KR100468589B1 - 선형전동기의 위치 검출방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 선형전동기의 위치 검출방법은, 요철구조를 갖는 고정자와, 그 고정자의 상부에 위치되어 왕복 직선운동하는 이동자를 구비하는 선형전동기의 위치를 검출하기 위한 방법에 있어서, 상기 고정자의 요철구조를 검출할 수 있도록 근접센서를 고정자의 상단면에 대면하는 이동자의 하면부 소정 부위에 설치하고, 회전형 엔코더를 고정자의 측면에 위치하는 이동자 가이드용 레일에 접촉되도록 이동자의 하면부 소정 부위에 설치하여, 이동자의 이동시 상기 근접센서와 회전형 엔코더로부터의 검출신호를 주제어부에서 각각 수신받아 그 수신된 신호를 바탕으로 미리 작성되어 저장된 거리산출을 위한 소프트웨어 알고리즘을 가동하여 이동자의 이동거리를 산출해 냄으로써 상기 이동자와 고정자의 상대적인 위치를 검출한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 위치 측정의 오차가 누적되지 않는 위치 검출이 가능하고, 저렴한 비용으로 고정밀도의 위치검출이 가능하다. 또한, 근접센서의 펄스만으로도 대략적인 위치나 혹은 속도를 연산할 수 있기 때문에 갑작스런 엔코더의 고장이나 단선 등에 의해 위치정보를 상실해도 선형전동기가 폭주하거나 급정지하는 등의 사고를 미연에 방지할 수 있다.

Description

선형전동기의 위치 검출방법 및 그 장치{Method for detecting position in a linear motor and apparatus thereof}

본 발명은 선형전동기의 위치 검출방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 저가의 회전형 엔코더를 이동자에 설치하고 회전형 엔코더의 축상에 설치된 바퀴가고정자의 측면에 마련되어 있는 이동자의 이동을 가이드 하는 레일 위를 구르게 하여 위치 정보를 얻는 한편, 슬립(미끄러짐)이나 노이즈 등 여러 가지 이유로 발생할 수 있는 오차의 누적을 피하고 전동기의 상대 위치를 측정하기 위해 요철이 있는 고정자의 상부에 근접센서를 설치하여 이들 두 센서요소로부터의 신호 정보를 바탕으로 기준 위치와 상대 위치 정보를 얻을 수 있는 선형전동기의 위치 검출방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 선형 이송 시스템이나 선형 전동기의 제어를 위한 위치의 검출은 광학식 혹은 자기식 선형 엔코더를 이용하여 이루어진다. 선형 엔코더는 비접촉식과 밀폐형이 있는데, 전자는 눈금이 새겨진 스케일부와 센서 헤드 부분이 분리되어 있어 비접촉식으로 위치 측정이 가능하나, 스케일과 센서 헤드 사이의 공극을 정밀하게 유지해야 하므로 설치가 어려우며 또한 스케일면의 이물질 등의 부착으로 인하여 유지 보수가 어려운 단점이 있다. 그리고, 후자는 스케일과 센서헤드를 일체화하여 밀폐한 구조로서 이동부에 헤드를 고정하는 방식이다. 이 역시 센서 본체를 고정할 때 측정 대상기기와 평형도를 유지해야 하는 어려움이 있으며, 수십 미터 이상의 장거리 검출에는 사용할 수 없다. 이외에도 선형 엔코더는 가격이 비싸고, 또 검출거리가 길수록 가격이 상승하게 되는 단점이 있다.

도 1 및 도 2는 종래 선형 이송 시스템이나 선형 전동기의 제어를 위한 위치검출 방식을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 이는 고가의 선형 엔코더를 사용하여 위치를 검출하는 것으로서, 노이즈 등에 의해 신호가 불안정해지거나 센서 헤드(140)에 이물질이 부착될 경우 고정자(110)와 이동자(120)의 상대적인 위치를 제어기가 정확하게 판단하지 못할 수가 있다. 그리고, 이에 의해 전동기의 폭주를 초래하게 된다. 이를 방지하기 위해 전동기의 이동 위치상에 다수개의 광학식 물체 검출 센서를 설치하여 이동자(120)가 폭주하거나 이동가능한 영역을 초과하려고 할 경우 전동기를 비상 정지시키는 방법을 채택하고 있다. 이상과 같은 선형 엔코더를 이용한 위치검출 방식은, 측정거리가 멀거나 운전 환경이 열악한 조건에서는 선형 엔코더 자체를 적용할 수 없으며, 검출 거리에 비례하여 가격이 상승하는 문제가 발생한다. 도 1에서 참조번호 110은 고정자, 130은 근접센서, 150은 선형 엔코더의 스케일, 160은 바퀴, 170은 레일을 각각 나타낸다.

도 2를 참조하면, 이는 레이저 센서를 이용한 거리 및 위치 검출 방식으로서, 레이저 거리 검출 센서(210)로부터 변조된 레이저빔을 고정되거나 혹은 이동되는 타겟(target)(220)에 조사하여 반사되어 돌아오는 빔의 위상을 측정하여 이를 거리로 환산하는 방식이다. 이 방식을 사용한 기존 제품의 경우 측정거리가 아주 짧으면서 정밀하거나, 혹은 측정거리가 수백미터 정도로 길면서 정밀도가 수 밀리미터 수준인 것들이 있다. 그러나, 양자 모두 선형전동기의 위치 및 전류제어에 사용하기에는 허용오차 범위 및 응답성 측면에서 문제가 있다. 선형전동기의 제어에 있어서는 위치제어에 필요한 절대 혹은 상대 위치의 검출뿐만 아니라, 전동기 자체의 고정자와 이동자 사이의 상대위치에 따른 인가전류 방향의 전환 등 전동기의 전류제어에도 사용되어야 하므로, 전동기가 요구하는 정밀도와 응답성이 보장되어야 한다.

본 발명은 이상과 같은 종래 선형 이송 시스템이나 선형 전동기의 제어를 위한 위치검출 방식에서의 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로서, 저가의 회전형 엔코더와 근접센서를 이용하여 이동자와 고정자의 상대위치를 검출함으로써 오차의 누적없이 정밀한 위치 측정이 가능한 선형전동기의 위치 검출방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 선형 이송 시스템이나 선형 전동기의 제어를 위한 선형엔코더를 이용한 위치검출 방식을 보여주는 도면.

도 2는 종래 선형 이송 시스템이나 선형 전동기의 제어를 위한 레이저 거리검출센서를 이용한 위치검출 방식을 보여주는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 선형전동기의 위치 검출장치의 개략적인 시스템 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 선형전동기의 위치 검출방법에 따라 선형전동기의 이동자의 소정 부위에 근접센서와 회전형 엔코더를 각각 설치한 상태를 보여주는 도면.

도 5는 일반적인 횡축형 선형전동기의 구조를 보여주는 도면.

도 6은 도 5의 선형전동기에 있어서의 전류와 발생 추력과의 관계를 보여주는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 선형전동기의 위치 검출장치의 근접센서의 고정자 요철구조에 따른 출력파형을 보여주는 도면.

도 8은 본 발명에 따른 선형전동기의 위치 검출방법에 채용되는 위치 정보를 얻기 위한 소프트웨어 프로그램의 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110,410,510...고정자 120,420,520...이동자

140...선형엔코더의 센서헤드 150...선형엔코더의 스케일

160,460...바퀴 170,470...레일

210...레이저 거리검출센서 220...레이저 센서용 타겟

310...근접센서 320...회전형 엔코더

330...신호처리장치 340...논리소자

350...주제어부 410t,510t...돌기부

521...이동자측 철심 522...이동자측 영구자석

523...이동자측 권선

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 선형전동기의 위치 검출방법은, 요철구조를 갖는 고정자와, 그 고정자의 상부에 위치되어 왕복 직선운동하는 이동자를 구비하는 선형전동기의 위치를 검출하기 위한 방법에 있어서,

상기 고정자의 요철구조를 검출할 수 있도록 근접센서를 고정자의 상단면에 대면하는 이동자의 하면부 소정 부위에 설치하고, 회전형 엔코더를 고정자의 측면에 위치하는 이동자 가이드용 레일에 접촉되도록 이동자의 하면부 소정 부위에 설치하여, 이동자의 이동시 상기 근접센서와 회전형 엔코더로부터의 검출신호를 주제어부에서 각각 수신받아 그 수신된 신호를 바탕으로 미리 작성되어 저장된 거리산출을 위한 소프트웨어 알고리즘을 가동하여 이동자의 이동거리를 산출해 냄으로써 상기 이동자와 고정자의 상대적인 위치를 검출하는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 선형전동기의 위치 검출장치는,

선형전동기의 고정자의 상단면에 대면하는 이동자의 하면부 소정 부위에 설치되며, 이동자의 이동에 따라 고정자의 요철 구조의 변화에 대응하는 검출신호를 출력하는 근접센서;

선형전동기의 고정자의 측면에 위치하는 이동자 가이드용 레일에 접촉되도록 이동자의 하면부 소정 부위에 설치되며, 이동자의 이동에 따라 레일에 접촉되어 회전하는 회전부재의 회전수를 카운팅하여 그에 상응하는 신호를 출력하는 회전형 엔코더;

상기 근접센서로부터의 출력신호를 입력받아 신호 레벨을 변환하여 출력하는신호처리장치;

상기 신호처리장치의 출력신호를 입력받아 상기 근접센서의 상승에지를 검출하는 한편 상기 회전형 엔코더로부터의 두 개의 펄스 신호를 입력받아 두 펄스 간의 우선 순위에 따라 방향을 판정하는 논리소자; 및

장치의 시스템 전체를 총괄적으로 제어하며, 상기 논리소자로부터 근접센서의 상승에지신호 및 방향 판정신호와 회전형 엔코더의 현재의 카운터값을 일정한 시간 간격으로 읽어들여, 이동자의 전체 이동 거리를 연산하는 주제어부를 포함하여 구성되는 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 선형전동기의 위치 검출장치의 개략적인 시스템 구성도이고, 도 4는 선형전동기의 이동자의 소정 부위에 근접센서와 회전형 엔코더를 각각 설치한 상태를 보여주는 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 선형전동기의 위치 검출장치는 근접센서(310)와, 회전형 엔코더(320)와, 신호처리장치(330)와, 논리소자(340)와, 주제어부(350)를 포함하여 구성된다.

상기 근접센서(310)는 선형전동기의 고정자(410)의 상단면에 대면하는 이동자(420)의 하면부 소정 부위에 설치되며, 이동자(420)의 이동에 따라 고정자(410)의 요철 구조의 변화를 검출하여, 그에 따른 검출신호를 출력한다.

상기 회전형 엔코더(320)는 고정자(410)의 측면에 위치하는 이동자 가이드용 레일(470)에 접촉되도록 이동자(420)의 하면부 소정 부위에 설치되며, 이동자(420)의 이동에 따라 레일(470)에 접촉되어 회전하는 회전부재(320w)의 회전수를 카운팅하여 그에 상응하는 신호를 출력한다.

상기 신호처리장치(330)는 근접센서(310)로부터의 출력신호를 입력받아 상기 논리소자(340)가 신호를 검출할 수 있도록 그에 적합한 신호로 입력신호를 변환(예를 들면, 24V 레벨의 신호를 5V 레벨의 신호로 변환)하여 출력한다.

상기 논리소자(340)는 신호처리장치(330)의 출력신호를 입력받아 상기 근접센서(310)의 상승에지를 검출하는 한편 상기 회전형 엔코더(320)로부터의 두 개의 펄스 신호를 입력받아 두 펄스 간의 우선 순위에 따라 방향을 판정한다. 이 논리소자(340)로는 EPLD(Erasable Programmable Logic Device)가 사용될 수 있다.

상기 주제어부(350)는 시스템 전체를 총괄적으로 제어하며, 상기 논리소자 (340)로부터 근접센서의 상승에지신호 및 방향 판정신호와 회전형 엔코더의 현재의 카운터값을 일정한 시간 간격으로 읽어들여, 이동자의 전체 이동 거리를 연산한다.이 주제어부(350)로는 DSP(Digital Signal Processor)가 사용될 수 있다.

그러면, 이상과 같은 위치 검출장치에 의한 위치 검출 과정에 대해 설명해 보기로 한다.

횡축형 선형전동기는 다양한 형태의 구성이 가능하지만, 일반적으로 고정자는 자성체로 된 요철이 이동방향으로 일정한 간격으로 설치되어 있는 구조이고, 이동자는 영구자석과 자성체를 다수 개 일정 간격으로 설치한 후에 이 주위로 권선을 감아 전자석과 영구자석을 동시에 이용하여 추력을 얻는 구조이다. 따라서, 이 전동기의 제어를 위해서는 상대위치에 따라서 자극의 방향 즉, 전류의 방향을 반 피치마다 바꾸어 주어야 일정 방향으로 이동할 수가 있다.

도 5는 이상과 같은 횡축형 선형전동기의 일 예를 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, 횡축형 선형전동기는 고정자(510)와 이동자(520)로 구성되어 있다. 고정자(510)는 요철형 철심으로 구성되어 있는데, 다수의 철형 돌기부 (510t)가 일정한 간격으로 이동 방향으로 형성되어 있고, 이동자(520)는 다수의 영구자석(522)과, 그 영구자석들(522) 사이에 개재된 자성체 철심(521)과, 이 영구자석(522)과 철심(521)으로 이루어진 구조체 주위를 감고 있는 권선(523)으로 구성되어 있다.

이와 같은 선형전동기는 도 6에 도시된 바와 같이, 피치(P)의 1/2 지점을 기준으로 전류의 극성을 바꾸어 주어야 일정한 방향의 추력을 발생하게 된다.

한편, 이상과 같은 선형전동기에 설치된 엔코더는 통상 A, B, Z 상의 펄스를 발생하게 되는데, Z상의 펄스는 회전형 엔코더의 경우 1회전할 때마다 1개의 펄스가 발생된다. 급격한 속도의 변동이나 슬립이 발생하여 이 Z상의 펄스가 오동작할 경우 1회전만큼의 오차가 발생할 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명에서는 이 Z상의 펄스 대신에 전동기의 고정자 상부에 설치된 근접센서(310)의 신호를 사용하였으며, 이 신호는 정확하게 이동자(420)와 고정자(410)의 상대위치를 반영하게 된다. 따라서, 근접센서(310)의 펄스가 들어올 때마다 회전형 엔코더(320)의 위치 정보는 강제로 리셋되며, 미리 결정된 피치 폭만큼 위치정보가 변경되고 이 사이사이의 위치 정보는 회전형 엔코더(320) 신호로부터 받는다. 이와 같은 방식에 의하면, 한 피치 이동 후에는 이전의 모든 오차가 제거되고, 전동기의 제어에 필요한 고정자 (410)와 이동자(420)의 상대위치 정보를 정확히 반영한 위치정보를 제공하게 된다. 따라서, 전동기는 안정적으로 제어되게 된다.

도 7은 측면에서 본 고정자(410)의 돌기부(410t)의 형상과 근접센서(310)의 설치 위치, 그리고 이동자의 이동에 따른 근접센서(310)의 출력 파형을 보여주는 도면이다.

도 7을 참조하면, 이동자(420)의 이동에 따라서 근접센서(310))는 자성체의 유무에 따라 출력 전압이 바뀌게 되며, 이에 따라 이동자(420)의 이동에 따라 장방형의 펄스(700)를 출력하게 된다. 이 장방형 펄스(700)의 상승 에지에서 회전형 엔코더(320)의 위치 정보는 리셋되고 회전형 엔코더(320)는 이 펄스들 사이에서만 유효한 출력을 내게 된다.

한편, 근접센서(310)의 출력은 신호처리장치(330)를 통하여 논리소자(340)로 입력되고, 회전형 엔코더(320)의 펄스 출력도 논리소자(340)로 입력된다. 논리소자(340)에서는 근접센서(310)의 상승에지를 검출하게 되고, 이것은 주제어부(350)로 전달된다. 또 회전형 엔코더(320)의 A, B 펄스는 두 펄스간의 우선순위에 의해 방향이 판별되고, 이에 따라서 내부의 카운터를 증가 혹은 감소시키게 된다. 이 카운터의 값은 주제어부(350)에서 읽을 수 있으며 카운터의 값은 주제어부(350)가 강제로 리셋시킬 수 있다.

도 8은 주제어부에서의 위치 검출을 위한 소프트웨어 흐름을 보여주는 도면이다.

도 8을 참조하면, 주제어부(350)는 논리소자(340)로부터 근접센서(310)의 상승에지신호, 방향 판정신호, 회전형 엔코더(320)의 현재의 카운터값을 일정한 시간 간격으로 읽어 들인다. 그리고, 근접센서(310)의 상승에지신호가 감지되었는지의 여부를 판별한다(S801). 이 판별에서 근접센서(310)에서 상승에지가 감지된 경우는 방향(전진 혹은 후진 방향)에 따라서 근접센서(310) 펄스 카운트수를 증가 혹은 감소시키고 이 값에 고정자 요철의 간격(피치)을 곱한 다음 현재의 엔코더(320) 카운터 값을 더하여 전체 이동 거리를 연산하게 된다(S802). 또 이때 엔코더(320)의 카운터값을 리셋시킨다.

한편, 상기 단계 S801에서 근접센서(310)가 아무 것도 검출하지 못한 상태라면 단순히 엔코더(320)의 값만 읽어서 그 엔코더(320)의 값에다 이전까지 진행된 근접센서(310) 펄스 카운트수에 피치를 곱한 값을 더하여 전체 이동 거리를 연산한다(S803).

이상과 같은 과정에 있어서, 엔코더(320)의 카운터 값은 일정한 간격, 즉 피치마다 리셋되므로 에러가 누적이 되지 않으며 시간 지연 없이 위치 정보를 얻을 수 있게 된다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 선형전동기의 이동자와 고정자의 상대적 위치 검출방법은 근접센서와 회전형 엔코더를 이용하여 그 두 개의 장치요소로부터의 검출신호를 바탕으로 이동거리를 산출하여 이동자와 고정자의 상대적 위치를 검출하므로, 다음과 같은 장점 및 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 위치 측정의 오차가 누적되지 않는 위치 검출이 가능하다. 즉, 선형 전동기의 일정한 피치 간격마다 강제로 엔코더의 카운터 값이 리세트되므로 오차가 누적되지 않고 다음 위치에서 바로 제거된다.

둘째, 견고하고 비접촉식이며 비교적 신호처리가 간단한 근접센서를 이용하여 위치 검출 시스템을 구성함으로써 저렴한 비용으로 고정밀도의 위치검출이 가능하다.

셋째, 기존의 엔코더를 사용하여 거리 혹은 위치를 검출하는 장치에 용이하게 접목하여 위치 검출 시스템을 구현할 수 있다.

넷째, 근접센서의 펄스만으로도 대략적인 위치나 혹은 속도를 연산할 수 있기 때문에 갑작스런 엔코더의 고장이나 단선 등에 의해 위치정보를 상실해도 선형전동기가 폭주하거나 급정지하는 등의 사고를 미연에 방지할 수 있으며, 2개의 센서 요소를 상호 보완적으로 사용함으로써 센서 요소의 상태를 상호 감시 및 진단할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 요철구조를 갖는 고정자와, 그 고정자의 상부에 위치되어 왕복 직선운동하는 이동자를 구비하는 선형전동기의 위치 검출방법에 있어서,

   상기 고정자의 요철구조를 검출할 수 있도록 근접센서를 고정자의 상단면에 대면하는 이동자의 하면부 소정 부위에 설치하고, 회전형 엔코더를 고정자의 측면에 위치하는 이동자 가이드용 레일에 접촉되도록 이동자의 하면부 소정 부위에 설치하여, 이동자의 이동시 상기 근접센서와 회전형 엔코더로부터의 검출신호를 주제어부에서 각각 수신받아 그 수신된 신호를 바탕으로 미리 작성되어 저장된 거리산출을 위한 소프트웨어 알고리즘을 가동하여 이동자의 이동거리를 산출해 냄으로써 상기 이동자와 고정자의 상대적인 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 선형전동기의 위치 검출방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 근접센서에서 상승에지가 감지된 경우에는 방향에 따라서 근접센서 펄스 카운트수를 증가 혹은 감소시키고 이 값에 고정자 요철의 간격(피치)을 곱한 다음 현재의 엔코더 카운터 값을 더하여 전체 이동 거리를 연산하고, 근접센서에서 상승에지가 감지되지 않은 경우에는 엔코더의 값만 읽어서 그 엔코더의 값에다 이전까지 진행된 근접센서 펄스 카운트수에 피치를 곱한 값을 더하여 전체 이동 거리를 연산하는 것을 특징으로 하는 선형전동기의 위치 검출방법.
3. 선형전동기의 고정자의 상단면에 대면하는 이동자의 하면부 소정 부위에 설치되며, 이동자의 이동에 따라 고정자의 요철 구조의 변화에 대응하는 검출신호를 출력하는 근접센서;

   선형전동기의 고정자의 측면에 위치하는 이동자 가이드용 레일에 접촉되도록 이동자의 하면부 소정 부위에 설치되며, 이동자의 이동에 따라 레일에 접촉되어 회전하는 회전부재의 회전수를 카운팅하여 그에 상응하는 신호를 출력하는 회전형 엔코더;

   상기 근접센서로부터의 출력신호를 입력받아 신호 레벨을 변환하여 출력하는신호처리장치;

   상기 신호처리장치의 출력신호를 입력받아 상기 근접센서의 상승에지를 검출하는 한편 상기 회전형 엔코더로부터의 두 개의 펄스 신호를 입력받아 두 펄스 간의 우선 순위에 따라 방향을 판정하는 논리소자; 및

   장치의 시스템 전체를 총괄적으로 제어하며, 상기 논리소자로부터 근접센서의 상승에지신호 및 방향 판정신호와 회전형 엔코더의 현재의 카운터값을 일정한 시간 간격으로 읽어들여, 이동자의 전체 이동 거리를 연산하는 주제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 선형전동기의 위치 검출장치.