KR100434200B1 - 셀프베어링 스텝모터 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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KR100434200B1 KR10-2001-0008287A KR20010008287A KR100434200B1 KR 100434200 B1 KR100434200 B1 KR 100434200B1 KR 20010008287 A KR20010008287 A KR 20010008287A KR 100434200 B1 KR100434200 B1 KR 100434200B1
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Abstract

본 발명은 셀프베어링 스텝모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전자를 지지하기 위한 기계적인 베어링이 설치되어 있지 않은 스텝모터에 회전자를 지지하기 위한 별도의 권선을 부가하지 않고서 자기력에 의하여 회전자를 지지할 수 있는 셀프베어링 스텝모터 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
복수의 회전자 치를 갖는 회전자와, 복수의 고정자 치를 갖는 고정자와, 상기 복수의 고정자 치 각각에 개별적으로 분리되어 감겨져 있는 복수의 권선과, 상기 회전자의 편심 위치를 측정하기 위한 복수의 센서를 포함하는 셀프베어링 스텝모터와, 동일한 상의 전류가 공급되도록 분류된 상기 복수의 권선에, 상기 회전자를 회전시키기 위한 토그전류와 상기 회전자를 지지하는 베어링작용을 위한 제어전류를 피드백된 상기 센서의 출력과 상기 권선이 위치하는 각에 따라서 상기 회전자를 회전시키면서 동시에 상기 회전자를 지지할 수 있는 자기력을 발생시킬수 있는 소정의 공급전류로 변환하여, 동시에 분배하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

셀프베어링 스텝모터 시스템 및 그 제어방법{SELF-BEARING STEP MOTOR SYSTEM AND ITS CONTROL METHOD}
본 발명은 셀프베어링 스텝모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전자를 지지하기 위한 기계적인 베어링이 설치되어 있지 않은 스텝모터에 회전자를 지지하기 위한 별도의 권선을 부가하지 않고서 자기력에 의하여 회전자를 지지할 수 있는 셀프베어링 스텝모터 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 일반적인 구조를 가지는 스텝모터에 베어링작용을 위한 코일의 추가나 구조변경을 하지 않고, 베어링작용을 위한 전력손실이 없이 스텝모터 자체가 모터역할 및 베어링역할을 동시에 수행할 수 있는 셀프베어링 스텝모터에 관한 것이다.
셀프베어링 모터는 베어링리스 모터(bearingless motor) 또는 통합된 모터 베어링(integrated motor bearing)으로도 불리어 진다. 셀프베어링 모터는 기계적인 베어링이 필요 없게 되므로 모터 자체의 부피와 무게를 줄일 수 있으며, 자기부상 기술을 이용하므로 마찰, 마모를 최소로 할 수 있으며, 기계적 베어링에서와 같은 윤활을 할 필요가 없으므로 유지보수에 있어서 유리하며 반영구적으로 사용이 가능하다.
도 1은 1987년 Higuchi(U.S. Patent No. 4683391)가 발명한 기존의 셀프베어링 스텝모터의 개략도이다. 이 발명의 특징은 도 1에 나타난 바와 같이 기존의 스텝모터의 전자석의 토크코일에 베어링역할을 위한 베어링코일을 추가함으로써 하나의 액추에이터를 이용하여 모터역할과 베어링역할을 동시에 수행할 수 있게 하였다는 점이다. 히구치 특허에 공개된 기술은 도1에 도시된 것과 같이, 기존의 스텝모터의 전자석의 토크코일(50, 토그 권선)에 회전자(80)를 지지하기 위한 자기력을 발생시키는 베어링코일(60, 베어링 권선)을 추가함으로써 하나의 액추에이터를 이용하여 모터역할과 베어링역할을 동시에 수행할 수 있게 하였다는 점에 특징이 있다. 또한 히구치 특허는 고정자(70)를 4개의 부분으로 나누어서 회전자(80)의 X 축과 Y 축 운동을 제어하고 있다. 히구치 특허의 경우 베어링역할을 위해 고정자의 구조를 용도에 맞게 설계해야하고, 추가적인 코일과 함께 이를 제어하기 위한 부수장비가 모두 필요하게 되므로 실질적으로 그 부피와 무게는 그다지 줄어들지 않을 뿐 더러 상하좌우로 대칭인 구조에만 한정되어 적용이 가능하다. 즉, 히구치 특허에 개시된 기술은 고정자(70)의 구조를 베어링 코일의 권선을 위하여 별도로 설계해야 하고, 추가적인 베어링 코일과 이를 제어하기 위한 부수장비가 필요하게 되므로, 실질적으로 기계적인 베어링을 제거함에 따른 부피와 무게 감소 효과는 그다지 크지 않으며, 특히 고정자가 상하좌우로 대칭인 구조에만 적용이 가능하다는 문제점이 있다.
도 2에는 고정자(20)에 15개의 고정자 치(21)가 있으며, 회전자(10)에 10개의 회전자 치(11)가 있는 상하 좌우 비대칭구조의 일반적인 3상(3-Phase) 스텝모터의 단면이 도시되어 있다. 상기 고정자 치(teeth)에는 코일(권선)(30)이 감겨져 있다. 도 2에 도시된 것과 같이 일반적인 스텝모터는 스텝모터 제어기(40, Step motor controller)에서 공급되는 3가지 상의 전류에 의하여, 직렬로 연결된 동일한 상의 전류를 공급받는 코일이 순서대로 여자되면서 로터(10)가 자기력에 의하여 회전하게 된다. 각각의 상 전류에 의하여 코일이 여자될 때 도 2에 도시된 구조의 스텝모터의 경우 5개의 전자석이 직렬로 연결되어 동시에 여자된다. 상하 좌우 비대칭구조의 스텝모터는 상 전류에 의하여 코일이 여자되었을 때 전자기력을 발생하는 전자석은 상하 좌우로 대칭이 되어 있지 않다. 종래의 자기부상 기술은 도 1과 같이 대칭성을 기준으로 물체를 부상시키는 것이 특징이다. 전자석이 X와 Y 축을 중심으로 대칭되어 있으므로 베어링작용을 위하여 4개의 전자석이 필요하다. 그러나 스텝모터의 경우는 비대칭구조를 가지는 스텝모터도 많이 응용되고 있기 때문에 비대칭구조의 스텝모터를 셀프베어링으로 응용할 수 있어야 하는 것이 해결해야 할 하나의 과제이다.
일반적인 스텝모터는 회전자를 회전시키기 위하여 전자석의 여자상태를 순서대로 바꾸어 주어야 하며, 이러한 상의 변화에 따른 구동 전자석의 순차적인 이동은 스텝모터가 베어링역할을 하기 어렵다는 요인으로 지적되어왔다. 또한 축이 회전할 때 전자석과 회전자 치(teeth)의 중첩길이가 원주방향으로 스텝각에 따라서 변하기 때문에 자속이 흐르는 단면적이 일정하지 않고 이에 따른 자기력의 크기가 변하게되는 것도 문제점으로 지적되고 있다. 또한, 종래의 자기부상 기술은 도1에 도시된 것과 같이 권선을 대칭적으로 배치하고 물체를 부상시키는 것이 특징이다. 전자석이 X 축과 Y 축을 중심으로 대칭되어 있으므로 자기력에 의한 베어링작용을 하기 위하여는 일반적으로 4개의 전자석이 필요하다. 그러나 비대칭구조를 가지는 스텝모터도 많이 사용되고 있으며, 종래의 셀프 베어링 기술은 이러한 비대칭구조의 스텝모터를 베어링 코일을 부가하지 않고서 셀프베어링으로 이용하기 위한 제어기술을 제시하지 못하고 있다. 또한 스텝모터는 회전자를 회전시키기 위하여 전자석의 여자상태를 순서대로 바꾸어 주고 있으며, 이러한 상의 변화에 따른 구동 전자석의 순차적인 이동은 스텝모터를 셀프베어링으로 기능하도록 개발하기 어려운 요인 중의 하나였다. 특히, 축이 회전할 때 고정자 치와 회전자 치의 중첩길이가 원주방향으로 변하기 때문에 자속이 흐르는 단면적이 일정하지 않고, 따라서 이에 따른 자기력의 크기가 변화하는 것도 셀프베어링 스텝모터의 개발을 방해하는 요인 중의 하나이다.
이러한 문제점들로 인하여 스텝모터가 셀프베어링 모터로 아직 활발하게 개발되지 못하고 있는 것으로 알려져 있다
본 발명에서는 일반적인 구조를 가지는 스텝모터에 베어링작용을 위한 코일의 추가나 구조 변경을 하지 않고도, 베어링작용을 위한 전력손실이 없이 스텝모터 자체가 모터역할 및 베어링역할을 동시에 수행할 수 있는 셀프베어링 스텝모터를 제시한다. 즉, 본 발명의 목적은 고정자의 치가 비대칭 구조를 갖는 일반적인 구조의 스텝모터에 베어링작용을 위한 코일을 추가하지 않고서, 스텝모터 자체가 모터역할 및 베어링역할을 동시에 수행할 수 있는 셀프베어링 스텝모터 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.
도1은 종래 미국특허 제4683391호에 개시된 셀프베어링 스텝모터의 개략도
도 2는 일반적인 스텝모터의 개략도
도3은 본 발명에 의한 일실시예인 셀프베어링 스텝모터의 개략도
도4는 본 발명에 의한 일실시예인 셀프베어링 스텝모터에 발생하는 힘을 도시한 개략도
도5는 본 발명의 일실시예인 셀프베어링 스텝모터의 회전시의 중첩부를 나타내는 확대도
도6은 본 발명인 일실시예인 셀프베어링 스텝모터의 제어 블록 다이아그램
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 회전자 11 회전자 치
20 고정자 21 고정자 치
30 권선
90, 100 센서
4 전자석의 축방향의 길이
5 고정자 피치
6 전자석의 원주방향 길이
7 회전자 피치
8 고정자 전자석과 회전자 치 사이의 중첩길이
9 공극
본 발명에서는 일반적인 구조를 갖는 스텝모터를 셀프베어링 스텝모터로 개발하기 위하여, 코일 연결상태의 수정, 위치센서와 구동되는 전자석 사이의 기하학적인 관계, 상의 변화에 따른 제어전류 및 구동 전자석의 변화, 회전자의 회전에 따른 중첩길이의 변화등에 대한 문제점을 해결한다.
우선 도 2와 같은 일반적인 비대칭 구조의 스텝모터를 셀프베어링 모터로 사용하기 위하여 도 3과 같이 코일의 연결을 단락시켜 고정자의 각 전자석을 따로 구동할 수 있도록 하였다. 본 발명에 의한 셀프베어링 스텝모터는, 도3에 도시된 것과 같이 복수의 회전자 치(11)를 갖는 회전자(10)와, 복수의 고정자 치(21)를 갖는 고정자(20)와, 상기 고정자의 복수의 고정자 치에 각각 개별적으로 분리되어 감겨져 있는 복수의 권선(30)과 상기 회전자(10)의 편심위치를 측정하기 위한 복수의 센서(90, 100)를 포함하고 있다. 상기 복수의 권선(30)은 동일한 상의 전류가 공급되는 권선 그룹(P11, P12, P13, P14, P15)으로 구분된다. 또한 상기 동일한 상의 전류가 공급되는 분류된 복수의 권선에는 자기력으로 회전자를 회전시키기 위한 일정 량의 전류가 동시에 분배되어 여자된다. 이때 상기 복수의 권선에 대한 분배되는 공급전류는 상기 복수의 센서의 출력신호와 상기 복수의 권선의 위치에 따라서 변화되도록 되어있다. 도 2와 같은 일반적인 비대칭 구조의 스텝모터를 셀프베어링 모터로 사용하기 위하여, 도3에 도시된 것과 같이 직렬로 연결된 각각의 코일(30)을 분리시켜 고정자의 각 코일을 개별적으로 여자할 수 있도록 하였다. 편의를 위하여 각 전자석(코일)을 Pjk로 표시하고 각각 다른 상의 전류가 공급되는 전자석을 구분하여 5개의 세그먼트로 나누었다. 여기에서 j는 공급되는 전류의 상을 구분하기 위하여, k는 세그먼트를 구분하기 위하여 사용된 첨자이다. 각 코일에 공급되는 전류의 크기는 회전자의 중심의 기하학적인 편심에 따라 다르며, 이로 인하여 각 전자석에서는 서로 다른 크기의 자기력이 발생한다. 이 자기력의 차이에 의하여 회전자(10)가 지지되고, 발생된 기하학적인 편심이 보상된다.
본 발명에서 모델로 하고있는 도 3의 셀프베어링 스텝모터의 회전자가 도 4와 같이 X와 Y축으로 각각 x와 y 만큼 있는 경우를 생각해 보자. 즉, 회전자에 작용하는 자기력을 설명하기 위하여 도3의 셀프베어링 스텝모터의 회전자가 도4와 같이 X축과 Y축으로 각각 x와 y 만큼 편심되어 있는 경우를 살펴본다.
이때 각 전자석 Pjk와 회전자 치 사이의 공극의 크기는 다음과 같다.
여기에서 hjk는 각 전자석(코일) 즉, 고정자 치의 중심위치에서의 공극의 크기이고,θ jk는 각 전자석이 기준위치로부터 원주방향으로의 위치하는 각도이다. 이 각도는 전자석의 수(Ns)와 세그먼트의 수(Nk)와 관계되며 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다.
식 (1)과 (2)를 이용하면 원주방향으로의 고정자 치의 대칭성에 상관없이 임의 각도에 위치한 전자석에 대한 공극을 구할 수 있다. 그리고 이론적으로는 한번에 구동되는 전자석의 수가 세 개 이상이라면 원주방향으로의 전자석의 대칭성에 상관없이 모든 스텝모터를 셀프베어링 모터로 개발할 수 있게 된다.
구동되는 각 전자석의 공극의 차이는 이 차이를 보상하기 위한 제어전류의 양에도 직접적으로 영향을 미치게 된다. 따라서 각 전자석의 코일에 흐르는 공급전류는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
여기에서 ijk는 k 번째 세그먼트의 j번째 상의 전자석 코일의 공급전류, it는 토크전류, 그리고 ix와 iy는 각각 회전자의 위치를 보상하기 위하여 각 코일에 더해지는 베어링작용을 위한 제어전류이다.
즉, 도 4와 같이 j=3 즉 3번째 상의 전류를 공급받는 전자석이 구동이 될 차례이면, 3번째 상의 전류가 공급되는 권선에 해당하는 전자석(코일) P31, P32, P33, P34, P35에 전류가 공급되어 전자석이 여자된다. X와 Y 방향 센서에 의해 측정된 편심값으로부터 식(1)에 의해서 3번째 상의 공급전류가 공급되는 각 전자석에서의 공극(h3k)을 구할 수 있으며, 식(3)에 의해서 각 전자석에 공급되는 전류(i3k)를 구할 수 있다. 이와 같이 구해지는 동일한 위상의 전류가 공급되는 전자석의 기하학적인 관계에 의하여, 3번째 상의 전류가 공급되는 모든 권선에 대한 식(3)의 두번째 및 세번째 항의 합은 0이 된다. 즉, 회전자의 위치를 보상해 주기 위하여 임의의 전자석에 제어전류가 더해지면 다른 나머지 전자석에는 그 크기만큼 제어전류가 감해지게 되므로 결국 전체 제어전류의 합은 0이 된다.
중첩길이의 영향을 관찰하기 위하여 도 5와 같이 고정자의 전자석과 회전자의 치(teeth)부분을 확대하여 그렸다. 원주방향 자기력 (Fn)과 반지름방향 자기력 (Ft)는 전자석 및 치의 기하학적인 특성이나 자기적인 특성에 의하여 결정된다. 일반적으로 스텝모터는 맥스웰 힘을 이용하며, 이 힘에 의하여 발생되는 원주방향 자기력은 공급전류의 자승에 비례하고 공극에 반비례하는 반면, 반지름 방향 자기력은 공급전류의 자승에 비례하고 공극의 자승에 반비례하는 특성을 가진다. X와 Y 방향의 변위와 제어전류의 크기가 각각 정상상태에서의 공극과 토크전류에 비하여 대단히 작다고 가정하면 다음과 같이, 두 방향의 힘의 X와 Y 방향 성분을 선형화 할 수 있다.
여기에서 Kq와 Kqc는 시스템의 위치강성이고, Ki와 Kic는 제어를 위한 전류강성을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예인 도 3과 같은 구조를 가지는 VR(variable reluctance) 형태의 셀프베어링 모터의 경우 다음 식을 이용하여 강성을 계산할 수 있다.
식(6)과 (7)의 식과 같이, 위치강성과 전류강성은 도 5에 도시된 중첩길이 (8)의 함수이다. 회전자가 회전하면 중첩길이는 스텝각에 따라 변하게되고 시스템의 강성들도 스텝각의 주파수에 따라 선형적으로 변하게된다. 그러나 중첩길이의 변화는 위치강성뿐 아니라 제어신호에 직접적으로 영향을 주는 전류강성에도 영향을 미치기 때문에 어느 정도 서로 상쇄되는 효과를 가져오게 된다. 또한, 지속적인 피드백으로 인하여 중첩길이의 변화는 시스템의 성능에 그렇게 크게 영향을 미치지 않는다. 그러나 최소 중첩길이의 크기가 너무 작게 설계가 되는 경우 특히 최소 중첩길이가 0 이하인 경우, 프린징효과 (fringing effect)를 무시하면 이론적으로 위치강성과 전류강성이 0이 되기 때문에 시스템의 적절한 제어가 어렵게 된다. 만일 영구자석을 사용한 PM 형태의 구조를 가진 스텝모터를 셀프베어링 스텝모터로 사용하기 위해서는 식(6)과 (7)에 영구자석의 영향을 고려해주면 된다.
도6은 셀프베어링 스텝모터를 제어하기 위한 제어시스템을 블럭다이아 그램으로 개략적으로 도시한 것이다. 스텝모터를 회전시키기 위하여 자기력을 발생시키는 전자석의 여자상태를 순서대로 바꾸어 주어야 한다. 도6에는 전자석의 여자시키기 위하여 순서대로 전류를 분배하여 공급하기 위한 전류조절기(120)가 도시되어 있다. 전류조절기(120)는 전류 분배기(current divider)라고도 한다. 전류조절기(120)는 일반적인 스텝모터를 제어기의 스텝모터 주파수와 같은 주파수로, 각 코일의 공급전류의 크기를 조절하여 주는 기능을 한다. Current divider에서는 일반적인 스텝모터를 제어기의 스텝모터 주파수와 같은 주파수로 각 코일의 공급전류의 크기를 결정해 줌으로써 상의 변화에 따른 구동전자석의 변화에 대한 문제점을 극복할 수 있다.
도 6의 셀프베어링 스텝모터의 피드백회로에 대해 자세히 설명하면, X와 Y 방향 변위센서(90, 100)는 회전자의 기하학적인 편심 x와 y를 측정하게되고, 기준입력신호와 비교가 되어 제어전류를 발생하게 된다. 제어전류는 Current divider 회로에서 상의 변화에 따라 크기가 조절된 후 토크전류에 더해져 각 전자석에 공급된다. 제어전류는 회전자의 기하학적인 편심에 따라 토크전류에 가하거나 감하여지며, 이로 인하여 제어전류의 합은 항상 0이라는 결론을 얻게 된다. 그러므로 본 발명의 셀프베어링 스텝모터가 모터역할에 추가적으로 베어링의 역할을 하더라도 베어링 작용을 위한 전력손실은 없게된다. 피드백 제어회로의 작동에 대하여 보다 상세히 설명하면, X 및 Y 방향(수평 및 수직 방향) 변위센서(90, 100)는 회전자의 기하학적인 편심위치 x와 y를 측정한다. 이 측정된 신호들은 각 방향의 트랜스듀서(91, 101)를 통과한 후, 기준입력신호와 비교되어 수평 및 수직 베어링제어부(92, 102)로 입력된다. 수평 및 수직 베어링제어부는 수평 및 수직 제어전류(ix, iy)를 출력한다. 또한 모터제어부(100)는 회전자를 회전시키기 위한 소정의 토크전류(it)를 출력한다. 전류조절부(120)는 상기 토크전류(it)와 수평 및 수직 제어전류(ix, iy)를 입력받아, 각각의 권선에 공급하기 위한 공급전류(ik)로 변환하여 동시에 출력한다. 각 권선에 동시에 공급되는 공급전류는, 각 방향의 제어전류가 전류가 공급될 권선 위치의 각에 따라 식 (3)의 두번째 및 세번째 항에 의하여 크기가 조절된 후 토크전류(it)와 더해져서 구해지고, 각 전자석에 분배 공급된다. 이 때 각 공급전류의 조정된 제어전류 부분(즉 식 (3)의 두번째 및 세번째 항에 의하여 구해지는 전류)은 회전자의 기하학적인 편심에 따라, 토크전류에 더하여 지거나 빼지나, 이러한 조정된 제어전류의 합은 항상 0이 된다. 따라서 도6에 도시된 것과 같은 셀프베어링 스텝모터와 제어기를 이용하면, 기계적인 베어링과 추가의 베어링 코일을 구비하지 않고서도, 그리고 스텝모터의 대칭성에 관계없이, 셀프베어링 스텝모터를 제어할 수 있게 된다.앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 셀프베어링 스텝모터 시스템은, 복수의 회전자 치를 갖는 회전자(10)와, 복수의 고정자 치를 갖는 고정자(20)와, 상기 복수의 고정자 치 각각에 개별적으로 분리되어 감겨져 있는 복수의 권선(30)과, 상기 회전자의 편심 위치를 측정하기 위한 복수의 센서(90, 100)를 포함하는 셀프베어링 스텝모터와, 동일한 상의 전류가 공급되도록 분류된 상기 복수의 권선에, 상기 회전자를 회전시키기 위한 토그전류와 상기 회전자를 지지하는 베어링작용을 위한 제어전류를 피드백된 상기 센서의 출력과 상기 권선이 위치하는 각에 따라서 상기 회전자를 회전시키면서 동시에 상기 회전자를 지지할 수 있는 자기력을 발생시킬수 있는 소정의 공급전류로 변환하여, 동시에 분배하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.또한 본 발명에 의한 셀프베어링 스텝모터 시스템은, 상기 제어기가 상기 소정의 토그전류를 출력하는 모터제어부(110)와, 상기 복수의 센서의 출력을 각각 피드백 받아 제어전류를 출력하는 복수의 베어링제어부(92, 102)와, 상기 소정의 토크전류와 각각의 권선이 위치한 각에 따라 제어전류를 조정하여 합산하여 공급전류를 생성하고, 동일한 상의 전류가 공급되도록 분류된 복수의 권선에 상기 공급전류를 분배하는 전류조절부(120)를 포함하는 것을 특징으로 한다.또한 본 발명에 의한 셀프베어링 스텝모터 시스템은, 상기 복수의 센서는 회전자의 수평방향의 편심을 측정하는 수평센서(90)와, 회전자의 수직방향의 편심을 측정하는 수직센서(100)로 구성되고, 상기 복수의 베어링제어부는 상기 수평센서의 출력을 피드백 받아 수평방향의 제어전류를 출력하는 수평베어링제어부(91)와, 상기 수직센서의 출력을 피드백 받아 수직방향 제어전류를 출력하는 수직베어링제어부(101)로 구성되고, 상기 전류조절부(120)는 각각의 권선의 위치에 해당하는 각의 코사인 값에 수평방향 제어전류를 곱하고, 각각의 권선의 위치에 해당하는 각의 사인 값에 수직 방향 제어전류를 곱하고, 모터제어부의 출력에 각각의 곱을 합산하여 동일한 상의 전류가 공급되도록 분류된 복수의 권선에 분배하도록 구성된 것을 특징으로 한다.또한, 앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 셀프베어링 스텝모터의 제어방법은, 복수의 회전자 치를 갖는 회전자(10)와, 복수의 고정자 치를 갖는 고정자(20)와, 상기 고정자의 복수의 고정자 치에 각각 분리되어 감겨져 있는 복수의 권선(30)과, 상기 회전자의 편심 위치를 측정하기 위한 복수의 센서(90, 100)를 포함하는 셀프베어링 스텝모터의 제어방법으로, 동일한 상의 전류가 공급되도록 분류된 복수의 권선을 선택하는 단계와, 동일한 상의 전류가 공급되도록 분류된 상기 복수의 권선에, 상기 회전자를 회전시키기 위한 토그전류와 상기 회전자를 지지하는 베어링작용을 위한 제어전류를 피드백된 상기 센서의 출력과 상기 권선이 위치하는 각에 따라서 상기 회전자를 회전시키면서 동시에 상기 회전자를 지지할 수 있는 자기력을 발생시킬수 있는 소정의 공급전류로 변환하는 단계와, 상기 변환된 공급전류를 상기 선택된 복수의 권선에 분배하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.또한 본 발명에 의한 셀프베어링 스텝모터의 제어방법은, 상기 복수의 센서는 회전자의 수평방향의 편심을 측정하는 수평센서와, 회전자의 수직방향의 편심을 측정하는 수직센서로 구성되고, 상기 소정의 공급전류로 변환하는 단계는 상기 각각이 권선이 위치하는 각의 사인 값에 상기 수평센서에 의하여 피드백된 수평방향 제어전류를 곱하고 코사인 값에 상기 수직센서에 의하여 피드백된 수직방향 제어전류를 곱하여 얻어진 각각의 값을 상기 소정의 토그전류와 합하여 변환하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 상술한 바와 같이 베어링작용을 위한 추가적인 코일이나 구조의 변경 없이 일반적인 구조의 스텝모터 자체가 모터역할 뿐만 아니라 베어링역할도 동시에 수행할 수 있는 셀프베어링 스텝모터를 제작할 수 있다. 특히 본 발명인 셀프베어링 스텝모터는 모터가 베어링역할을 수행하더라도 베어링작용을 위한 전력손실이 발생하지 않는 것이 특징이다.
본 발명인 셀프베어링 스텝모터는 일반적인 스텝모터를 대체할 수 있으며, 특히 자기부상 기술의 장점으로 인하여 고청정, 진공 등 극악한 환경조건에서 구동되는 모터도 유지보수가 필요 없이 반영구적으로 사용할 수 있으므로 산업적으로 파급효과가 클 것으로 예상된다. 또한, 극소형 액추에이터로서도 제작이 가능하게 된다. 앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명을 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 복수의 회전자 치를 갖는 회전자와, 복수의 고정자 치를 갖는 고정자와, 상기 복수의 고정자 치 각각에 개별적으로 분리되어 감겨져 있는 복수의 권선과, 상기 회전자의 편심 위치를 측정하기 위한 복수의 센서를 포함하는 셀프베어링 스텝모터와,
    동일한 상의 전류가 공급되도록 분류된 상기 복수의 권선에, 상기 회전자를 회전시키기 위한 토그전류와 상기 회전자를 지지하는 베어링작용을 위한 제어전류를 피드백된 상기 센서의 출력과 상기 권선이 위치하는 각에 따라서 상기 회전자를 회전시키면서 동시에 상기 회전자를 지지할 수 있는 자기력을 발생시킬수 있는 소정의 공급전류로 변환하여, 동시에 분배하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀프베어링 스텝모터 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 소정의 토그전류를 출력하는 모터제어부와,
    상기 복수의 센서의 출력을 각각 피드백 받아 제어전류를 출력하는 복수의 베어링제어부와,
    상기 소정의 토크전류와 각각의 권선이 위치한 각에 따라 제어전류를 조정하여 합산하여 공급전류를 생성하고, 동일한 상의 전류가 공급되도록 분류된 복수의 권선에 상기 공급전류를 분배하는 전류조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀프베어링 스텝모터 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 센서는 회전자의 수평방향의 편심을 측정하는 수평센서와, 회전자의 수직방향의 편심을 측정하는 수직센서로 구성되고,
    상기 복수의 베어링제어부는 상기 수평센서의 출력을 피드백 받아 수평방향의 제어전류를 출력하는 수평베어링제어부와, 상기 수직센서의 출력을 피드백 받아 수직방향 제어전류를 출력하는 수직베어링제어부로 구성되고,
    상기 전류조절부는 각각의 권선의 위치에 해당하는 각의 코사인 값에 수평방향 제어전류를 곱하고, 각각의 권선의 위치에 해당하는 각의 사인 값에 수직 방향 제어전류를 곱하고, 모터제어부의 출력에 각각의 곱을 합산하여 동일한 상의 전류가 공급되도록 분류된 복수의 권선에 분배하도록 구성된 것을 특징으로 하는 셀프베어링 스텝모터 시스템.
  6. 복수의 회전자 치를 갖는 회전자와, 복수의 고정자 치를 갖는 고정자와, 상기 고정자의 복수의 고정자 치에 각각 분리되어 감겨져 있는 복수의 권선과, 상기 회전자의 편심 위치를 측정하기 위한 복수의 센서를 포함하는 셀프베어링 스텝모터의 제어방법으로,
    동일한 상의 전류가 공급되도록 분류된 복수의 권선을 선택하는 단계와,
    동일한 상의 전류가 공급되도록 분류된 상기 복수의 권선에, 상기 회전자를 회전시키기 위한 토그전류와 상기 회전자를 지지하는 베어링작용을 위한 제어전류를 피드백된 상기 센서의 출력과 상기 권선이 위치하는 각에 따라서 상기 회전자를 회전시키면서 동시에 상기 회전자를 지지할 수 있는 자기력을 발생시킬수 있는 소정의 공급전류로 변환하는 단계와,
    상기 변환된 공급전류를 상기 선택된 복수의 권선에 분배하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀프베어링 스텝모터의 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 센서는 회전자의 수평방향의 편심을 측정하는 수평센서와, 회전자의 수직방향의 편심을 측정하는 수직센서로 구성되고,
    상기 소정의 공급전류로 변환하는 단계는 상기 각각이 권선이 위치하는 각의 사인 값에 상기 수평센서에 의하여 피드백된 수평방향 제어전류를 곱하고 코사인 값에 상기 수직센서에 의하여 피드백된 수직방향 제어전류를 곱하여 얻어진 각각의 값을 상기 소정의 토그전류와 합하여 변환하는 것을 특징으로 하는 셀프베어링 스텝모터의 제어방법.
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