초록 ▼

최종목표
• FOC 제어 방식의 PMSM 정밀급 모터 컨트롤러 개발
• 모터 컨트롤러 EtherCAT, RS485, CAN 통신 프로토콜 적용
• IoT 연동형 모터 컨트롤러 원격 모니터링 및 제어 시스템 개발
• 고효율 초소형 크기의 750W Power Stack 개발
• Torque ripple 1% 이하 48V 200W 슬롯리 스 PMSM 모터 개발

개발내용 및 결과
다음의 세부 항목 기술을 개발 완료하였음.
1) EtherCAT 통신을 적용한 FOC 제어방식의 정밀급 PMSM

최종목표
• FOC 제어 방식의 PMSM 정밀급 모터 컨트롤러 개발
• 모터 컨트롤러 EtherCAT, RS485, CAN 통신 프로토콜 적용
• IoT 연동형 모터 컨트롤러 원격 모니터링 및 제어 시스템 개발
• 고효율 초소형 크기의 750W Power Stack 개발
• Torque ripple 1% 이하 48V 200W 슬롯리 스 PMSM 모터 개발

개발내용 및 결과
다음의 세부 항목 기술을 개발 완료하였음.
1) EtherCAT 통신을 적용한 FOC 제어방식의 정밀급 PMSM 모터드라이버를 개발했으며 그에 따른 세부 개발 항목은 다음과 같음
• 3상 모터 제어에 최적화된 Cortex-M4 32bit RISC 프로세서 보드
• IPM 모듈을 적용한 250W급의 3상 인버터 보드 개발
• 하드웨어 전원별 Isolation 적용으로 절연에 대한 안정성 확보
• FOC(Field Oriented Control, 모터 회전자의 자속 방향과 일치하는 d축과 이에 수직인 q축에 대해 각각 전류제어) 제어기 개발
• 전류 및 속도 제어를 위한 PID 제어기 개발
• 응답 속도 개선을 위한 Feed-forword 제어기 개발
• 부하 토크 추정 이 가능한 Kalman-Filter 알고리즘 개발
• EtherCAT/CAN/RS485 통신인터페이스 하드웨어 및 펌웨어 개발
• Over Voltage, Over Current Protect 하드웨어 및 펌웨어 개발
• 고속응답 및 잡음 특성이 강해 장거리 전송에 적합한 차동모드 엔코더 신호입력 하드웨어 개발
• IoT 연동형 모터 컨트롤러 원격 모니터링 및 제어 시스템 개발
2) 750W급의 정밀급 모터드라이버에 적용 가능한 Power Stack 개발
• EMI 및 내전압 시험에 대비하기 위한 AC Line Filter 설계
• CCM(Continuous Conduction Mode) PFC 회로 설계
• 스위칭 트랜스 설계 스위청에서 발생하는 링깅 현상 개선
• OVP, OCP 하드웨어 설계
• 선전압 보상을 위한 V-Sensing 회로 설계
3) 200W급의 정밀급 슬롯리스 PMSM 모터 개발
• 자기등가회로를 이용한 기초 설계 프로세스 정립
• 고정밀도의 SLA 방식의 3D 프린팅 기술을 적용한 New-type 권선 구조
• 정격 10,000RPM (최대 12,000RPM)
• BEMF THD(3,000RPM) 0.336%

기술개발 배경
• 2016년 산업통상자원부는 첨단 제조로봇분야를 집중 육성하기 위한 정책을 시행
• 산업자원통상부에서 발표한 “산업기술 R&BD 전략 (2014)” 자료에 따르면 국내 로봇부품 용도별 3대 핵심부품군(센서, 구동기, 제어기)이 로봇 완성품에서 차지하는 부품별 원가비중은 46% 임
• 중국 공업정보화부는 '13차 경제개발 5개년 계획(2016~2020년)에 로봇산업을 포함시켜 집중 육성하겠다는 방침을 발표
• 정밀급 모터 제어 시스템의 대표적인 외국기업인 Yaskawa, Mitsubishi, Maxon 3사의 2016년도 국내시장 매출 규모는 5천억원 이상이며 기술력 측면에서 선진 외산업체의 기술 수준에 근접한 기술을 확보하게 되므로 수입 대체 효과가 있을 것으로 파악

핵심개발 기술의 의의
일반적인 6-Step 제어 방법은 토크 리플로 인해 정밀급 모터 제어에는 적합하지 않음. 토크 리플을 최소화하고, 어떤 각도나 속도에서도 최대 토크를 생산하는 FOC 제어 방법을 적용한 모터 드라이버 기술은 설계 및 알고리즘 개발이 쉽지 않아 주로 고급 서보제어기에서 사용하는 방법이며 여기에 고속 데이터 전송이 가능한 EtherCAT 통신 을 적용함으로써 실시간 동기 서보 제어가 가능하고, 여분의 통신 대역폭을 이용하여 한 개의 서보드라이버 모듈에, Analog I/O 및 Digital I/O의 기능을 넣을 수 있어 원가 절감 효과가 우수하다. 또, EtherCAT 통신을 적용하였으므로 EtherCAT 그룹에서 제시하는 PLC 프로그래밍 방법과 매유 유사한 방법으로 모터 제어용 운용 프로그램 을 작성할 수 있어서 고가의 PLC용 서보 드라이버 수요를 대체 할 수 있을 것으로 판단 됨.

적용 분야
3-DOF 이상의 다관절 로봇 시스템, 3-Axis 직교 좌표계를 이용하는 자동화 시스템, AGV 시스템, Delta Robot 시스템과 같이 정밀급 모터 제어 시스템이 사용된 자동화 시스템에 적용 가능 함.

(출처 : 초록 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 11
• 목차 ... 14
• 제 1 장 서론 ... 15
• 제 1 절 과제의 개요 ... 15
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 18
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 18
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 21
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 22
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 27
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 27
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 28
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 28
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 28
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 29
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 96
• 1. 당해연도 추진 체계 ... 96
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 99
• 제 4 절 고용 창출 효과 ... 102
• 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 103
• 끝페이지 ... 104