[논문]초정밀 자기부상 이송장치의 부상제어기 개발

하창완; 김창현; 임재원

doi:10.5302/j.icros.2016.16.0104

문제 정의

전자석의 인덕턴스 영향을 최소화하기 위한 전류제어기 설계와 부상공극을안정적으로 유지하기 위한 부상제어기 설계에 대해 구체적으로 제시하였다. 그리고 적분 제어기의 포화현상을 방지하기위해 Anti-windup 제어기와 주행 시 부상력 변동에 따른 캐리어의 피칭현상을 최소화하기 위한 섹션전환기술에 대해간략히 소개하였다. 현재 개발 중인 이송장치의 부상성능은정지부상과 정속/고속주행 시 최대부상변동량이 peak to peak 30.
본 논문에서는 현재 개발 중인 초정밀 자기부상 이송장치에 대해 소개하고자 한다. 특히, 원하는 성능을 만족시키기위해 부상제어기를 어떻게 설계하였는지에 대해 소개하고자한다.
본 연구는 그림 1과 같이 5세대 유리기판(1100mm x 1300mm)을 이송할 수 있는 초정밀 자기부상 이송장치를 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 유리 기판을 싣고 이송하는캐리어(1300mm x 1400mm)는 해당 유리 기판 사이즈에 맞춰제작되었다.
현재 사용 중인 롤러방식의이송장비는 분진발생과 마찰력과 같은 비선형적인 요인에의해 정밀제어가 어렵다는 단점이 있다. 이를 극복하고자 본연구에서는 자기부상기술을 활용한 자기부상 이송장치를 개발하였다. 특히 안정적인 부상과 부상공극변동을 최소화하기위한 부상제어기 설계에 대해 소개하였다.
이번에는 30mm/s(정속주행)와 500mm/s(고속주행)의 속도로주행 시 부상 특성을 관찰해 보았다. 주행 속도프로파일은 사다리꼴 프로파일을 이용하여 생성하였다[9].
특히 안정적인 부상과 부상공극변동을 최소화하기위한 부상제어기 설계에 대해 소개하였다. 전자석의 인덕턴스 영향을 최소화하기 위한 전류제어기 설계와 부상공극을안정적으로 유지하기 위한 부상제어기 설계에 대해 구체적으로 제시하였다. 그리고 적분 제어기의 포화현상을 방지하기위해 Anti-windup 제어기와 주행 시 부상력 변동에 따른 캐리어의 피칭현상을 최소화하기 위한 섹션전환기술에 대해간략히 소개하였다.
이를 극복하고자 본연구에서는 자기부상기술을 활용한 자기부상 이송장치를 개발하였다. 특히 안정적인 부상과 부상공극변동을 최소화하기위한 부상제어기 설계에 대해 소개하였다. 전자석의 인덕턴스 영향을 최소화하기 위한 전류제어기 설계와 부상공극을안정적으로 유지하기 위한 부상제어기 설계에 대해 구체적으로 제시하였다.
대해 소개하고자 한다. 특히, 원하는 성능을 만족시키기위해 부상제어기를 어떻게 설계하였는지에 대해 소개하고자한다.

제안 방법

하지만높은 턴수는 인덕턴스를 높이는 효과가 있어 제어하는 입력전압과 실제 코일에 흐르는 전류 간의 시간지연을 심화시키는 원인이 된다. 따라서 이러한 시간 지연을 최소화하여 시스템의 응답특성을 개선하기 위해 전류제어기를 사용하였다.
따라서착지상태에서도 허용전류범위 내에서 요구되는 부상력이 나오도록 전자기해석 상용프로그램(MAXWELL)을 이용하여그림 3과 같이 부상 전자석을 설계하였다. 허용전류범위는 전자석을 감는 코일 사양과 전력을 공급하는 장치의 사양에 의해 결정된다.
먼저 정지 부상 상태에서 그림 1과 같이 레이저 간섭계 (RENI아1AW此 XL80)을 이용하여 정지 부상 특성을 관찰해 보았다. 그 결과 그림 8과 같이 최대 부상 공극변동이 약 30|im 이내로 상당히 안정적으로 부상이 유지됨을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 PI 제어기를 이용하여 전류제어기를 구성하였다. 전류제어기의 입력 矿) 과 출력 (蜀) 간의 전달함수는 아래와 같다.
따라서 현장경험을 바탕으로 적절한 대역폭 선정이 중요하다. 본 연구에서는 부상제어기의 대역폭이 약 1아Iz가 되도록 부상제어기 게인을 조정하였다.
부상제어는 그림 5와 같이 구성하였다. 부상전자석의 인덕턴스 영향을 최소화하기 위해 전류제어기를 내부루프(Inner loop)에 두었으며 외부루프(Outer loop)에는 부상제어기를 배치하였다. 외부루프인 부상제어기는 내부루프의 지령치(전류지령)를 생성하며 내부루프인 전류제어기는 부상제어기가 요구하는 전류를 생성하도록 노력한다.
앞 절에서 소개한 부상제어기를 현재 개발 중인 초정밀 자기부상 이송장치에 적용하여 부상 특성을 관찰해 보았다.
)이 있을 경우, 적분제어에 의해 부상전자석들 간의 부상력 분배 불균형이 심해질 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 전류제어기와 부상제어기에서사용하는 적분제어기의 누적오차 포화 현상(Integral windup)을방지하게 위해 역계산 방법을 이용한 Anti-windup 제어기를추가하였다[7]. 이를 통해 부상 전자석들 간의 부상력 분배 불균형 심화를 방지할 수 있다.
이를 위해 그림 4와 같이 레일 면에 부착되어 있는 공극센서를 이용하여 캐리어와 레일 간의 공극을 실시간으로 계측하고 이 정보를 바탕으로 부상 공극이 일정하게 유지되도록 부상전자석에 인가되는 전류를 정밀하게 제어한다.
캐리어의 자중을 이기고 부상시키기 위해 원하는 부상력을 낼 수 있는부상전자석을 설계하여야 한다. 캐리어는 좌우 각각 7개(총 14개)의 부상전자석이 캐리어의 자중을 나눠서 부담하도록설계하였다. 이는 개별 부상 전자석의 용량을 낮추는 효과와주행 시 부상 전자석의 ON/OFF에 따른 스위칭 효과를 최소화하기 위함이다.

성능/효과

그 결과 그림 8과 같이 최대 부상 공극변동이 약 30|im 이내로 상당히 안정적으로 부상이 유지됨을 확인할 수 있었다. 추후 주기적으로 발생하는 센서 노이즈 영향을 줄인다면추가적인 성능개선도 가능하리라 기대된다.
707。】 되도록 흐}는것이 바람직하다. 실제 전류제어기 게인을 조정한 결과 전류제어기의 대역폭은 약 7아Iz 정도가 됨을 확인할 수 있었다.
이를 통해 부상 전자석들 간의 부상력 분배 불균형 심화를 방지할 수 있다. 실험 결과, Anti-windup 제어를사용하지 않은 경우에는 적분기의 누적오차 포화현상으로인해 장시간의 부상유지가 힘든 반면, Anti-windup 제어 적용시에는 부상전자석들 간의 부상력 분배가 적분제어기 설계설정치 범위 내에서 균형이 유지되어 장시간의 부상유지가가능해졌다.
캐리어가 이동하면서 부상 전자석의 활성과 비활성이 교차되며 이에 따라 부상 공극 신호도 변화한다. 정속주행(30mm/s) 시 최대 부상 공극변동은 172.1師로 비교적 안정적이며, 주행속도가 높아짐에 따라 캐리어의 피칭현상이 심해져 부상공극변동이 커지는 경향을 보임을 확인하였다. 추후 섹션전환제어의 개선과 캐리어의 피칭제어 추가를 통해 해당 성능을개선할 수 있으리라 기대된다.
그리고 적분 제어기의 포화현상을 방지하기위해 Anti-windup 제어기와 주행 시 부상력 변동에 따른 캐리어의 피칭현상을 최소화하기 위한 섹션전환기술에 대해간략히 소개하였다. 현재 개발 중인 이송장치의 부상성능은정지부상과 정속/고속주행 시 최대부상변동량이 peak to peak 30.1, 172.1, 343.3pm로 비교적 안정적으로 유지되며, 속도 안정성과 위치반복정밀도는 산업에서 요구하는 성능을 만족하는 것으로 확인되었다. 추후 부상제어기 개선과 센서 노이즈저감을 통해 해당 성능을 개선할 계획이다.

후속연구

3pm로 비교적 안정적으로 유지되며, 속도 안정성과 위치반복정밀도는 산업에서 요구하는 성능을 만족하는 것으로 확인되었다. 추후 부상제어기 개선과 센서 노이즈저감을 통해 해당 성능을 개선할 계획이다.
1師로 비교적 안정적이며, 주행속도가 높아짐에 따라 캐리어의 피칭현상이 심해져 부상공극변동이 커지는 경향을 보임을 확인하였다. 추후 섹션전환제어의 개선과 캐리어의 피칭제어 추가를 통해 해당 성능을개선할 수 있으리라 기대된다.
그 결과 그림 8과 같이 최대 부상 공극변동이 약 30|im 이내로 상당히 안정적으로 부상이 유지됨을 확인할 수 있었다. 추후 주기적으로 발생하는 센서 노이즈 영향을 줄인다면추가적인 성능개선도 가능하리라 기대된다.

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