BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
------

BÀI TẬP LỚN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
CHỦ ĐỀ: THIẾT KẾ CON LẮC NGƢỢC 1 BẬC TỰ DO
KIỂU TỊNH TIẾN

Giảng viên hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Văn Trƣờng

Sinh viên thực hiện

: 1. Nguyễn Văn Hà - 2018604897
2. Trịnh Văn Hiệp – 2018604648
3. Đào Xuân Hảo – 2018604613

Lớp

:ĐH CƠ ĐIỆN TỬ 2 – K13

Hà Nội: 2021


Mục lục
Mục lục.......................................................................................................................2
Danh mục hình ảnh ....................................................................................................3
Danh mục bảng biểu ..................................................................................................4
LỜI NĨI ĐẦU ...........................................................................................................7

Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế ...................................................................8
1.1. Nhu cầu thị trường ..........................................................................................8
1.2. Nhu cầu thực tế ...............................................................................................8
1.3. Giới thiệu mơ hình hệ thống con lắc ngược....................................................9
1.4. Tổng quan nghiên cứu ..................................................................................13
1.4.1.

Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................13

1.4.2.

Tình hình nghiên cứu ngồi nước ......................................................14

1.5. Mục tiêu ........................................................................................................15
1.6. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu .........................................15
Nội dung 2: Thiết kế sơ bộ.......................................................................................18
2.1. Xác định các vấn đề cơ bản ..........................................................................18
2.2. Thiết lập cấu trúc chức năng .........................................................................19
2.3. Phát triển cấu trúc làm việc...........................................................................21
2.4. Lựa chọn cấu trúc làm việc ...........................................................................23
Nội dung 3: Thiết kế cụ thể......................................................................................24
3.1. Xây dựng mơ hình con lắc ngược .................................................................24
3.1.1.

Phần điện ............................................................................................27

3.1.2.

Phần cơng suất ...................................................................................28


3.2. Tích hợp hệ thống .........................................................................................31
3.3. Phác thảo sản phẩm.......................................................................................33
Kết quả đề tài đạt được ........................................................................................34
Tài liệu tham khảo................................................................................................34

2


Danh mục hình ảnh
Hình 1.1: Con lắc ngược tịnh tiến ............................................................................11
Hình 1.2: Một số hình ảnh phần cứng của con lắc ngược .......................................11
Hình 1.3:Hình ảnh cơ khí của con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu tịnh tiến .................12
Hình 1.4: Xe con lắc ngược .....................................................................................12
Hình 1.5:Mơ hình thực nghiệm cân bằng con lắc ngược dùng bộ điều khiển cuốn
chiếu. ........................................................................................................................14
Hình 1.6: Mơ hình cân bằng con lắc ngược dùng bộ điều khiển LQR. .................14
Hình 1.7: Mơ hình cân bằng con lắc ngược dùng xử lí ảnh.....................................15
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................20
Hình 3.1: Mơ hình thực tế con lắc ngược ................................................................24
Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế mơ hình hệ con lắc ngược.................................................25
Hình 3.4. Khung cơ khí hệ con lắc ngược ...............................................................26
Hình 3.3: Board điều khiển TMDSF28335 .............................................................27
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H ...................................................................28
Hình 3.5; Mạch cầu H cho động cơ .........................................................................29
Hình 3.6: Quá trình chuyển đổi từ Simulink sang ngơn ngữ C chạy trên chip DSP
..................................................................................................................................30
Hình 3.7: Mơ hình mơ phỏng 3D hệ con lắc ngược ................................................33

3



Danh mục bảng biểu
Bảng 1.1: Nhu cầu sử dụng xe tự cân bằng tại thành phố HCM ...............................9
Bảng 1.2: Danh sách yêu cầu ..................................................................................17
Bảng 2.1: Các vấn đề cơ bản....................................................................................18
Bảng 2.2: Phát triển cấu trúc làm việc .....................................................................21
Bảng 2.3: Lựa chọn cấu trúc làm việc ....................................................................23
Bảng 3.1: Check list cho thiết kế cụ thể ..................................................................31

4


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp:
ME6061.1
Khóa: 13
2. Tên nhóm: N12
Họ và tên thành viên : 1. Nguyễn Văn Hà _2018604897
2. Trịnh Văn Hiệp – 2018604648
3. Đào Xuân Hảo _2018604613
II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: Thiết kế con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu tịnh tiến
2. Hoạt động của sinh viên
Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế
- Thiết lập danh sách yêu cầu
Nội dung 2: Thiết kế sơ bộ
- Xác định các vấn đề cơ bản
- Thiết lập cấu trúc chức năng
- Phát triển cấu trúc làm việc

- Lựa chọn cấu trúc làm việc
Nội dung 3: Thiết kế cụ thể
- Xây dựng các bước thiết kế cụ thể
- Tích hợp hệ thống
- Phác thảo sản phẩm bằng phần mềm CAD và/hoặc bằng bản vẽ phác. Áp
dụng các công cụ hỗ trợ: Mô hình hóa mơ phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sản
phẩm.
3. Sản phẩm nghiên cứu : Báo cáo thu hoạch bài tập lớn.
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành bài tập lớn theo đúng thời gian quy định (từ ngày 29/03/2021
đến ngày 02/05/2021).
2. Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh
giá.

5


IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1. Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử và các tài
liệu tham khảo.
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu
có): Máy tính.
KHOA/TRUNG TÂM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. Nguyễn Văn Trƣờng

6



LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống con lắc ngược là một hệ thống điều khiển kinh điển, nó được sử
dụng trong giảng dạy và nghiên cứu ở hầu hết các trường đại học trên khắp thế
giới. Hệ thống con lắc ngược là mơ hình phù hợp để kiểm tra các thuật tốn
điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định. Đây là một hệ thống simo (single
input multi output) điển hình vì chỉ gồm một ngõ vào là lực tác động cho động
cơ mà phải điều khiển cả vị trí và góc lệch con lắc ngược sao cho thẳng đứng (ít
nhất hai ngõ ra). Ngồi ra, phương trình tốn học được đề cập đến của con lắc
ngược mang tính chất phi tuyến điển hình. Vì thế, đây là một mơ hình nghiên
cứu lý tưởng cho các phịng thí nghiệm điều khiển tự động. Các giải thuật hay
phương pháp điều khiển được nghiên cứu trên mơ hình con lắc ngược nhằm tìm
ra các giải pháp tốt nhất trong các ứng dụng điều khiển thiết bị tự động trong
thực tế: điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao công suất, điều khiển vị trí,
điều khiển nhiệt độ, điều khiển cân bằng hệ thống,… Thực hiện đề tài “thiết kế
mơ hình cân bằng con lắc ngược” là rất cần thiết cho vấn đề giảng dạy và
nghiên cứu thời điểm hiện tại. Vì đây là một mơ hình rất điển hình cần phải có ở
bất kỳ một trường đại học, cao đẳng nào theo hướng chuyên ngành kỹ thuật tại
việt nam, nhất là ngành điều khiển tự động hóa, điện cơng nghiệp, cơ điện tử…
việc xây dựng mơ hình sẽ giúp ích cho cơng tác giảng dạy trực quan hơn, dễ
dàng kiểm chứng với các giải thuật điều khiển trên lý thuyết, là cơ sở nghiên
cứu khoa học cho cả giảng viên và sinh viên.
Để bài báo cáo được hồn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận được
những góp ý từ phía các thầy cô. Qua đây, chúng em cũng xin được gửi lời cảm
ơn đến các thầy cô trong khoa đã nhiệt tình hướng dẫn đồ án mơn cho chúng
em.
Hà Nội , ngày …. tháng … năm ……
7



Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế
1.1. Nhu cầu thị trƣờng
- Việt Nam đang trong q trình Cơng nghiệp hố hiện đại hố, vì vậy nhu
cầu áp dụng các sản phẩm cơ điện tử vào sản xuất ngày càng phổ biến giúp
tang năng suất và hạ giá thành sản phẩm. Song song với q trình phát triển
đó là yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc
trong môitrường khắc nghiệt trong một thời gian dài. Vì vậy việc thiết kế
và phát triển một hệ thống cơ điện tử đáp ứng các nhu cầu trên là rất cần
thiết. Mơ hình con lắc ngược là một hệ thống cơ điện tử lý tưởng cho việc
ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại và kỹ thuật điều khiển máy
tính. Ngồi ra có hệ thống con lắc ngược còn là cơ sở để xây dựng các hệ
thống tự cân bằng: xe 2 bánh tự cân bằng, điều khiển cân bằng khi phóng
tàu vũ trụ, hệ giàn khoan cân bằng trên biển, v..v. Như vậy con lắc ngược
là một sản phẩm cơ điện tử có ý nghĩa quan trọng trong học tập và đời
sống. Mơ hình con lắc ngược là một sản phẩm, thiết bị đối với các sinh
viên kỹ thuật, những người đam mê khoa học kỹ thuật,....
-

Qua đó nhóm hướng đến nhóm khách hàng tiềm năng để phát triển dựu án
của mình :

- Đối tượng khách hàng :
+ Giảng viên, sinh viên ngành kỹ thuật.
+ Người đam mê khoa học công nghệ.
1.2. Nhu cầu thực tế
- Trong giáo dục: mơ hình con lắc ngược là mơ hình giúp kiểm tra các lý
thuyết, phương pháp điều khiển một cách hiệu quả.
- Trong thực tiễn: Các hệ thống tự cân bằng được sử dụng rộng dãi
+ Xe hai bánh tự cân bằng là một chiếc xe có thể đưa bạn đi đến mọi nơi
trong nhà, cơng viên, đường phố…cực ngầu và cá tính. Kích thước nhỏ

8


gọn của chiếc xe này là một sự nổi bật, với chiều dài khoảng bằng từ
vai trái đến vai phải của một người chiếc xe này có thể di chuyển linh
hoạt ở những nơi có diện tích nhỏ hẹp. Đây là một phương tiện di
chuyển tuyệt vời trong một thành phố lớn,cũng như thành phố nhỏ hẹp
bận rộn.
- Nhu cầu sử dụng xe tự cân bằng tại Thành phố Hồ Chí Minh từ năm 20102020.
Bảng 1.1: Nhu cầu sử dụng xe tự cân bằng tại thành phố HCM
Nhu cầu sử dụng xe tự cân bằng tại thành phố HCM
400
350
300

Số xe

250
200
150
100
50
0
2010

2012

2014

2016


2018

2020

1.3. Giới thiệu mơ hình hệ thống con lắc ngƣợc
- Hệ thống con lắc ngược là một hệ thống điều khiển kinh điển, nó được sử
dụng trong giảng dạy và nghiên cứu ở hầu hết các trường đại học trên khắp
thế giới. Hệ thống con lắc ngược là mơ hình phù hợp để kiểm tra các thuật
toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định. Đây là một hệ thống SIMO
(Single Input Multi Output) điển hình vì chỉ gồm một ngõ vào là lực tác
động cho động cơ mà phải điều khiển cả vị trí và góc lệch con lắc ngược
sao cho thẳng đứng (ít nhất hai ngõ ra). Ngồi ra, phương trình tốn học
9


được đề cập đến của con lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình. Vì
thế, đây là một mơ hình nghiên cứu lý trường cho các phịng thí nghiệm
điều khiển tự động. Các giải thuật hay phương pháp điều khiển được
nghiên cứu trên mơ hình con lắc ngược nhằm tìm ra các giải pháp tốt nhất
trong các ứng dụng điều khiển thiết bị tự động trong thực tế: điều khiển tốc
độ động cơ, giảm tổn hao công suất, điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ,
điều khiển cân bằng hệ thống,… Thực hiện chủ đề “ thiết kế con lắc ngược
1 bậc tự do kiểu tịnh tiến” là rất cần thiết cho vấn đề giảng dạy và nghiên
cứu tại trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội thời điểm hiện tại. Vì đây là
một mơ hình rất điển hình cần phải có ở bất kỳ một trường Đại học, Cao
đẳng nào theo hướng chuyên ngành kỹ thuật tại Việt Nam, nhất là ngành
điều khiển tự động hóa, điện cơng nghiệp, cơ điện tử… Việc xây dựng mơ
hình sẽ giúp ích cho công tác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng
với các giải thuật điều khiển trên lý thuyết, là cơ sở nghiên cứu khoa học

cho cả giảng viên và sinh viên tại trường.
- 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, con lắc ngược kiểu tịnh
tiến, hệ xe con lắc ngược, con lắc ngược 2, 3 bậc tự do,….

10


Hình 1.1: Con lắc ngược tịnh tiến

Hình 1.2: Một số hình ảnh phần cứng của con lắc ngược
- Với bài tập lớn lần này, chúng ta sẽ tìm hiểu và thiết kế sản phẩm cơ điện
tử con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu tịnh tiến.

11


Hình 1.3:Hình ảnh cơ khí của con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu tịnh tiến

- Mô tả qua về nguyên lý hoạt động của con lắc ngược 1 bậc tự do kiểu tịnh
tiến

Hình 1.4: Xe con lắc ngược
12


- Xe M chuyển động theo phương x, thanh lắc sẽ quay trong mặt phẳng Oxy,
thanh lắc hợp với phương thẳng đứng 1 góc θ. Hệ thống sẽ điều khiển xe
tịnh tiến sao cho thanh lắc ln thẳng đứng (góc θ = 0 con lắc ở vị trí cân
bằng)

1.4. Tổng quan nghiên cứu
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
- Đề tài “Sử dụng thuật toán mờ nơron điều khiển cân bằng con lắc ngược”
của tác giả Nguyễn Hữu Mỹ, đại học Đà Nẵng (2011) đã so sánh kết quả
giữa thuật toán PID và bộ điều khiển mờ nơron giúp cân bằng hệ con lắc
ngược. Trong đó, bộ điều khiển PID tuy đơn giản nhưng không thể điều
khiển đồng thời việc điều khiển vị trí xe và giữ cân bằng con lắc, còn bộ
điều khiển mờ nơron cho kết quả tốt hơn với thời gian xác lập khoảng 3s.
Năm 2013, tác giả Nguyễn Văn Khanh, khoa Công nghệ, trường Đại học
Cần Thơ thực hiện đề tài “Điều khiển cân bằng con lắc ngược sử dụng
thuật toán PD mờ” cho kết quả điều khiển hệ con lắc ngược cân bằng ổn
định với thời gian xác lập khoảng 4s, độ vọt lố 44%. Đến năm 2014, tác giả
đã phát triển hệ thống con lắc ngược sử dụng phương pháp cuốn chiếu
trong đề tài “Điều khiển cân bằng con lắc ngược sử dụng bộ điều khiển
cuốn chiếu”, đề tài đã đưa ra kết quả thực nghiệm so sánh phương pháp
LQR và phương pháp cuốn chiếu. Kết quả cho thấy bộ điều khiển cuốn
chiếu cho kết quả ổn định hơn (thời gian xác lập 1,83s, độ vọt lố 5%, sai số
5%) trong khi bộ điều khiển LQR (thời gian xác lập 7,8s, độ vọt lố 15%,
sai số 5%

13


Hình 1.5:Mơ hình thực nghiệm cân bằng con lắc ngược dùng bộ điều khiển
cuốn chiếu.
1.4.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc
-

Đề tài “Standup and Stabilization of the Inverted Pendulum” bởi tác giả
Andrew K. Stimac (1999) sử dụng giải thuật LQR.


- Tác giả Johnny Lam thực hiện đề tài “Control of an Inverted Pendulum”
cũng sử dụng thuật toán LQR (2008) với thời gian điều khiển cân bằng hệ
thống lớn hơn 10s. Đề tài “Vision-Based Control of an Inverted Pendulum
using Cascaded Particle Filters” trường Đại học Cơng nghệ Graz, Austria
(2008) của nhóm tác giả Manuel Stuflesser và Markus Brandner đã sử dụng
công nghệ xử lí ảnh để điều khiển cân bằng con lắc ngược.

Hình 1.6: Mơ hình cân bằng con lắc ngược dùng bộ điều khiển LQR.
14


Hình 1.7: Mơ hình cân bằng con lắc ngược dùng xử lí ảnh.
1.5. Mục tiêu
- Mục tiêu chung: Thiết kế và điều khiển hệ con lắc ngược 1 bậc tự do phục
vụ trong giảng dạy đại học và nghiên cứu khoa học
- Mục tiêu cụ thể:
+ Thiết kế mơ hình con lắc ngược
+ Sử dụng các giải thuật điều khiển khác nhau để điều khiển hệ thống
+ Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược ứng dụng xử lí ảnh
1.6. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu
- Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu
+ Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế sản phẩm con lắc ngược 1 bậc tự do
và áp dụng các giải thuật điều khiển khác nhau để điều khiển cân bằng
hệ thống.
+ Thời gian nghiên cứu từ tháng 3 năm 2021 đến tháng 5 năm 2021 tại
trường.
- Quy mô nghiên cứu
+ Nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động hệ con lắc ngược
+ Nghiên cứu thiết kế sản phẩm con lắc ngược 1 bậc tự do thực tế

15


+ Nghiên cứu lập trình điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược
- Phương pháp nghiên cứu
+ Tìm hiểu tài liệu, phân tích các đề tài, các cơng trình nghiên cứu liên
quan trong và ngồi nước.
+ Tìm hiểu và xây dựng giải thuật điều khiển hệ thống
+ Tiến hành nghiên cứu thiết kế 1 sản phẩm con lắc ngược 1 bậc tự do
thực tế
+ Viết chương trình điều khiển hệ thống thực

16


Danh sách yêu cầu
Bảng 1.2: Danh sách yêu cầu
Yêu cầu

Danh sách yêu cầu

Kích thước

Con lắc : dài 0.5m

Ghi chú

Bệ đỡ : 0.8x0.15x0.02m
Trọng lượng mơ hình


6-8 kg

Trọng lượng con lắc

0.15 kg

Trọng lượng xe con lẵc

1.2 kg

Vật liệu

Nhôm nguyên khối

Nguồn

12 V

Công suất động cơ

10 W

Góc quay con lắc

360

Tốc độ quay động cơ

1200 RPM


Điện áp cung cấp cho

5V

cảm biến góc quay
Thuật tốn điều khiển

Bộ điều khiển có đáp ứng nhanh ,
sai số xác lập và thời gian xác lập
thấp

Độ vọt lố

5-7%

Sai số xác lập

5-7%

Thời gian xác lập

8-10s

Cảm biến góc quay

Encoder 2000 xung

Bộ điều khiển

Vi điều khiển


Giá

2,5-3 triệu VNĐ
17


Nội dung 2: Thiết kế sơ bộ
2.1. Xác định các vấn đề cơ bản
Bảng 2.1: Các vấn đề cơ bản
Yêu cầu
Kích thước con lắc

Danh sách yêu cầu
0.5m

Kích thước giá đỡ

0.75x0.2x0.01m

Kích thước thanh hướng dẫn

0.75m x Φ16mm

Trọng lượng mơ hình
Trọng lượng con lắc

6-8kg
0.15kg


Trọng lượng xe con lắc
Vật liệu
Nguồn

1.2kg
Nhôm nguyên khối
12V

Động cơ
Công suất động cơ
Tốc độ quay động cơ

12V
10W
1200 RPM

Điện áp cung cấp cho cảm
biến góc quay

5V

Thuật tốn điều khiển

Bộ điều khiển có đáp ứng
nhanh ,sai số xác lập và thời
gian xác lập thấp

Độ vọt lố

5-7%


Sai số xác lập
Thời gian xác lập
Cảm biến góc quay

5-7%
8-10s
Encoder 2000 xung

Bộ điều khiển
Giá

Vi điều khiển
2,5-3 triệu VNĐ

Ghi chú
Con lắc dạng trụ trịn gắn
vng góc với trục encoder
để xác định góc

Là bộ ray trượt bi và gối đỡ

Momen kéo tải 2Nm,gắn liền
encoder 500xung để đo vị trí
xe dịch chuyển

18


2.2. Thiết lập cấu trúc chức năng

- Trong bài này, các chức năng phụ thiết yếu là kết quả của dòng năng lượng
và đối với các phép đo là dòng tín hiệu:
• Biến đổi năng lượng đầu vào thành tải(momen quay)
• Biến đổi năng lượng đầu vào thành năng lượng phụ cho các chức năng
điều khiển
• Kiểm sốt năng lượng và tốc độ tải
• Thay đổi cường độ tải
• Hướng dẫn năng lượng tải
• Đặt tải lên cần lắc
• Đo tải
• Đo vị trí góc quay
- Việc thiết lập cấu trúc hàm theo cách từng bước dẫn đến phạm vi sắp đặt
khác nhau bằng cách thêm và xóa các hàm con riêng lẻ một số biến thể của
cấu trúc hàm được tạo ra:

19


Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống

20


2.3. Phát triển cấu trúc làm việc
Bảng 2.2: Phát triển cấu trúc làm việc
content
STT CN
1 Kích
thước


1

2

3

Chiều dài con lắc :

Chiều dài con lắc :

Chiều dài con lắc

0.5m

0.4m

: 0.5m

Chiều dài thanh cố

Thanh cố định: dạng

Thanh cố định

định 0.75 m , hình

hình chữ L ( 0.2x0.3

dạng hình chữ L


trụ

m)

( 0.3x0.4m)

Bệ đỡ (giá gá động Giá gá động cơ: cao

Giá gá động cơ:

cơ) 0.75x0.2x 0.01
có 4

0.2 m

cao 0.2 m

Bệ đỡ dạng tấm

Bệ đỡ:

0.4x0.4m dày 0.04m

0.4x0.4x0.04m

7 kg

4 kg

Con lắc, thanh cố


Con lắc, thanh cố

Con lắc, thanh cố

định: nhôm

định: nhôm

định nhôm

Bệ đỡ : nhôm
nguyên khối

Bệ đỡ : gang

Bệ đỡ : gỗ

chân cao 0.6m

2 Trọng 6 kg
lượng
3 Vật
liệu

4 Nguồn Sử dụng bộ chuyển Sử dụng bộ chuyển

Nguồn tổ ong

đổi 220v thành 12v đổi 220v thành 12v

5 Công
suất

Động cơ DC công

Motor DC công suất

Động cơ DC

suất 10w

8w

công suất 8w

động
cơ
21


6 Tốc dộ 1200 RPM

1100 RPM

1000 RPM

5v

5V


5V

Sử dụng bộ điều

Sử dụng bộ điều

Sử dụng bộ điều

khiển PID

khiển PID

khiển PID

quay
động
cơ
7 Điện
áp
cung
cấp
cho
cảm
biến
góc
quay
8 Thuật
toán
điều
khiển


22


2.4. Lựa chọn cấu trúc làm việc
Bảng 2.3: Lựa chọn cấu trúc làm việc
Giải pháp

1

2

3

Yêu cầu

Kích thước

1

0

1

Nhỏ nhẹ, phù
hợp, chắc chắn

Bệ đỡ

0


1

1

Chắc chắn, cách
điện, đảm bảo
tính ổn định khi
con lắc hoạt động

Con lắc

1

0

1

Thẳng dài, trọng
lượng vừa phải

Motor

1

1

0

Tốc độ quay ổn

định

Vi điều khiển

1

1

1

Tính tốn chính
xác, nhanh nhạy

Encoder

1

1

0

Đo góc chính
xác, giá thành rẻ

Nguồn

1

0


1

Phù hợp với công
suất tiêu thụ
mạch

Tổng

7

4

6

Xếp hạng

1

3

2

Như vậy ta sẽ lựa chọn cấu trúc 1 để làm việc.

23


Nội dung 3: Thiết kế cụ thể.
3.1. Xây dựng mô hình con lắc ngƣợc
-


Mơ hình hệ thống con lắc ngựợc gồm hai phần: xe con lắc gắn vào động
cơ DC kết hợp với encoder đo vị trí giúp xe di chuyển và con lắc
(pendulum) gắn vào trục encoder vng góc với mặt phẳng ngang giúp xác
định góc lệch con lắc. Bài tốn đặt ra là điều khiển vị trí và tốc độ xe để
giữ cho con lắc cân bằng ở vị trí thẳng đứng. Trong đó, encoder dùng để
đọc các tín hiệu vị trí xe và góc con lắc nhằm trả về bộ điều khiển trung
tâm là boad DSP, từ đó boad DSP sẽ điều khiển mạch cầu H xuất tín hiệu
điều khiển động cơ nhằm giúp cho con lắc ln ở vị trí cân bằng. Hệ thống
con lắc ngựợc thực tế được thi cơng như ở hình 3.1.

Hình 3.1: Mơ hình thực tế con lắc ngược

24


Phần cơ khí của con lắc ngược được thiết kế dựa trên bản vẽ như hình 3.2:

Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế mơ hình hệ con lắc ngược

25