Bachelor's Thesis

Innovation of the virtual twin DC motor learning model

Final Thesis 8.25 MB Appendix 2.58 MB

Author of thesis: Bc. Lukáš Hubáček

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Aleš Kraml

Reviewer: doc. Ing. Radek Vlach, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the innovation of an experimental DC motor test bench and its virtual twin, created as part of a previous bachelor's thesis. The goal was to identify and subsequently eliminate construction deficiencies and expand the testing site's capabilities. On the mechanical side, the shaft was remounted on pillow block units, the fan impeller and spiral housing were redesigned, a new base plate was designed, and the optical encoder was replaced with a magnetic one. In the measuring and control system, a new main PCB with an isolated delta-sigma ADC was designed for accurate voltage and current measurement, a rotor PCB with BLE communication was added, and the motor driver was replaced. A throttle valve driven by a stepper motor was implemented to enable continuous adjustment of the fan's mechanical load, including protective control logic responding to winding temperature. The functionality of the improved test bench was verified through temperature rise tests at supply voltages of 20 V and 30 V. The results are compared with the numerical model of the motor and the identified systematic deviations are analysed.

Keywords:

digital twin, DC motor, educational model, throttle valve, magnetic encoder, temperature rise test, BLE, experimental test bench

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji bakalářskou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky: Jaký je rozdíl mezi virtuálním dvojčetem a modelem? Popište toky dat mezi fyzickým modelem a modelem. Podle jaké osy byly rozmisťovány komponenty rotorového měřicího modulu? Jakým způsobem byl magnet enkodéru uchycen na hřídel? Na závěr byla obhajoba hodnocena jako výborná.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (B-MET-P)

Composition of Committee

Ing. Martin Appel, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Radek Vlach, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Pokorný, Ph.D. (člen)
Ing. Lubomír Houfek, Ph.D. (člen)
Ing. David Vlachý (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Frolík, Ph.D. (člen)
Pplk. Ing. Radek Doskočil, Ph.D. (předseda)

Supervisor’s report
Ing. Aleš Kraml

Bakalářská práce se zabývá inovací výukového modelu virtuálního dvojčete stejnosměrného motoru. Student nejprve identifikoval klíčové nedostatky dosavadní konstrukce zařízení, které neumožňovaly provoz na vyšších otáčkách a následně navrhl a realizoval nové technické řešení. Součástí inovace bylo zejména nové uložení hřídele, návrh a realizace desek plošných spojů pro senzoriku a řízení motoru. Provedené změny umožnily provoz zařízení na vyšší otáčky a výukový model byl doplněn o řiditelnou klapku zátěžného ventilátoru, včetně implementace její interakce s matematickým modelem. Student během zpracování závěrečné práce pracoval systematicky a pravidelně konzultoval, což se promítlo do kvality výsledného řešení. Text práce je logicky členěn, výukový model byl již demonstrován ve výuce. S přihlédnutím k výše uvedenému hodnocení doporučuji práci k obhajobě s výsledným hodnocením výborně/A. 
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Radek Vlach, Ph.D.

Bakalářská práce pana Lukáše Hubáčka se zabývá inovací výukového modelu virtuálního dvojčete stejnosměrného motoru. Rozsahem i hloubkou zpracování se práce blíží úrovni diplomové práce. Její struktura je zvolena vhodně a poskytuje čtenáři jasný a srozumitelný přehled o jednotlivých inovacích dílčích částí experimentálního standu i samotného virtuálního dvojčete. Student prokázal schopnost velmi dobře analyzovat nedostatky stávajícího řešení a navrhl významná vylepšení mechanické i elektrické části systému, včetně senzoriky. Součástí navržených úprav bylo doplnění zátěžového ventilátoru o programově řízenou výstupní klapku, jejíž funkce byla následně úspěšně implementována také do virtuálního dvojčete Díky provedeným úpravám je celý výukový model výrazně bezpečnější, spolehlivější a lépe využitelný v provozních podmínkách. Výsledek této práce byl již začleněn do výuky 5. ročníku specializace mechatronika a umožňuje realizaci celé řady výukových úloh, což potvrzuje její vysoký praktický přínos a využitelnost. Na základě výše uvedeného hodnocení doporučuji bakalářskou práci k obhajobě a navrhuji její klasifikaci stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Na str.43 je vztah 6.1. Není z dalšího textu patrné kde jsou zahrnuty ztráty ložisek ventilátoru, pouze se tam píše o ložiscích motoru. Vysvětlete co zahrnují jednotlivé členy vztahu 6.1?
  2. Stručně popište jak by mohla vypadat výuková úloha na identifikaci parametrů tepelného modelu DC motoru, aby se docílilo lepší shody virtuálního dvojčete s reálným DC motorem.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová