이송시스템용 양측식 영구자석 선형 전동기의 정밀 속도 및 위치 제어에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

최근 반도체, 디스플레이, 정밀가공 및 물류 자동화 산업의 발전에 따 라 고정밀·고응답 이송시스템에 대한 요구가 증가하고 있다. 특히 영구 자석 선형동기전동기（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor : PMLSM）는 기계적 변환기구 없이 직접 직선 운동을 구현할 수 있어 높은 응답성과 위치 정밀도를 제공하므로 차세대 정밀 이송시스템의 핵 심 구동원으로 주목받고 있다. 그러나 PMLSM은 구조적 특성에 의해 발생하는 디텐트력（Detent Force）, 추력 리플（Thrust Ripple）, 엔드 효과（End Effect） 및 부하 변동 등에 의해 속도 리플과 위치 오차가 발 생하며, 이는 고정밀 제어 성능을 저하시킨다. 특히 고하중 수직운전 환 경에서는 중력 부하와 자기 비선형성이 결합되어 제어 안정성이 더욱 악 화되는 문제가 존재한다.
본 논문에서는 이송시스템용 양측식 영구자석 선형전동기의 정밀 속도 및 위치 제어 기법을 제안하고, 구조적 리플 저감과 능동 보상 제어를 결합한 고정밀 제어 시스템을 구현하였다. 우선 양측식 구조를 적용하여 자기회로의 대칭성을 향상시킴으로써 편측식 구조에서 발생하는 수직력 （Normal Force）, 누설자속 및 디텐트 힘을 효과적으로 감소시켰다. 또 한 dq축 기반의 수학적 모델링과 운동방정식을 이용하여 선형전동기의 동특성을 해석하였으며, 위치 의존형 디텐트력 모델을 도출하였다.
제안된 제어 시스템에서는 디텐트력 보상을 위한 위치 기반 Feedforward 제어기와 반복 외란 억제를 위한 Iterative Learning Control（ILC）을 적용하였다. Feedforward 제어는 위치에 따른 추력 리 플을 사전에 보상하여 속도 변동을 감소시키며, ILC는 반복 이송 구간 에서 발생하는 잔류 리플을 학습하여 점진적으로 제거한다. 또한 수직운 전 조건에서는 중력 보상 전류를 포함한 q축 전류 기준 값을 구성하여 고하중 환경에서도 안정적인 속도 및 위치 제어가 가능하도록 하였다.
제안한 제어기법의 타당성을 검증하기 위해서는 100[kg], 200[kg] 및 300[kg] 부하 조건에서 수평 및 수직운전 실험을 수행하였다. 실험 결과, 양측식 구조는 편측식 구조 대비 속도 리플과 전류 리플을 효과적 으로 감소시켰으며, 특히 고부하 수직운전 조건에서 우수한 운동 연속성 과 위치 안정성을 나타내었다. 또한 Feedforward 및 ILC 보상기법을 적용함으로써 잔류 속도 리플과 위치 오차가 추가적으로 감소함을 확인 하였다.
본 연구를 통해 제안한 양측식 영구자석 선형전동기의 정밀 제어 기법 은 고하중·고정밀 이송시스템에 효과적으로 적용 가능함을 확인하였다. 향후 반도체 및 디스플레이 제조장비, 초정밀 자동화 시스템 등의 고 성능 직선 구동 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경과 목적 1
• 1.2 연구의 방법 및 내용 4
• 1.3 논문의 구성 7
• Ⅱ. PMLSM 구조 및 정특성 해석 10
• 2.1 PMLSM의 구조 및 종류 10
• 2.2 PMLSM의 동작 원리 및 해석 모델 17
• 2.3 PMLSM의 추력 리플 발생 27
• 2.4 FEM 해석 모델 및 지배 방정식 34
• 2.5 FEM 해석 결과 및 특성 분석 37
• Ⅲ. PMLSM의 동특석 해석 45
• 3.1 PMLSM의 동적 모델링 45
• 3.2 공간 벡터 이론 48
• 3.3 PMLSM의 수학적 모델링 53
• 3.4 PMLSM의 추력 방정식 및 동특성 해석 66
• Ⅳ. PMLSM 인버터 및 제어알고리즘 71
• 4.1 PMLSM의 벡터제어 원리 71
• 4.2 공간벡터 PWM（Space Vector PWM） 인버터 73
• 4.3 PMLSM의 제어 시뮬레이션 81
• 4.4 제어 시스템 설계 87
• Ⅴ. 정밀 속도 및 위치 운전 궤적 95
• 5.1 S 곡선 운전 궤적 95
• 5.2 비대칭 S 운전 궤적 제약 조건 96
• 5.3 운전 궤적의 계산식 98
• 5.4 운전 궤적 사례별 수식 유도 100
• Ⅵ. 이송시스템용 구동 제어 시스템의 특성 실험 105
• 6.1 이송시스템 구조 105
• 6.2 PMLSM의 정특성 실험 107
• 6.3 PMLSM의 시작기 110
• 6.4 실험 장비 114
• 6.5 맵 상수 생성 및 실험 119
• 6.6 이송 시스템의 동특성 실험 125
• Ⅶ. 결 론 148
• 참고문헌 150
• 부 록 160
• Abstract 163