Robot cộng tác (Collaborative robot -cobot) là một dạng của robot tự động hóa, được phát triển để đảm bảo làm việc an toàn và cộng tác với con người trong không gian làm việc chung. So với hệ thống robot công nghiệp hiện có, cobot thường làm việc trong không gian hẹp hơn, cần thu nhỏ. Vì vậy, cobot được tạo thành từ các mô-đun được tối ưu về không gian, kích thước. Từ yêu cầu đó, động cơ cho khớp cobot cũng được thiết kế theo dạng tách rời rotor, stator, hay còn gọi là động cơ không khung vỏ. Xét các loại động cơ thì động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được ưu tiên sử dụng cho ứng dụng robot do kích thước nhỏ, tăng tỉ lệ mô-men xoắn với quán tính (Torque to inertia ratio), mô-men xoắn cực đại cao và dải tốc độ rộng. Cho đến nay, một số nghiên cứu đã được thực hiện để thiết kế và tối ưu động cơ điện đáp ứng các yêu cầu trên đối với ứng dụng robot. O. Ocak tập trung vào việc thiết kế, phân tích và xác minh thực nghiệm của một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) cho một ứng dụng robot di động với một nỗ lực trên việc cực tiểu hóa mô-men cogging và độ dao động tự do mô-men xoắn. Ngoài ra, tác giả này cũng trình bày thiết kế và phân tích động cơ PMSM được sử dụng cho robot dịch vụ. Trong nghiên cứu này, kết cấu rotor nhô ra (overhang rotor structure) được xét đến và một mô hình mạng từ trở chồng chất xét đến ảnh hưởng của phần nhô ra trong rotor được đề xuất để tính toán nhanh hơn so với phân tích phần tử hữu hạn 3 chiều (3D FEA). Các phương pháp tối ưu hóa đối với động cơ PMSM được phân tích và áp dụng trong các thiết kế động cơ nhằm cải thiện khả năng sinh momen của động cơ, tối thiểu hóa sự dao động momen và cải thiện hiệu suất động cơ tại các điểm làm việc. Một nghiên cứu khác trước đây cũng đưa ra phương pháp tối ưu thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) sử dụng thuật toán di truyền (GA) kết hợp phương pháp Taguchi. Để tăng mật độ mô-men xoắn của động cơ khớp robot hơn nữa, S. Zhang đã áp dụng dãy nam châm vĩnh cửu halbach vào trong động cơ PMSM và tối ưu thiết kế dựa vào độ nhạy đa đối tượng (multi-objective sensitivity). Mặc dù dãy halbach có nhiều ích lợi như mô-men xoắn đầu ra cao, các tổn thất và độ dao động mô-men xoắn thấp nhưng những lợi ích này dẫn đến việc gia tăng chi phí do những khó khăn trong quá trình gia công chế tạo. Đối với các bài toán tối ưu động cơ PMSM, các phương pháp tối ưu thường gặp khó khăn khi bài toán tối ưu phải tính toán với nhiều tham số. Nhiều bài báo tập trung nghiên cứu cải thiện các phương pháp tối ưu động cơ PMSM. Trong các bài báo đã công bố, các tác giả đã đề xuất các thuật toán và mô hình kết hợp phương pháp tối ưu đa đối tượng (Multi objective optimization) nhằm giảm thiểu khối lượng tính toán các tham số, tối ưu hóa thiết kế động cơ PMSM. Nghiên cứu khác cũng đưa ra phương pháp tối ưu hóa dựa trên phân tích ảnh hưởng của sóng hài trong dòng điện và phân bố mật độ từ thông của động cơ PMSM giúp cải thiện hiệu suất động cơ đồng thời tối thiểu hóa dao động momen trong động cơ tại từng vùng tốc độ. Các tác giả khác cũng đưa ra phương pháp tối ưu thiết kế động cơ SPMSM sử dụng phương pháp bề mặt phản hồi (Response surface methodology) và tối ưu MOGA (Multi-objective genetic algorithm) kết hợp phương pháp phân tích phần tử hữu hạn 2 chiều (2D-FEA). Nhóm tác giả tối ưu 2 biến ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng momen của động cơ bao gồm độ rộng của rãnh mở stator (slot opening) và tỉ lệ độ rộng của nam châm trên 1 cực (pole pitch) để giảm tác động của momen - cogging, dao động momen xoắn và tổn thất lõi trong động cơ (core loss). Nhóm tác giả khác cũng đề xuất phương án tối ưu động cơ SPM 12 slot -10 pole sử dụng phương pháp tối ưu Multi-objective optimization kết hợp mô hình mạch từ tương đương của động cơ, phương pháp tối ưu cải thiện đáng kể chất lượng momen của động cơ giúp giảm dao động momen xoắn (Torque ripple) từ 10.9Nm xuống còn 1.59Nm. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (Surface permanent magnet motor -SPM) được sử dụng nhiều trong thiết kế cơ cấu chấp hành thông minh (Smart actuator) cho robot cộng tác. Các dòng sản phẩm robot cộng tác của hãng Universal Robot cũng sử dụng động cơ SPM cho việc thiết kế các cơ cấu chấp hành thông minh. Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm bên trong (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor - IPMSM) được sử dụng nhiều trong các ứng dụng cho xe điện với dải tốc độ làm việc lớn và hiệu suất cao. Trên cơ sở các nghiên cứu về tối ưu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, nhóm tác giả đề xuất thuật toán tối ưu di truyền (GA) để tối ưu hóa thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (SPM) cho ứng dụng cho khớp cánh tay robot cộng tác. Thiết kế tối ưu được áp dụng cho động cơ giúp giảm sự dao động momen đầu ra của động cơ và tăng mô-men trung bình động cơ với cùng một không gian kích thước bao của động cơ.

Hình minh họa. Nguồn Internet

Nghiên cứu này tiến hành tối ưu hóa động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (SPMSM) sử dụng thuật toán di truyền (GA) cho ứng dụng cho khớp cánh tay robot cộng tác. Các biến tối ưu được mô hình hóa theo các biến không gian kích thước của động cơ. Thuật toán đã cải thiện đáng kể chất lượng mô-men động cơ, với độ dao động mô-men giảm từ 14.68% xuống 2.15%; độ lớn mô-men tăng từ 1.61Nm đến 1.81Nm. Các kết quả đánh giá được phân tích trên phần mềm mô phỏng Jmag. Với không gian kích thước tối ưu, nguyên mẫu động cơ được gia công chế tạo, chạy thử nghiệm với hệ thử bao gồm hệ dynamometer và hệ phân tích công suất.

Chuyên san Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa 2024, 28(3): 53-61 (ctngoc)