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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김장목
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수1
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근래 들어 회전기와 벨트, 체인 또는 랙 & 피니언 등의 기계적 동력 전달 장치를 이용해 구성되어 왔던 이송 시스템을 선형 전동기로 대체하려는 연구들이 많이 진행되고 있다. 선형 전동기의 적용은 회전형 전동기와 기계적 동력 전달장치를 사용하는 시스템에 비해 고속 및 고정밀 제어가 가능하여 제품의 생산성이 향상될 수 있고, 분진의 발생이 적어서 LCD 제조 공정과 같은 청정 지역에서 사용하기에 적합한 시스템이 될 수 있다. 하지만 영구자석 동기 선형 전동기나 유도 선형 전동기와 같은 기존의 종자속 전동기를 이송 시스템에 적용할 경우 고정자의 길이만큼 영구자석을 설치함으로써 비용 및 유지 보수에 있어서 문제될 수 있으며, 낮은 추력밀도로 인하여 시스템의 부피가 커지고 정밀 제어에 있어서 어려움을 가져올 수 있는 단점이 있다. 최근 들어 이러한 기존의 선형전동기의 단점을 극복할 수 있는 새로운 형태의 전동기로 횡자속 선형전동기가 많이 연구되어 왔다. 횡자속 선형전동기는 고정자에 영구자석을 사용하지 않으며, 추력 밀도에 있어서 기존의 영구자석 동기전동기에 비해 동등 이상이 되어 장거리 이송 시스템에 적용하기 적당한 선형 전동기로 평가받고 있다.
횡자속 선형전동기를 포함한 기존의 선형전동기를 제어하기 위해서는 선형 위치 검출 센서가 필요한데, 일반적으로 리니어 스케일이 많이 사용되고 있다. 하지만 이송 시스템의 이동 거리가 길어질수록 그에 비례하여 위치 검출 센서의 비용이 증가하게 된다. 이러한 위치 검출 센서의 비용도 선형전동기 적용이 확대 되는데 있어서 걸림돌이 되고 있다.
본 논문에서는 횡자속 선형전동기의 고정자 특성을 이용한 저가형 위치 센서에 대하여 연구하였다. 횡자속 선형전동기의 고정자는 일정한 간격의 치 구조의 형태를 갖고 있다. 여기에 영구자석, 철심 코어 및 선형 홀 센서로 구성된 자기센서 모듈을 설치하여 sine 및 cosine 신호를 출력하도록 하고 이를 arc-tan 취하여 선형 위치를 검출하는 방법을 이용하였다. 먼저 자기센서 모듈로부터 가능한 THD가 적고 검출되는 자속밀도가 적절한 정현적인 신호를 얻기 위하여 매개변수 설계법을 통한 자기센서 모듈을 설계하였다. 자기센서 모듈의 치수와 횡자속 선형전동기의 고정자와의 공극을 매개변수로 하여 다른 변수를 고정하고 하나씩 차례로 변동시키며, 설계 명세를 만족하는 변수값을 구하고, 최종적으로 결정된 매개변수에 대해 설계 명세를 만족하는지 확인한 후 제작하여 실험적으로 설계명세를 만족하는 것을 확인하였다.
또한 제작된 자기 센서 모듈에서 출력되는 신호를 상용 보간 IC의 입력으로 하여 위치를 검출하고 이를 이용해서 횡자속 선형전동기를 구동하여 그 성능을 확인하였다. 하지만 횡자속 선형전동기 고정자 모듈 결합 부분의 단차나 자기센서 모듈과 횡자속 선형전동기 고정자와의 공극 변화 등이 발생하여 위치 정밀도가 떨어지는 결과를 초래하였다.
본 논문에서는 이를 극복하기 위해 자기센서 모듈의 출력에 크기, 오프셋 및 위상 오차가 존재하는 경우 재귀형 최소자승법을 이용하여 실시간으로 보상하는 방법을 제안하고 시뮬레이션 및 실험을 통하여 그 유효성을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 방법을 이용한 횡자속 선형전동기용 저가형 위치 센서는 횡자속 선형전동기를 실제 산업 현장에 적용하는데 기여할 수 있을 것으로 생각된다. 또한 본 논문에서 제안한 방법은 추가적인 연구를 통하여 기존의 영구자석 동기 선형전동기와 신재생 에너지 계통연계를 위한 계통전압의 위상 검출에도 적용이 가능할 것으로 생각된다.
횡자속 선형전동기를 포함한 기존의 선형전동기를 제어하기 위해서는 선형 위치 검출 센서가 필요한데, 일반적으로 리니어 스케일이 많이 사용되고 있다. 하지만 이송 시스템의 이동 거리가 길어질수록 그에 비례하여 위치 검출 센서의 비용이 증가하게 된다. 이러한 위치 검출 센서의 비용도 선형전동기 적용이 확대 되는데 있어서 걸림돌이 되고 있다.
본 논문에서는 횡자속 선형전동기의 고정자 특성을 이용한 저가형 위치 센서에 대하여 연구하였다. 횡자속 선형전동기의 고정자는 일정한 간격의 치 구조의 형태를 갖고 있다. 여기에 영구자석, 철심 코어 및 선형 홀 센서로 구성된 자기센서 모듈을 설치하여 sine 및 cosine 신호를 출력하도록 하고 이를 arc-tan 취하여 선형 위치를 검출하는 방법을 이용하였다. 먼저 자기센서 모듈로부터 가능한 THD가 적고 검출되는 자속밀도가 적절한 정현적인 신호를 얻기 위하여 매개변수 설계법을 통한 자기센서 모듈을 설계하였다. 자기센서 모듈의 치수와 횡자속 선형전동기의 고정자와의 공극을 매개변수로 하여 다른 변수를 고정하고 하나씩 차례로 변동시키며, 설계 명세를 만족하는 변수값을 구하고, 최종적으로 결정된 매개변수에 대해 설계 명세를 만족하는지 확인한 후 제작하여 실험적으로 설계명세를 만족하는 것을 확인하였다.
또한 제작된 자기 센서 모듈에서 출력되는 신호를 상용 보간 IC의 입력으로 하여 위치를 검출하고 이를 이용해서 횡자속 선형전동기를 구동하여 그 성능을 확인하였다. 하지만 횡자속 선형전동기 고정자 모듈 결합 부분의 단차나 자기센서 모듈과 횡자속 선형전동기 고정자와의 공극 변화 등이 발생하여 위치 정밀도가 떨어지는 결과를 초래하였다.
본 논문에서는 이를 극복하기 위해 자기센서 모듈의 출력에 크기, 오프셋 및 위상 오차가 존재하는 경우 재귀형 최소자승법을 이용하여 실시간으로 보상하는 방법을 제안하고 시뮬레이션 및 실험을 통하여 그 유효성을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 방법을 이용한 횡자속 선형전동기용 저가형 위치 센서는 횡자속 선형전동기를 실제 산업 현장에 적용하는데 기여할 수 있을 것으로 생각된다. 또한 본 논문에서 제안한 방법은 추가적인 연구를 통하여 기존의 영구자석 동기 선형전동기와 신재생 에너지 계통연계를 위한 계통전압의 위상 검출에도 적용이 가능할 것으로 생각된다.
목차
제 1 장 서 론 11.1 연구 배경 및 필요성1.2 연구 목적 및 논문 구성제 2 장 횡자속 선형전동기 개요 및 고정자특성2.1 횡자속 전동기 기본 모델2.2 영구자석 여자 횡자속 선형전동기2.3 횡자속 선형전동기 고정자 특성을 이용한 위치 검출제 3 장 자기센서 모듈의 설계3.1 매개변수 설계 방법을 이용한 자기센서 모듈 설계3.2 매개변수 변동에 따른 자기센서 모듈 출력 특성3.3 자기센서 모듈의 제작 및 특성 평가제 4 장 보간 IC를 이용한 위치 검출4.1 보간 IC를 이용한 파형보정 및 자기센서 모듈 배치4.2 자기센서를 이용한 횡자속 선형전동기 구동제 5 장 재귀형 최소자승법을 이용한 위치검출5.1 재귀형 최소자승법5.2 재귀형 최소자승법을 통한 강인한 위치 검출방법5.3 재귀형 최소자승법 시뮬레이션 결과5.4 재귀형 최소자승법 실험 결과제 6 장 결 론참고 문헌부록 A. MATLAB symbolic toolbox를 이용한 행렬 연산 코딩부록 B. 횡자속 회전형 전동기 파라메터 추정부록 C. 계통전원의 위상 검출을 위한 PLL 기법ABSTRACT
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