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문제 정의
- 본 논문에서는 롤과 피치 움직임을 최소화시키기 위해 인접한 전자석간의 상호영향을 고려한 부상제어기의 구성을 제안하며, 전체 제어시스템 구성은 다음의 그림 5와 같다. 한 개의 전자석을 기준으로 y축과 x축 방향의 전자석과 결합한 형태로 상호간의 작용을 고려한다.
- 본 논문에서는 실제 자기부상이송시스템에 적용하기 위하여 전자석간의 상호영향이 고려된 부상제어기의 설계 방법을 제안하였으며, 이식성, 확장성 및 안정성이 개선된 DSP기반의 모듈형 하드웨어 제어기를 제작하였다. 제안한 제어시스템의 성능을 평가하기 위하여 초기 공극 0mm에서 정격 공극 3mm로 부상제어실험을 진행하였다.
- 본 논문에서는 자기부상 물류이송시스템의 부상 및 추진제어기설계 방법을 제안하였다. 부상제어기는 롤과 피치 움직임을 최소화시키기 위해 전자석간의 상호영향을 고려하여 설계하였다.
제안 방법
- 자기부상 물류이송시스템의 전체 제어 구조는 다음의 그림 1과 같으며, 부상제어기와 추진제어기로 구성된다. 4개의 전자석이 흡인식 자기부상력을 얻기 위하여 레일 아래에 부착된 구조이며, 와전류 형태의 공극 센서 4개를 사용하여 레일과 자기부상이송장치사이의 공극을 검출한다. 부상제어기는 공극값을 바탕으로 전자석에 공급되는 전류를 제어하여 흡인력을 발생시킨다.
- 본 연구에서 개발한 자기부상이송시스템의 실제 모습은 그림 2와 같다. 500N의 전자석을 적용하여 설계목표인 정격공극 3mm로 자기부상이 가능한 구조를 갖도록 하였다.
- 부상제어기는 롤과 피치 움직임을 최소화시키기 위해 전자석간의 상호영향을 고려하여 설계하였다. 또한 자기부상이송시스템의 구조적인 단점을 개선하기 위하여 기준입력단에 지수형 필터를 적용하여 오버슈트를 줄였고, DSP기반의 제어하드웨어를 제작하여 정격 공극 3mm로 부상실험을 통해 부상제어기가 설계 목표를 만족함을 검증하였다. 추진제어기는 공간벡터 전압변조기법을 사용하고, 레일의 전 구간에 부착된 바코드 정보로부터 절대위치를 감지하여 구동프로파일을 추종하도록 제안하였다.
- 추진제어기 제어부의 DSP는 150MHz 연산능력을 가진 TMS320F28335를 사용하였다. 또한 자기부상이송시스템의 절대위치를 읽기 위해 바코드 리더를 적용했다. 레일의 전 구간에 부착된 바코드를 읽어 실시간으로 절대위치를 인지할 수 있다.
- 제안한 자기부상이송시스템의 부상제어기의 성능을 실제 실험을 통해 검증하기 위해 DSP기반의 자기부상제어기 하드웨어를 제작했다. 본 연구에서 제작한 하드웨어 자기부상제어기는 산업 현장의 요구를 반영한 모듈형태의 구조로 안정성, 확장성, 이식성을 개선하였다[10-11]. 실제 산업 현장에서 적용하는 자기부상제어시스템은 요구되는 설계 사양의 규모가 크기 때문에 고전압을 사용한다.
- 본 논문에서는 자기부상 물류이송시스템의 부상 및 추진제어기설계 방법을 제안하였다. 부상제어기는 롤과 피치 움직임을 최소화시키기 위해 전자석간의 상호영향을 고려하여 설계하였다. 또한 자기부상이송시스템의 구조적인 단점을 개선하기 위하여 기준입력단에 지수형 필터를 적용하여 오버슈트를 줄였고, DSP기반의 제어하드웨어를 제작하여 정격 공극 3mm로 부상실험을 통해 부상제어기가 설계 목표를 만족함을 검증하였다.
- 에는 정격 공극 3mm를 대입했고, 입력의 높은 응답성을 위해 샘플링 시간계수인 β를 계산하여 구했다. 샘플링 시간계수의 선정방법은 제안한제어기의 설계사양에 만족하도록 구한 후에 그 값을 기준으로 실험을 통해 적절히 조절하여 자기부상제어시스템의 제어 명령단에 지수형 필터를 설계했다. 그림 6은 지수형 필터를 이용한 자기부상제어의 구조를 나타낸다.
- 실제 적용한 자기부상제어기에 적용하기 위해서 초기 공극 0mm에서 정격 공극 3mm인 설계목표를 만족하도록 Sp에는 정격 공극 3mm를 대입했고, 입력의 높은 응답성을 위해 샘플링 시간계수인 β를 계산하여 구했다.
- 속도와 위치추종 결과는 다음의 그림 14와 같다. 위치제어의 정확도를 확인하기위해 동일한 구간을 10회 반복구동 실험하여 위치제어 오차를 구했다. 자기부상이송시스템의 위치제어 실험은 평균 2.
- 공간벡터 전압변조기법은 3상의 6개 스위치를 한꺼번에 고려하여 인버터의 스위칭 상태를 미리 계산된 순서와 지속 시간에 따라 전환해주는 방식이다. 이 방식은 각스위칭 주기마다 수치 계산을 필요로 하므로 DSP 기반의 추진제어 하드웨어를 개발하였다.
- 오랫동안 고전압을 사용할 때 전자석에 전압을 공급해주는 전원장치에 고장이 발생하거나 설계 사양의 요구가 변경되어 자기부상시스템의 부상력 증가를 필요로 할 때 제어기 전체를 다시 제작해야하는 단점이 있다. 이런 문제점들을 개선하기 위해 그림 7과 같이 제어 보드와 인터페이스 보드를 분리하여 설계하였다[11].
- 자기부상시스템의 구조적 특징으로 제어 출력의 오버슈트는 자기부상시에 레일과 부딪혀 기구 및 제어기의 파손을 초래할 수 있다. 이런 자기부상이송장치의 구조적 단점을 개선하기 위해서 제어명령단에 지수형 필터를 설계하여 적용하였다.
- 추진제어기는 공간벡터 전압변조기법을 사용하고, 레일의 전 구간에 부착된 바코드 정보로부터 절대위치를 감지하여 구동프로파일을 추종하도록 제안하였다. 자기부상 물류이송시스템의 왕복 이동 실험을 통해 추진 제어기의 성능을 검증하였다. 향후자기부상 이송시스템의 비선형성이 고려된 강인제어기법에 관하여 연구를 진행할 예정이다.
- 부상제어기는 공극값을 바탕으로 전자석에 공급되는 전류를 제어하여 흡인력을 발생시킨다. 자기부상을 한 상태에서 비접촉식 직선 추진력을 얻기 위하여 종자속형 선형유도전동기를 사용하였다. 레일의 전 구간에 부착된 바코드를 물류이송시스템 하단부에 위치한 바코드 리더를 통해 절대위치를 감지하여 위치제어를 한다.
- 자기부상이송시스템의 바코드 리더를 통해 실시간 위치를 피드백 받으며, 프로파일을 통해 생성된 위치와 속도를 지속적으로 추종하고 보정하기 위해서 이중으로 구성된 피드백 제어를 적용하였다. 그림 8은 자기부상이송시스템의 추진제어기의 구성을 나타낸다.
- 자기부상이송시스템이 자기부상한 레일 위에서 비접촉식 직선추력을 얻기 위해 선형 유도전동기를 사용했다. 선형 유도전동기는 회전형 유도전동기의 고정자에 해당하는 1차측 이동자와 유도전동기의 회전자에 해당하는 2차측 고정자로 구성된다.
- 제안한 자기부상이송시스템의 부상제어기의 성능을 실제 실험을 통해 검증하기 위해 DSP기반의 자기부상제어기 하드웨어를 제작했다. 본 연구에서 제작한 하드웨어 자기부상제어기는 산업 현장의 요구를 반영한 모듈형태의 구조로 안정성, 확장성, 이식성을 개선하였다[10-11].
- 본 논문에서 제안한 자기부상이송시스템의 부상 및 추진제어기의 성능을 검증하기 위해서 실험환경을 다음의 그림 10과 같이 구축하였다. 제안한 제어기 설계 방법을 적용한 자기부상이송시스템의 초기 공극 0mm에서 정격 공극 3mm 부상제어 실험을 진행했다. 실험은 오버슈트 15%, 정착시간 0.
- 본 논문에서는 실제 자기부상이송시스템에 적용하기 위하여 전자석간의 상호영향이 고려된 부상제어기의 설계 방법을 제안하였으며, 이식성, 확장성 및 안정성이 개선된 DSP기반의 모듈형 하드웨어 제어기를 제작하였다. 제안한 제어시스템의 성능을 평가하기 위하여 초기 공극 0mm에서 정격 공극 3mm로 부상제어실험을 진행하였다. 실험 결과 제안한 시스템의 성능이 만족할만한 성능을 보임을 확인하였다.
- 또한 자기부상이송시스템의 구조적인 단점을 개선하기 위하여 기준입력단에 지수형 필터를 적용하여 오버슈트를 줄였고, DSP기반의 제어하드웨어를 제작하여 정격 공극 3mm로 부상실험을 통해 부상제어기가 설계 목표를 만족함을 검증하였다. 추진제어기는 공간벡터 전압변조기법을 사용하고, 레일의 전 구간에 부착된 바코드 정보로부터 절대위치를 감지하여 구동프로파일을 추종하도록 제안하였다. 자기부상 물류이송시스템의 왕복 이동 실험을 통해 추진 제어기의 성능을 검증하였다.
- 추진제어기는 바코드 리더로부터 레일의 전 구간에 존재하는 바코드를 통해 자기부상이송시스템의 절대위치를 읽고 다음의 3차방정식의 위치와 속도 프로파일을 추종하도록 설계하였다.
대상 데이터
- PC와 데이터를 주고 받기 위한 직렬 통신 모듈을 구성했고, 인터페이스 보드와 연결하기 위해 라인 드라이버를 사용하였다. 인터페이스 보드는 4개의 16bit ADC와 DAC를 포함하며, 24채널 아날로그 입력포트와 16개의 아날로그 출력포트로 구성하였다. ADC단의 입력은 전류와 공극센서에서 신호를 입력받고, DAC단은 부상제어를 위한 지령을 받아 드라이버에 입력되는 기준전압을 출력한다.
- 자기부상이송시스템의 위치제어 성능을 검증하기 위하여 초기위치에서 목표 위치 1200mm로 추진제어 실험을 했다. 속도와 위치추종 결과는 다음의 그림 14와 같다.
- 자기부상제어기의 제어 보드와 인터페이스 보드로 분리된 구조로서 제어 보드의 DSP는 300MHz의 연산능력을 가진 TMS320C28346을 사용하였다[11]. PC와 데이터를 주고 받기 위한 직렬 통신 모듈을 구성했고, 인터페이스 보드와 연결하기 위해 라인 드라이버를 사용하였다.
- 자기부상이송시스템 추진제어기의 하드웨어 구성은 그림 9와 같고, 제어부와 인버터로 구성된다. 추진제어기 제어부의 DSP는 150MHz 연산능력을 가진 TMS320F28335를 사용하였다. 또한 자기부상이송시스템의 절대위치를 읽기 위해 바코드 리더를 적용했다.
데이터처리
- 표 1은 각각의 전자석에 대한 시간응답 성능지표들의 결과를 나타낸다. 오버슈트를 계산하기 위하여 정상상태도달 후 측정된 데이터의 평균값을 이용하여 계산했다.
이론/모형
- 자기부상제어기의 제어 보드와 인터페이스 보드로 분리된 구조로서 제어 보드의 DSP는 300MHz의 연산능력을 가진 TMS320C28346을 사용하였다[11]. PC와 데이터를 주고 받기 위한 직렬 통신 모듈을 구성했고, 인터페이스 보드와 연결하기 위해 라인 드라이버를 사용하였다. 인터페이스 보드는 4개의 16bit ADC와 DAC를 포함하며, 24채널 아날로그 입력포트와 16개의 아날로그 출력포트로 구성하였다.
- 선형 유도전동기의 추진 제어를 위해 3상전류 출력을 낼 수 있는 인버터를 사용하며, 입력되는 직류전압의 스위칭 동작을 이용하여 교류 전압으로 변조한다. 스위칭 동작을 위한 전압 변조 방식으로 공간벡터 전압변조기법을 사용하였다. 공간벡터 전압변조기법은 3상의 6개 스위치를 한꺼번에 고려하여 인버터의 스위칭 상태를 미리 계산된 순서와 지속 시간에 따라 전환해주는 방식이다.
성능/효과
- 35초 이내에서 정상상태를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 제안된 자기부상제어기의 동작 실험은 정격 공극 3mm에서 목표 설계 사양을 충족하는 성능을 보였다.
- 상승시간은 평균 0.1146sec로 빠른 응답을 보였으며 정상상태 도달 후 오차의 최대값은 평균 0.0737mm, 최소값은 –0.0421mm의 성능을 보였다.
- 제안한 제어시스템의 성능을 평가하기 위하여 초기 공극 0mm에서 정격 공극 3mm로 부상제어실험을 진행하였다. 실험 결과 제안한 시스템의 성능이 만족할만한 성능을 보임을 확인하였다.
- 그림 11은 자기부상시스템의 정격 공극 3mm로 자기부상제어의 실험결과를 그래프로 나타낸다. 자기부상 실험의 결과로 오버슈트는 최소값 4.6%, 최대값은 10.96%를 보였다. 상승시간은 평균 0.
- 위치제어의 정확도를 확인하기위해 동일한 구간을 10회 반복구동 실험하여 위치제어 오차를 구했다. 자기부상이송시스템의 위치제어 실험은 평균 2.58%의 오차를 보였다.
후속연구
- 자기부상 물류이송시스템의 왕복 이동 실험을 통해 추진 제어기의 성능을 검증하였다. 향후자기부상 이송시스템의 비선형성이 고려된 강인제어기법에 관하여 연구를 진행할 예정이다.
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