T형 할바흐 자석 배열을 적용한 선형모터의 힘리플 보상을 위한 제어

Abstract

최근 마이크로/나노 공정에서 초정밀 선형모터는 작업대의 이송부, 머신 공구, 측정기계의 head 등에 다양한 곳에 적용된다. 선형모터의 좀더 빠른 이송속도와 정밀한 제어를 하기 위해선 모터의 고추력 및 적은 힘리플 발생이 필요하다. 모터의 고추력은 높은 가속력이 가능하며 이는 빠른 이송속도가 가능하다. 결국, 이것은 높은 생산력을 야기시키다. 힘리플이 줄어들면 정밀제어가 가능하고 트랙킹 error가 줄어든다. 정밀 제어가 가능하기 위해선 힘리플을 감소시키는 것이 중요하다. 힘리플의 원인은 크게 두가지로 분류할 수 있다. 첫째, 코어와 자석사이의 상호작용이 원인이 되는 코깅리플이다. 둘째, 전류의 크기에 비례하는 정류리플이다. 그 외에도 센서에 의한 리플 및 외란에 의한 리플도 존재한다. 본 논문에서 사용된 모터의 코일은 코어리스 형태이다. 이것은 구조적으로 코깅리플을 피할 수 있다. 그러므로 오직 정류리플을 감소하는 것만 고려된다. 이상적인 할바흐 마그넷 어레이는 연속적인 자화방향을 갖는다. THMA(Halbach Magnet Array with T Shape Magnets) 는 이상적인 할바흐 자석 어레이에 가깝게 설계되었다. THMA의 공극자속밀도는 비정현성을 갖는다. 이것은 정류리플의 원인이 된다. 본 논문에서는 이러한 리플을 보상하기 위한 제어기를 설계하였다. 우선, 기본적인 되먹임 제어기(Feedback control)로는 TDC(Time Delay Control)을 사용하였다. TDC는 시스템의 uncertainty나 외란에 강인하다. 실제로 초정밀 선형 모터 시스템을 정확하게 모델링하는 것은 힘들고 불확실성과 외란에 영향을 받기 쉬우므로 TDC를 이용하여 초정밀 선형모터를 제어하는 것은 매우 효과적이다. 둘째, 공극자속밀도의 비정현성으로 발생하는 정류리플을 보상하기 위해 입력 전류를 최적화하여 정류리플을 보상하도록하였다. 셋째, 보상된 전류에서 공극자속밀도의 비정현성 이외의 원인에 의해 발생하는 리플을 보상하였다.