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분할 경계층 모델을 이용한 리니어 모터 끝단 현상에 의한 힘의 파동 모델링에 관한 연구
김재현(J. H. Kim),정상원(S. W. Jung),권윤식(Y. S. Kwon),윤준영(J. Y. Yoon) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
Permanent Magnet Linear Synchronous Motor (PMLSM)는 반도체 생산 장비를 비롯한 다양한 제조 및 정밀 가공 시스템에 적용되고 있다. 리니어 모터의 고정자와 이동자에 존재하는 끝단에 의해 공극의 양 끝에서 자기장은 비주기적인 분포를 보이게 되며, 이는 곧 모터 힘의 파동을 만들어낸다. 이러한 힘의 파동에 의한 원치 않는 진동은 서보 시스템의 위치 제어 정확도를 낮추는 주범이 되므로 정밀 제어의 성능 향상을 위해서는 설계 단계에서부터 끝단 현상이 반드시 고려되어야만 한다. 맥스웰 방정식을 기반으로 하여 직접 자기장 해(Magnetic Field Solution)를 구하는 기존의 경계층 모델의 경우, 유한요소해석과 비교하여 해석시간이 짧다는 장점이 있지만, 푸리에 급수 전개를 이용한 풀이과정에서 모터의 기본 유닛이 양 끝으로 무한히 펼쳐져 있다는 가정으로 인해 끝단 현상을 제대로 반영하지 못한다. 끝단 현상을 반영하기 위해 기존의 경계층 모델을 수정하려는 다양한 시도가 있었지만, 전류에 의한 힘의 파동이 고려되지 않거나, 이동자 혹은 고정자중 한쪽에 의한 끝단 현상만 고려되는 등의 한계가 존재한다. 본 연구에서는 백아이언(Back-iron)이 위치한 경계층의 기본주기를 다르게 설정하고, 전류밀도에 대한 경계층을 모델에 포함하는 분할 경계층 모델(Segmented Layer Model)을 제시하였다. 이를 통해 이동자 및 고정자에 의한 끝단 현상을 모두 반영하면서도, 모터의 형상에서 기인하는 힘의 파동뿐만 아니라 전류를 가해 줌에 따라 추가적으로 발생하는 힘의 파동을 포함하는 모터 힘을 모델링 하였다. 유한요소해석과 비교하였을 때, 분할 경계층 모델은 99% 이상의 정확도를 유지하면서도 해석에 소요되는 시간을 약 40 배 이상 줄여준다는 것을 확인하였다.
엔코더 분해능 실시간 제어를 통한 정지 상태 모터 진동 저감 방법 연구
김은규(E. K. Kim),송원택(W. Song),권윤식(Y. S. Kwon),김재현(J. H. Kim),윤형민(H. M. Yoon),이효건(H. G. Lee),윤준영(J. Y. Yoon) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
고정밀 계측 장비 등에 사용되는 이송 스테이지는 고속 이송을 위한 고가속 서보 성능뿐만 아니라 정밀 계측을 위한 엄격한 정지 상태를 유지하는 것이 중요하다. 이송 스테이지의 서보 제어 루프에 사용되는 위치 센서는 주로 증분식 엔코더를 이용한다. 이를 통해 얻은 이산화된 위치 신호는 서보 제어 루프와 결합하여 정지 명령 상태에서도 모터에 진동을 야기시킬 수 있다. 본 연구에서는 이산화 신호를 이용한 모터 위치제어 시스템에서 정지 명령 시 진동이 발생하는 과정을 분석하고, 실험적으로 검증하며, 이를 바탕으로 엔코더 분해능 조절 알고리즘을 통해 모터의 정지 상태 진동을 저감하는 방법을 제안 및 검증한다. 이산화된 위치 신호 피드백을 이용하는 서보 제어 시스템을 모델링하여 재생적 제어 신호(Regenerative Control Current)로 인한 진동이 발생하는 메커니즘을 분석하였다. 발생하는 진동의 주파수는 제어 파라미터에 의해 결정되며 진폭의 크기는 엔코더 분해능 크기에 비례함을 이론 모델을 통해 보였으며, 영구자석-선형동기모터를 이용한 이송 스테이지 테스트베드를 통해 실험적으로 검증하였다. 이러한 진동 발생 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로 하여, 고속 이송 성능을 유지하면서 정지 상태 진동을 저감하기 위해 실시간 제어 가능한 엔코더 분해능 조절 알고리즘을 제안하였고, 테스트베드 적용을 통해 실험적으로 검증하였다. 제안한 진동 저감 방법은 고가속 성능과 고정밀 정지 제어 성능이 요구되는 다양한 산업 어플리케이션에 실용적인 방법론을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.