KR20130129444A - 리니어 모터 구동 장치 - Google Patents

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Abstract

직선 모양으로 배열된 복수의 영구 자석으로 이루어진 자석열 및 상기 자석열의 양측에 있어서 가동부를 지지 및 안내하기 위해서 그 자석열과 병행으로 배치되는 2개의 레일을 구비하는 고정부와, 상기 2개의 레일에 각각 지지되어 미끄럼 접촉하여 활동할 수 있는 2개의 베어링 및 상기 2개의 베어링의 사이에 있어서 상기 자석열과 근접하여 대향 배치되는 전기자를 구비하는 가동부로 구성되는 리니어 모터를 구동하는 리니어 모터 구동 장치에 있어서, 상기 전기자의 코일에 공급하는 d축 전류 및 q축 전류를 생성 제어하는 전류 제어 회로에 있어서의 d축 전류 제어 회로는, 생성하는 d축 전류를 변화시켜 상기 레일과 상기 베어링의 사이에 생기는 마찰력을 제어하는 구성을 구비한다.

Description

리니어 모터 구동 장치{LINEAR MOTOR DRIVE DEVICE}
본 발명은 리니어 모터 구동 장치에 관한 것이다.
리니어 모터의 정지 위치(이동 거리)를 제어하는 구성으로서, 추진력을 발생시키기 위한 코일(coil) 및 자석 외에, 자기 흡인력에 의한 마찰력을 증감시키기 위한 코일 및 자석을 마련하는 구성이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1).
한편, 회전 모터의 정지 제어에서는, d축 전류 제어에 의해 브레이크 토크(brake torque)를 발생시켜 감속시키는 방법이 이용되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 2).
특허 문헌 1: 일본국 특개평 11－122902호 공보 특허 문헌 2: 일본국 특개 2003－88168호 공보
추진력 발생용 코일 및 자석과는 별도로, 자기(磁氣) 흡인력에 의한 마찰력을 증감시키기 위한 코일 및 자석을 마련하는 구성에서는, 정지 위치(이동 거리)를 제어하기 위한 구성이 복잡하게 된다.
그런데, 리니어 모터의 구동 제어에서도, 회전 모터(motor)와 마찬가지의 벡터(vector) 제어가 이용되므로, 리니어 모터에 있어서도 d축 전류 제어를 행하여 자기 흡인력에 의한 마찰력을 증감시킴으로써, 정지 위치 제어(이동 거리 제어)를 행할 수 있으면, 구성의 간소화를 도모할 수 있다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, d축 전류 제어를 행하여 자기 흡인력에 의한 마찰력을 증감시킬 수 있는 리니어 모터 구동 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 직선 모양으로 배열된 복수의 영구 자석으로 이루어진 자석열(磁石列) 및 상기 자석열의 양측에 있어서 가동부를 지지 및 안내하기 위해서 그 자석열과 병행(竝行)으로 배치되는 2개의 레일을 구비하는 고정부와, 상기 2개의 레일(rail)에 각각 지지되어 미끄럼 접촉(sliding contact)하여 활동할 수 있는 2개의 베어링(bearing) 및 상기 2개의 베어링의 사이에 있어서 상기 자석열과 근접하여 대향 배치되는 전기자를 구비하는 가동부로 구성되는 리니어 모터를 구동하는 리니어 모터 구동 장치에 있어서, 상기 전기자의 코일에 공급하는 d축 전류 및 q축 전류를 생성 제어하는 전류 제어 회로에 있어서의 d축 전류 제어 회로는, 생성하는 d축 전류를 변화시켜 상기 레일과 상기 베어링의 사이에 생기는 마찰력을 제어하는 구성을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 추진력 발생용 코일 및 자석과는 별도로, 자기 흡인력에 의한 마찰력을 증감시키기 위한 코일 및 자석을 마련하는 일 없이, d축 전류 제어를 행하여 자기 흡인력에 의한 마찰력을 증감시킬 수 있다. 따라서 리니어 모터 구성의 간소화를 도모할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 리니어 모터의 외관 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 Y축 방향 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 리니어 모터를 구동하는 리니어 모터 구동 장치의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 1에 도시된 리니어 모터의 속도 특성을 나타내는 파형도이다.
이하에, 본 발명에 따른 리니어 모터 구동 장치의 실시예를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시예에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예
도 1 및 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 의한 리니어 모터의 외관 구성을 나타내는 사시도 및 Y축 방향 단면도이다. 양 도면에 있어서, 리니어 모터(100)는 고정부(1)와, 고정부(1) 상에 X축 방향으로 이동 가능하게 배치되는 가동부(2)로 구성된다.
고정부(1)는 X축 방향으로 긴 베이스(base)(13) 상에 형성되어 있다. 즉, 베이스(13) 상에 X축 방향으로 단책판(短冊板) 모양의 설치좌(12)가 고정되고, 설치좌(12) 상에 복수의 영구 자석(11)이 X축 방향으로 등간격으로 고정 배치되어 있다. 설치좌(12)의 짧은 쪽 방향(Y축 방향)의 양측에 있어서의 베이스(13) 상에는, 2개의 레일(31)이 각각 X축 방향으로 병행하여 고정 배치되어 있다. 그리고 한쪽 레일(31)의 외측에 있어서의 베이스(13) 상에는, 스케일(scale)(41)이 X축 방향으로 병행하여 고정 배치되어 있다. 스케일(41)에는, 위치 정보가 광학적 혹은 자기적으로 기록되어 있다.
가동부(2)는 천판(天板)(24)에 장착되어 있다. 천판(24)은 긴 쪽의 폭이 2개의 레일(31)의 간격보다도 길게 되어 있고, 그 양단측의 하면에, 2개의 레일(31)과 각각 미끄럼 접촉(sliding contact)하는 2개의 베어링(32)이 고정되어 있다. 이것에 의해서, 2개의 베어링(32)이 2개의 레일(31)에 지지되는 상태로 2개의 레일(31) 위를 활동함으르써, 천판(24)은 X축 방향으로 이동할 수 있다.
또, 천판(24)의 하면에 있어서 2개의 베어링(32)의 사이에, 영구 자석(11)의 배치 위치의 직상(直上) 위치에, 전기자의 철심(23)이 고정되어 있다. 철심(23)의 외주위(外周圍)에는, 전기자의 코일(21)을 수용한 수지제의 보빈(bobbin)(22)이 고정되어 있다. 또한, 코일(21)의 상수(相數)는 3이라고 하고 있다. 3상의 코일(21)에는, 전원용 리드(lead)선(51)에 의해, 구동 장치의 인버터(inverter)(95)(도 3 참조)로부터 3상의 교류 전류가 공급된다. 이것에 의해서, 3상의 코일(21)에 전류가 흐름으로써 철심(23)에 형성되는 자기 회로에 의한 자속과 영구 자석(11)이 만드는 자속의 상호작용에 의해, 철심(23)과 영구 자석(11)의 사이에, 철심(23)측으로부터 영구 자석(11)측으로 향하는 자기 흡인력(62)과, 도시하지 않은 X축 방향을 향하는 추진력이 생긴다. 자기 흡인력(62)에 의해서, 레일(31)과 베어링(32)의 사이에 마찰력이 추진력의 방향과는 역방향으로 발생한다는 것을 알 수 있다.
그리고 스케일(41) 측에 있어서의 천판(24)의 측단에는, 위치 검출기(42)가 스케일(41)과 대향하도록, 위치 검출기 결합 부재(43)에 의해 장착되어 있다. 위치 검출기(42)에는, 검출한 위치 신호를 구동 장치에 전달하기 위한 위치 검출기용 리드선(52)이 접속되어 있다.
도 3은 도 1에 도시된 리니어 모터를 구동하는 리니어 모터 구동 장치의 구성예를 나타내는 블록(block)도이다. 도 3에 있어서, 리니어 모터 구동 장치(90)는 가감산 회로(91, 93)와, 위치 제어 회로(92)와, 속도 제어 회로(94)와, 전류 제어 회로(95)와, 2상／3상 변환 회로(96)와, 인버터(97)와, 미분 회로(98)와, 전류 검출기(99)를 구비하고 있다. 전류 검출기(99)는 인버터(97)의 출력단에 장착되고, 검출한 출력 전류는 전류 제어 회로(95)에 입력된다. 전류 제어 회로(95)는 d축 전류 제어 회로(95a)와 q축 전류 제어 회로(95b)로 구성된다. 또, 위치 검출기(42)가 검출한 스케일(41) 상의 위치 정보는 가감산 회로(91)와 미분 회로(98)에 입력된다.
가감산 회로(91)는 외부로부터 입력되는 목표 위치의 위치 지령과 위치 검출기(42)가 검출한 스케일(41) 상의 현재 위치의 편차를 구한다. 위치 제어 회로(92)는 가감산 회로(91)가 구한 위치 편차로부터 내부 속도 지령을 산출하는 비례 제어를 행하고, 얻어진 내부 속도 지령을 출력한다.
가감산 회로(93)는 위치 제어 회로(92)가 구한 내부 속도 지령과, 미분 회로(98)가 위치 검출기(42)로부터의 위치 정보를 미분하여 구한 모터 속도의 편차를 구한다. 속도 제어 회로(94)는, 가감산 회로(93)가 구한 속도 편차에 대해서 비례 적분 제어를 행하여 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령을 산출하고, 산출한 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령을 전류 제어 회로(95)로 출력한다.
전류 제어 회로(95)에서는, d축 전류 제어 회로(95a)에 있어서 입력된 d축 전류 지령이 지시하는 d축 전류를 생성하는 동작이 행해지고, q축 전류 제어 회로(95b)에 있어서 입력된 q축 전류 지령이 지시하는 q축 전류를 생성하는 동작이 행해지지만, d축 전류 제어 회로(95a) 및 q축 전류 제어 회로(95b)는, 전류 검출기(99)가 검출한 모터 공급 전류를 참고로 하여 각각의 생성 전류를 제어한다.
2상／3상 변환 회로(96)는 전류 제어 회로(95)가 출력하는 d축 및 q축의 전류 id, iq를 uｖw의 3상의 교류 전류 iu, iｖ, iｖ로 변환한다. 인버터(97)는 변환된 3상의 교류 전류 iu, iｖ, iｖ를, 각각 PWM 신호로 변환·증폭하여, 3상의 코일(21)에 공급한다. 이것에 의해서, 자기 흡인력(62) 및 X축 방향으로의 추진력이 발생한다.
그런데, 가동부(2)와 고정부(1)의 사이에 움직이는 마이너스(minus) Z축 방향의 자기 흡인력(62)은, Fm［N]로 나타내면, 투자율 μ[H/m], 영구 자석(11)이 만드는 자속 φm[Wb］, d축 인덕턴스(inductance) Ld［H］, d축 전류 id［A］, 고정부(1)와 가동부(2)의 자로(磁路) 단면적 S［m2］를 이용하여, 식 (1)로 주어진다.
Fm=(S／2μ){(φm＋Ldid)／S}2 … (1)
또, X축 방향으로의 추진력에 의해 가동부(2)가 레일(31)에 안내되어 이동할 때에, 베어링(32)과 레일(31)의 사이에 발생하는 마찰력 Ff［N］은 추진력과 역방향의 X방향으로 움직이지만, 베어링(32)과 레일(31)의 사이의 운동 마찰 계수 k, 베어링(32)으로 움직이는 수직 항력 N［N］을 이용하여, 식 (2)로 주어진다.
Ff=kN… (2)
그리고 수직항력 N은 가동부(2)의 질량 M［kg］, 중력 가속도 g［m／s2］, 자기 흡인력 Fm［N］을 이용하여, 식 (3)으로 주어진다.
N=Mg＋Fm… (3)
식(1) ~ 식(3)에 있어서, 운동 마찰 계수 k, 가동부(2)의 질량 M, 투자율 μ, 영구 자석(11)의 자속 φ, 및 d축 인덕턴스 Ld는, 이미 알고 있다. 따라서 자기 흡인력 Fm에 의한 마찰력 Ff는, d축 전류 id의 제어에 의해서, 제어할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 리니어 모터의 속도 특성을 나타내는 파형도이다. 도 4에 있어서, 목표 위치까지의 이동 시간(80)은 가속 시간(81)과, 등속 시간(82)과, 감속 시간(83)으로 나눠진다. 지금까지는, 가속 시간(81)과 감속 시간(83)에서, 베어링(32)과 레일(31)의 사이에 동일한 크기의 마찰력을 발생시키고 있었다.
본 실시예에서는, d축 전류 제어 회로(95a)가, 전류 검출기(99)가 검출한 모터 전류를 참조 신호로 하여, 가속시에는 마찰력을 감소시키도록, 감속시에는 마찰력을 증가시키도록, d축 전류를 제어한다. 이 제어는, 가속시와 감속시의 양쪽 모두에서 행하여도 되고, 한쪽에서 행하여도 된다. 이것에 의해서, 가속 시간(81)과 감속 시간(83)의 양쪽 모두 또는 한쪽을 지금까지보다 짧게 할 수 있으므로, 이동 시간(80)을 단축하는 것이 가능해진다.
이와 같이, 본 실시에 의하면, 특허 문헌 1에 제시된 것처럼, 추진력 발생용의 코일 및 자석과는 별도로, 자기 흡인력에 의한 마찰력을 증감시키기 위한 코일 및 자석을 마련하는 일 없이, d축 전류 제어를 행하여 자기 흡인력에 의한 마찰력을 증감할 수 있으므로, 리니어 모터 구성의 간소화가 도모된다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명에 따른 리니어 모터 구동 장치는, d축 전류 제어를 행하여 자기 흡인력에 의한 마찰력을 증감시킬 수 있는 리니어 모터 구동 장치로서 유용하다.
1: 고정부
2: 가동부
11: 영구 자석
12: 설치좌
13: 베이스
21: 코일
22: 보빈
23: 철심
24: 천판(天板)
31: 레일
32: 베어링
41: 스케일
42: 위치 검출기
43: 위치 검출기 결합 부재
51: 전원용 리드선
52: 위치 검출기용 리드선
62: 자기 흡인력
80: 이동 시간
81: 가속 시간
82: 등속 시간
83: 감속 시간
90: 리니어 모터 구동 장치
91, 93: 가감산 회로
92: 위치 제어 회로
94: 속도 제어 회로
95: 전류 제어 회로
95a: d축 전류 제어 회로
95b: q축 전류 제어 회로
96: 2상／3상 변환 회로
97: 인버터
98: 미분 회로
99: 전류 검출기
100: 리니어 모터

Claims (4)

  1. 직선 모양으로 배열된 복수의 영구 자석으로 이루어진 자석열(磁石列) 및 상기 자석열의 양측에 있어서 가동부를 지지 및 안내하기 위해서 그 자석열과 병행(竝行)으로 배치되는 2개의 레일을 구비하는 고정부와, 상기 2개의 레일에 각각 지지되어 미끄럼 접촉(sliding contact)하여 활동할 수 있는 2개의 베어링 및 상기 2개의 베어링의 사이에 있어서 상기 자석열과 근접하여 대향 배치되는 전기자(電機子)를 구비하는 가동부로 구성되는 리니어 모터를 구동하는 리니어 모터 구동 장치에 있어서,
    상기 전기자의 코일에 공급하는 d축 전류 및 q축 전류를 생성 제어하는 전류 제어 회로에 있어서의 d축 전류 제어 회로는,
    생성하는 d축 전류를 변화시켜 상기 레일과 상기 베어링의 사이에 생기는 마찰력을 제어하는 구성을 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 구동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 d축 전류 제어 회로는
    상기 가동부를 목표 위치로 이동시키는 경우의 가감속시에, 생성하는 d축 전류를 변화시켜 상기 마찰력을 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 구동 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 d축 전류 제어 회로는
    상기 가동부를 목표 위치로 이동시키는 경우의 가속시에서는, 생성하는 d축 전류를 상기 마찰력을 감소시키는 방향으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 구동 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 d축 전류 제어 회로는
    상기 가동부를 목표 위치로 이동시키는 경우의 감속시에서는, 생성하는 d축 전류를 상기 마찰력을 증가시키는 방향으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 구동 장치.
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