉ còn là Δl 2 ( vì dọc theo
đoạn đai ôm trên bánh dẫn, lực căng S 1 giảm dần đến S 2 ). [8]
• Vậy khi đai chuyển từ nhánh căng sang nhánh chùng đoạn đai trên đã co dần
một đoạn Δl = Δl 1 – Δl 2 dẫn tới hiện tượng đai trượt đàn hồi trên bánh đai.

11


Khoa Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

• Khi đai trượt trên bánh đai làm vận tốc của đai chậm hơn của bánh chủ động.
Nếu xét đoạn đai truyền động qua bánh bị động thì dọc theo đoạn đai ôm trên bánh
bị động, đai dãn dần (lực căng S 2 tăng dần đến S 2 ) dẫn tới hiện tượng trượt đàn hồi
giữa đai và bánh bị động làm cho vận tốc của bánh bị động nhỏ hơn vận tốc đai.
• Do có hiện tượng trượt đàn hồi nên tỉ số truyền của đai không ổn định: [8]
T=

d2
d1 (1   )

(2.7)

với ε: hệ số trượt đàn hồi; thường ε = 0,01 ÷ 0,02.
Truyền động bánh răng

Truyền động bánh răng

Hình 2.13: Truyền động bánh răng [17]
Truyền động bánh răng (Hình 2.13) gồm bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn.
Bộ truyền bánh răng làm việc theo nguyên lý ăn khớp, truyền chuyển động và công
suất nhờ sự ăn khớp giữa các răng trên hai bánh răng.
 Ưu điểm:
 Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn.
 Tỉ số truyền không đổi.
 Hiệu suất cao, tuổi thọ cao.
 Có thể làm việc với vận tốc lớn, công suất lớn.
 Đảm bảo độ chính xác chuyển động vì không có sự trượt.
 Nhược điểm:
 Chế tạo phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao.
 Gây ồn khi làm việc ở vận tốc cao.
12