다수의 수동형 캐리어를 연속 이송시킬 수 있는 새로운 영구자석 선형동기전동기의 설계 New Design of a Permanent Magnet Linear Synchronous Motor for Seamless Movement of Multiple Passive Carriers원문보기
이기창
(Electric Propulsion Research Division, Korea Electrotechnology Research Institute (KERI))
,
김민태
(Dept. of Control & Instrumentation Eng. Changwon Nat'l Univ.)
,
송의호
(Dept. of Control & Instrumentation Eng. Changwon Nat'l Univ.)
Nowadays, small quantity batch production, which is so-called a flexible manufacturing system, is a major trend in the modern factory automation industry. The demands for new transportation system are increased gradually, with which multiple passive carriers carrying materials and semi-products are ...
Nowadays, small quantity batch production, which is so-called a flexible manufacturing system, is a major trend in the modern factory automation industry. The demands for new transportation system are increased gradually, with which multiple passive carriers carrying materials and semi-products are precisely and individually controlled along a single closed rail. Thus, a new type of permanent magnet linear synchronous motor (PMLSM), which consists of state coils on a single rail and PM movers as many as carriers, is proposed in this paper. The rail can be segmented as modules with pairs of coils and a current amplifier, which makes the transportation system simple; therefore, the rail can be easily extended and repaired. A design method of the new PMLSM with a single carrier is proposed, which can be thought as a new version of PMLSM, a coil-segmented coreless PMLSM (CS-CLPMLSM). Experimental setup for it is made, and propulsion results show that with the help of a new effective coil selection and switching algorithms, the conventional current-based vector control is sufficient to fulfill the position and velocity control of the new PMLSM. The proposed PMLSM is expected to fulfill seamless servo-control of multiple carriers also in process line, such as a new generation of flat panel display manufacturing line.
Nowadays, small quantity batch production, which is so-called a flexible manufacturing system, is a major trend in the modern factory automation industry. The demands for new transportation system are increased gradually, with which multiple passive carriers carrying materials and semi-products are precisely and individually controlled along a single closed rail. Thus, a new type of permanent magnet linear synchronous motor (PMLSM), which consists of state coils on a single rail and PM movers as many as carriers, is proposed in this paper. The rail can be segmented as modules with pairs of coils and a current amplifier, which makes the transportation system simple; therefore, the rail can be easily extended and repaired. A design method of the new PMLSM with a single carrier is proposed, which can be thought as a new version of PMLSM, a coil-segmented coreless PMLSM (CS-CLPMLSM). Experimental setup for it is made, and propulsion results show that with the help of a new effective coil selection and switching algorithms, the conventional current-based vector control is sufficient to fulfill the position and velocity control of the new PMLSM. The proposed PMLSM is expected to fulfill seamless servo-control of multiple carriers also in process line, such as a new generation of flat panel display manufacturing line.
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문제 정의
즉 2극 전동기를 기준으로 하면 2τ 거리마다, 4극 전동기를 기준으로 하면 4τ 거리마다 3개의 코일을 설치하도록 설계하는 방법이다. 본 논문에서는 널리 사용되는 4극 3코일 코어리스 영구자석 선형동기전동기를 기준으로 추력 100N급 전동기를 설계하였으며, 상세 파라미터는 표 1과 같다.
본 논문에서는 다수의 수동형 캐리어를 동일한 레일에서 연속적으로 이송시킬 수 있는 새로운 형태의 영구자석 선형동기전동기를 제안한다. 코어리스 영구자석 선형동기전동기와 달리, 제안 구조는 양측식 영구자석 이동자를 가지고, 분할된 공심형 고정자 코일이 레일에 배치되는 구조로서 전용 전류증폭기를 가지도록 설계된 개별 분할 고정자 코일을 독립적으로 제어함으로써, 동시에 다수의 이동자를 독립적으로 정밀하게 서보제어할 수 있도록 하였다.
이 문제는 비선형 특성을 보상하는 제어기법을 사용하여 해결할 수도 있지만, 근본적으로는 자기부상 등의 비접촉 선형베어링을 사용하여 마찰이 없는 구동시스템을 구현하면 좋은 제어 특성을 기대 할 수 있을 것이다. 본 논문에서는 유효코일 선택알고리즘이 잘 동작한다는 점을 강조하는 바이다.
가설 설정
코일의 기저 분할 블록을 b0, a0, c0로 두고, a0 블록의 중심을 전체 레일 좌표계의 원점으로 정의한다. bk, ak, ck (단 k는 정수)로 정의되는 코일블록이 무한대로 펼쳐져 있다고 가정한다. 그림 2 (b)는 이동자가 거리 x만큼 이동한 상태이다.
제안 방법
캐리어 추진 제어기는 TMS320F28346 DSP 보드를 사용하였다. 1개 모듈을 동작시키기 위해서는 총 4개의 전류증폭기를 동작시켜서, 나머지 1개는 전환을 대기 할 수 있도록 구현하였다. 총 33개의 고정자 공심 코일은 릴레이회로를 통해 이러한 전류증폭기 모듈과 1:1로 연결되었으며, 릴레이 회로는 캐리어의 이동에 따라 전류증폭기 모듈과 연결되는 코일의 수를 항상 4개로 유지하게 하였다.
수동형 캐리어의 양 측면 레일을 따라서 코일분할 코어리스 영구자석선형전동기의 고정자용 분할 코일 33개가 설치되었으며, 이동자인 캐리어의 양 측면에 이와 상호작용하는 영구자석을 장착하여, 캐리어의 좌, 우 양 측면에서 독립적으로 추진할 수 있는 구조이다. LM 가이드로 구성된 선형베어링이 수동형 캐리어를 지지하고, 비접촉 리니어엔코더를 통해 수동형 캐리어의 영구자석 원점의 위치를 측정하게 하였다.
고정자의 원점을 0번째 분할코일블록의 a상 코일을 기준으로 하였으며, 이동자의 위치를 –300mm에서 300mm까지, 600mm 이동 거리에 대하여 추진실험을 실시하였다.
따라서 향후 자동화 설비의 레일 상에 놓인 다수의 수동형 캐리어들은 서로 독립적으로 빠르게 이동하면서 동시에 정밀한 위치제어 성능을 가질 필요가 있다. 공통의 고정자 레일을 따라서, 다수의 수동형 캐리어를 독립적으로 제어할 수 있는 새로운 형태의 영구자석 선형동기전동기를 제안한다. 제안된 선형추진전동기는 단일 캐리어에 대해서 공심형 코일이 분할된 형태의 영구자석이 움직이는 코어리스 영구자석 선형전동기로 고려될 수 있다.
제안된 추진전동기의 제어를 위하여, 새로운 개념의 유효코일 선택알고리즘을 제안하여, 코일의 영 전류 전환을 달성함으로써, 기존의 선형추진전동기 제어 알고리즘을 그대로 적용하여도 전체 레일구간에서 안정적으로 동작함을 실험적으로 보였다. 실험결과로부터, 영구자석 이동자를 추진시키기 위한 유효코일은 인접한 코일 3개로 정의되므로, 레일을 따라 이동자의 길이를 코일 4개 이상으로만 설계하면, 전체 레일 범위에서 원하는 수만큼 이동자를 추가하여 독립적으로 제어할 수 있으므로, 제안하는 추진시스템은 다수 캐리어들을 연속적으로 이송시키는 디스플레이 제조 공정라인 등의 새로운 자동화 시스템에 최적화된 물류이송 추진시스템이다. 그림 1에 제안된 다축 캐리어제어기는 캐리어의 수와 동일한 추진제어 블록을 가져야 한다.
그림 6의 수동형 캐리어를 구성하는 두 개의 코일분할 코어리스 영구자석 선형전동기 중에서 왼쪽 모듈을 동작시켜 위치 서보제어 및 유효코일선택 알고리즘의 성능을 시험하였다. 위치 제어 명령은 S-커브 프로파일을 가지도록 하였으며, 속도 제어기에 안티 와인드업 기능을 추가하여, 30mm/sec의 정속도 제어 명령 구간을 가지도록 하였다. 고정자의 원점을 0번째 분할코일블록의 a상 코일을 기준으로 하였으며, 이동자의 위치를 –300mm에서 300mm까지, 600mm 이동 거리에 대하여 추진실험을 실시하였다.
857옴, 인덕턴스는 20mH였다. 유효코일이 아닌 코일의 구동은 잘못된 추력 전류를 야기 시켜서 추력에 외란을 발생시키므로, OPA549 전력용 연산증폭기의 셧다운 기능을 사용하여 코일을 구동하지 않을 때에는 회로를 개로시켰다. 캐리어 추진 제어기는 TMS320F28346 DSP 보드를 사용하였다.
다수의 이동자 중 한 개의 이동자만 레일에 존재하는 경우를 고려하자. 이 경우 제안된 추진시스템은 코어리스 영구자석 선형동기전동기와 유사한 구조가 되므로, 본 논문에서는 코일분할 코어리스 영구자석 선형동기전동기(CS-CLPMLSM)라고 명명한다.
그림 7에 실험에 사용된 전류증폭기, 릴레이 회로 및 추진제어기 모듈을 보인다. 전류증폭기는 OPA549 전력용 연산증폭기를 사용하여 아날로그 비례제어기를 구성하였다. 구동전압은 ±15V를 사용하였다.
제안된 코어리스 영구자석 선형동기전동기의 고정자 코일분할 방법은 회전기의 기계적인 1회전에 해당되는 인접한 고정자 코일 3개를 1개의 3상 모듈로 분할하는것이다. 이는 N개의 극수를 가지는 전동기 (N-pole machine)에 대해, 영구자석의 배치 간격을 τ라 했을 때, Nτ마다 3개의 코일을 배치하는 구조이다.
즉 총 4개의 전류증폭기가 1개 모듈로 동작하게 하였다. 캐리어의 이동시 구동되어야 할 코일의 섹션을 릴레이 회로로 먼저 선택한 후, 전류 증폭기 모듈을 이 릴레이 회로에 연결함으로써, 필요한 전류증폭기의 수를 최소화 하였다.
본 논문에서는 다수의 수동형 캐리어를 동일한 레일에서 연속적으로 이송시킬 수 있는 새로운 형태의 영구자석 선형동기전동기를 제안한다. 코어리스 영구자석 선형동기전동기와 달리, 제안 구조는 양측식 영구자석 이동자를 가지고, 분할된 공심형 고정자 코일이 레일에 배치되는 구조로서 전용 전류증폭기를 가지도록 설계된 개별 분할 고정자 코일을 독립적으로 제어함으로써, 동시에 다수의 이동자를 독립적으로 정밀하게 서보제어할 수 있도록 하였다.
코일분할 코어리스 영구자석 선형동기전동기를 구동시키기 위해서는 개별 전류증폭기가 개별 고정자 코일을 구동할 수 있어야 하지만, 본 논문에서는 단일 추진시스템에 대한 검증을 위하여, 3개의 전류증폭기가 유효코일을 구동시키고, 나머지 여분의 전류증폭기가 캐리어의 순방향 및 역방향 이동시 새로운 코일로 전환될 수 있도록 대기하게 하였다. 즉 총 4개의 전류증폭기가 1개 모듈로 동작하게 하였다.
대상 데이터
유효코일이 아닌 코일의 구동은 잘못된 추력 전류를 야기 시켜서 추력에 외란을 발생시키므로, OPA549 전력용 연산증폭기의 셧다운 기능을 사용하여 코일을 구동하지 않을 때에는 회로를 개로시켰다. 캐리어 추진 제어기는 TMS320F28346 DSP 보드를 사용하였다. 1개 모듈을 동작시키기 위해서는 총 4개의 전류증폭기를 동작시켜서, 나머지 1개는 전환을 대기 할 수 있도록 구현하였다.
평판디스플레이(FPD)의 유리 기판을 정밀 이송하기 위한 수동형 캐리어의 축소 모형이 그림 6과 같이 제작되었다. 폭 600 mm, 길이 800 mm를 가지는 수동형 캐리어는 총 무게 40 kg 급으로 제작되었다. 수동형 캐리어의 양 측면 레일을 따라서 코일분할 코어리스 영구자석선형전동기의 고정자용 분할 코일 33개가 설치되었으며, 이동자인 캐리어의 양 측면에 이와 상호작용하는 영구자석을 장착하여, 캐리어의 좌, 우 양 측면에서 독립적으로 추진할 수 있는 구조이다.
이론/모형
제안된 선형추진전동기는 단일 캐리어에 대해서 공심형 코일이 분할된 형태의 영구자석이 움직이는 코어리스 영구자석 선형전동기로 고려될 수 있다. 따라서 기본 설계는 코어리스 영구자석의 설계 형태를 따른다. 제안된 추진전동기의 제어를 위하여, 새로운 개념의 유효코일 선택알고리즘을 제안하여, 코일의 영 전류 전환을 달성함으로써, 기존의 선형추진전동기 제어 알고리즘을 그대로 적용하여도 전체 레일구간에서 안정적으로 동작함을 실험적으로 보였다.
성능/효과
그림에서 이동자는 고정자에 비해 길이가 충분히 작아서 고정자의 길이 내에서만 동작한다. 제안된 (b)의 구조에서는 영구자석과 백아이언(Back-Iron)으로 구성되는 이동자가 무거워져서, 기존 (a)처럼 빠른 가감속 특성을 기대할 수 없고,고정자의 길이가 늘어나므로 코일에서의 누설이 커져서 효율이 나빠진다. 만약 고정자 코일을 분할하여, 이동자 영구자석의 길이만큼 코일을 구동시킨다면, 코일의 구동 전압이 줄어들고 구동효율도 높아질 수 있다.
5장에서는 추진실험 결과를 통해 제안 추진시스템이 장거리 이송 및 확장이 쉬운 서보제어 시스템임을 보인다. 또한 캐리어가 움직임에 따라 영구자석과 상호작용하는 3개의 유효코일도 옮겨감을 실험파형으로 보임으로서, 개별 캐리어의 간격을 수 mm 이내의 간격으로 유지하면서 연속적으로 다수개의 캐리어를 정밀 서보 제어할 수 있음을 보인다.
또한 맨 하단에는 모든 분할코일블록의 a상 코일이 부담하는 전류를 모두 합한 결과를 보인다. 이상의 파형으로부터 레일의 모든 a상 코일에서 발생하는 전류를 합하면 연속적인 정현파전류가 됨을 알 수 있다. 실제적으로 이 전류는 코어리스 영구자석 선형동기전동기의 구동전류와 그 패턴이 동일하다.
제안된 추진시스템은 현대의 유연 생산 자동화 라인에서 요구되는 캐리어의 연속적인 흐름을 가능하게 하는 최적 해법이 될 수 있다. 제안된 구조는 분할 고정자 시스템 선형전동기로 분류할 수 있으며, 이동자 아래의 코일만 구동되므로, 작은 용량의 전류증폭기들을 높은 효율로 운전할 수 있다. 더구나 분할 코일과 전류증폭기의 모듈화가 가능하므로, 레일의 확장과 유지관리가 편리해지는 장점도 가진다.
따라서 기본 설계는 코어리스 영구자석의 설계 형태를 따른다. 제안된 추진전동기의 제어를 위하여, 새로운 개념의 유효코일 선택알고리즘을 제안하여, 코일의 영 전류 전환을 달성함으로써, 기존의 선형추진전동기 제어 알고리즘을 그대로 적용하여도 전체 레일구간에서 안정적으로 동작함을 실험적으로 보였다. 실험결과로부터, 영구자석 이동자를 추진시키기 위한 유효코일은 인접한 코일 3개로 정의되므로, 레일을 따라 이동자의 길이를 코일 4개 이상으로만 설계하면, 전체 레일 범위에서 원하는 수만큼 이동자를 추가하여 독립적으로 제어할 수 있으므로, 제안하는 추진시스템은 다수 캐리어들을 연속적으로 이송시키는 디스플레이 제조 공정라인 등의 새로운 자동화 시스템에 최적화된 물류이송 추진시스템이다.
1개 모듈을 동작시키기 위해서는 총 4개의 전류증폭기를 동작시켜서, 나머지 1개는 전환을 대기 할 수 있도록 구현하였다. 총 33개의 고정자 공심 코일은 릴레이회로를 통해 이러한 전류증폭기 모듈과 1:1로 연결되었으며, 릴레이 회로는 캐리어의 이동에 따라 전류증폭기 모듈과 연결되는 코일의 수를 항상 4개로 유지하게 하였다.
후속연구
반도체, 평판디스플레이, 그리고 여러 산업분야의 자동화 설비는 다품종 소량 생산이라는 거대한 흐름을 따라가고 있다. 따라서 향후 자동화 설비의 레일 상에 놓인 다수의 수동형 캐리어들은 서로 독립적으로 빠르게 이동하면서 동시에 정밀한 위치제어 성능을 가질 필요가 있다. 공통의 고정자 레일을 따라서, 다수의 수동형 캐리어를 독립적으로 제어할 수 있는 새로운 형태의 영구자석 선형동기전동기를 제안한다.
그림 1 (c)에 이러한 새로운 형태의 선형추진전동기의 구조를 나타낸다. 제안된 추진시스템은 현대의 유연 생산 자동화 라인에서 요구되는 캐리어의 연속적인 흐름을 가능하게 하는 최적 해법이 될 수 있다. 제안된 구조는 분할 고정자 시스템 선형전동기로 분류할 수 있으며, 이동자 아래의 코일만 구동되므로, 작은 용량의 전류증폭기들을 높은 효율로 운전할 수 있다.
그림 1에 제안된 다축 캐리어제어기는 캐리어의 수와 동일한 추진제어 블록을 가져야 한다. 향후 EtherCAT 등의 고속 동기 통신을 지원하는 전류증폭기를 사용하고, 다축 캐리어 제어기를 이송 구간별로 나누어 설치한다면, 전체 공장자동화 라인에서 제품의 생산속도 조절이 가능한 유연생산 시스템을 쉽게 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
영구자석 선형동기전동기의 장점은?
특히 이러한 분야에서는 자기부상컨베이어(EMLC)처럼 자기부상서스펜션과 정밀 선형전동기 추진이 결합된 시스템의 사용이 점차 확대되고 있다[1-4]. 고정자 권선이 레일에 고정되고, 영구 자석이 움직이는 구조가 일반적인 영구자석 선형동기전동기(PMLSM)는 기어장치 없이 직접추진력을 발생시키므로 효율이 높으며, 위치, 속도 및 가속도에 대하여 우수한 제어 특성을 가지는 장점을 가진다[5-9]. 그러나 영구자석 선형동기전동기는 돌극 구조에 의해 고정자 돌극 근처에서 당기고 밀리는 디텐트(detent) 힘이 발생하며, 이로 인해 추진력에 리플이 나타나는 단점이 있다.
코어리스 영구자석 선형동기전동기가 정밀 서보제어를 필요로 하는 자동화 시스템에 적합한 이유는?
기존의 코어리스 영구자석 선형동기전동기는 레일을 따라 배열된 영구자석이 공극자속을 정현파 형태로 분포시키기 때문에 이동자 코일에도 정현파 역기전력이 유기된다. 따라서 일반적인 영구자석 선형동기전동기의 디텐트 힘에 의한 추진력 리플이 발생하지 않으므로 정밀 서보제어를 필요로 하는 자동화 시스템에 적합하다[10,11]. 이러한 코어리스 영구자석 선형동기전동기에서, 이동자와 고정자의 역할을 바꾸어 공심형 코일을 레일에 설치하고 영구자석을 캐리어에 고정시켜도 추진력 리플이 발생하지 않아서 정밀서보제어의 장점을 잃지 않는다.
영구자석 선형동기전동기의 단점은?
고정자 권선이 레일에 고정되고, 영구 자석이 움직이는 구조가 일반적인 영구자석 선형동기전동기(PMLSM)는 기어장치 없이 직접추진력을 발생시키므로 효율이 높으며, 위치, 속도 및 가속도에 대하여 우수한 제어 특성을 가지는 장점을 가진다[5-9]. 그러나 영구자석 선형동기전동기는 돌극 구조에 의해 고정자 돌극 근처에서 당기고 밀리는 디텐트(detent) 힘이 발생하며, 이로 인해 추진력에 리플이 나타나는 단점이 있다. 최근까지 디텐트 힘을 줄이기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있지만 근본적으로 없앨 수는 없었다[6,10,11].
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