Recently, there is an increasing requirement for controlled high speed precision linear motion over long strokes. Among the linear actuation technologies, the linear motion actuator consisted of linear PM motor is becoming increasingly popular because of their advantages. The force per ampere capability of linear PM motor is enhanced by using an slotted armature. But, the linear PM motor using slotted armature exhibits force ripple due to the slotting and finite length of armature. Because this force degrades the positioning accuracy and induces fluctuation of speed, the design for force ripple reduction is required for smooth and precise motion of the actuator.
The system consisted of linear PM motor and square type air bearing is proposed as a linear motion actuator for the precision positioning system. The system is designed conceptually to have the force ripple reduction method, symmetry and shaped coil winding, and inherently infinite positioning resolution to meet the principles for precision system design.
By using the magnetic field of linear PM motor with infinite slotted armature obtained from the finite element analysis, which can describe the flux focusing effect in the tooth, relative permeance function of armature slotting effect is expressed with the function of motor geometric parameters. Relative permeance function of finite slotless armature effect is obtained from numerical anaysis and fitting method. The field distribution of a linear PM motor with finite slotted armature is obtained from the field distribution by infmite slotless annature and relative permeance function of fmite slotted armature.
Optimal design is conducted so as to be designed with minimum force ripple under required driving force. In optimal design, field distribution described by relative penneance function is used in calculation of force components. By using the analytic equation of field distribution, optimal design processing is possible in case of system with many design variable.
Motion control is conducted to verify the degree of precise and smooth motion with the optimal designed system. From trajectory following motion and step motion, following error of 300nm and positioning resolution of 50nm are obtained. By application of ripple model feedforward loop, the trajectory following error is reduced from 300nm to 100nm. In ripple model feedforward loop, force ripple model is described from the proposed flux density model.
최근에 긴 행정에 대해 고속 정밀 선형 위치제어에 대한 요구가 증가하고 있다. 선형 구동 기술 중에서, 선형 영구자석형 모터로 구성되는 선형 구동기가 다른 방법을 사용하는 구동기와 비교하여 많은 장점을 보임에 따라 급속도로 보편화되고 있다. 선형 영구자석형 모터의 전류에 대한 구동력 특성이 슬롯을 갖는 가동자를 사용함으로써 향상된다. 그러나, 슬롯 있는 가동자를 갖는 선형 영구자석형 모터는 가동자의 슬롯과 유한한 길이에 의해 발생되는 추력리플이 존재하게 된다. 이 추력리플은 구동 시에 경로추종오차를 유발하고 속도의 변동을 유발하기 때문에, 구동기의 정확한 경로추종제어를 위해서는 추력리플이 최소화되도록 모터를 설계하는 것이 요구된다.
정밀 위치제어용 선형 구동기로 선형 영구자석형 모터와 사각 공기베어링으로 구성된 시스템이 제안되었다. 이 시스템은 정밀 시스템 설계 원칙에 따라 추력리플 축소방법, 대칭과 성형된 코일 권선, 무한대의 위치정밀도를 갖도록 설계되었다.
가동자의 치에서 발생되는 자속 모임 현상의 해석이 가능한 유한요소해석으로 구한 무한길이의 슬롯 있는 가동자를 갖는 선형 영구자석형 모터의 자속밀도를 사용하여 가동자 슬롯영향에 따른 상대 퍼미언스 함수를 모터형상변수의 함수로 표현하였다. 또한 유한길이의 슬롯 없는 가동자에 대한 상대 퍼미언스 함수를 수치해석과 곡선피팅방법을 사용하여 구하였다. 무한길이의 슬롯 없는 가동자에 대해 포아송식으로 구한 자속밀도와 유한길이의 슬롯 있는 가동자의 상대 퍼미언스 함수를 이용하여 유한길이의 슬롯 있는 가동자에서의 자속밀도를 구하였다.
요구되는 추력를 만족하며 추력리플이 최소가 되도록 모터를 설계하기 위해 최적설계를 수행하였다. 최적설계에서, 상대 퍼미언스 함수로 묘사된 자속밀도가 목적함수와 제한조건과 관련되는 모터 성능의 계산에 사용되었다. 자속밀도의 수식을 사용함으로써, 유한요소해석을 적용하기에 어려운 다수의 설계변수를 갖는 시스템의 최적설계가 가능하게 되었다.
최적 설계된 시스템의 위치제어 성능을 검증하기 위해 제어실험을 수행하였다. 경로추적제어와 위치제어로부터, 300 나노미터의 경로추적오차와 50 나노미터의 위치정밀도를 얻었다. 제안된 자속밀도 모델로 표현되는 추력리플 모델의 피드포워드 루프를 사용하여 100 나노미터의 경로추적오차를 얻었다.
