KR101796535B1

KR101796535B1 - 자기 정렬 방법

Info

Publication number: KR101796535B1
Application number: KR1020177024470A
Authority: KR
Inventors: 장린; 장샤오원; 궈린; 천쥔; 장즈강
Original assignee: 상하이 마이크로 일렉트로닉스 이큅먼트(그룹) 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2017-11-10
Also published as: EP2950441A4; TW201440413A; CN103973172A; US9893596B2; JP2016504009A; CN103973172B; WO2014114231A1; SG11201505237UA; EP2950441B1; US20150340931A1; JP6219968B2; KR20150103731A; KR20170103041A; EP2950441A1; TWI513173B

Abstract

본 발명은 자기 정렬 방법으로서, 자기장을 생성하기 위한 영구자석 어레이를 제공하는 단계; 상기 영구자석 어레이 상부에 설치되는 모터 구동자로서, 매트릭스 배치를 갖는 4개의 코일 어셈블리를 포함하되, 2개의 서로 인접한 각각의 코일 어셈블리 중의 하나는 제1 방향을 따라 배열되고 다른 하나는 제1 방향과 수직으로 위치한 제2 방향을 따라 배열되는 모터 구동자를 제공하는 단계; 상기 영구자석 어레이와 대하여 고정된 위치를 가지는 고정 공구를 설치하는 단계; 및 상기 모터 구동자와 상기 고정 공구 사이에 힘 센서 유닛을 설치하고, 상기 4개의 코일 어셈블리 중의 각각에 대해 초기 자기 정렬 프로세스를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 초기 자기 정렬 프로세스를 진행하는 방법은 자기 정렬 각도 주기 내에서, 코일 어셈블리에 도입된 3상 전류의 각도를 변환하여 힘 센서 유닛을 통해 상기 코일 어셈블리의 수평방향 및 수직방향 출력 값을 측정하는 단계; 상기 코일 어셈블리의 수평방향 또는 수직방향 출력값에 대응하는 최대의 3상 전류 각도에 따라 상기 코일 어셈블리의 자기 정렬 각도를 확정하는 단계를 포함하며, 상기 방법은, 고정 공구 및 힘 센서를 제거하고, 상기 4개의 코일 어셈블리 중의 각각에 대해 하기 단계를 수행하여 서보(servo) 방식으로 자기 정렬 각도를 수정하는 방법으로, 하나의 코일 어셈블리는 폐쇄 루프 제어에서 이탈되도록 하고, 남은 3개의 코일 어셈블리는 제어기의 제어 하에 폐쇄 루프 제어를 구성하도록 하여, 이 때의 제어기의 출력을 초기 바이어스로 기록하는 단계; 상기 하나의 코일 어셈블리에 3상 전류를 도입하고, 상기 3상 전류의 각도를 변환하여, 이 때의 제어기의 출력을 실제 출력으로 기록하는 단계; 상기 하나의 코일 어셈블리의 3상 전류 각도를 제어기의 실제 출력과 초기 바이어스가 가장 근접되게 조정하는 단계를 더 포함한다.

Description

자기 정렬 방법{MAGNETIC ALIGNMENT METHOD}

본 발명은 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 자기 정렬 방법에 관한 것이다.

무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 기본 제어 원리는 통상의 리니어 모터와 유사하며, 즉, 코일의 자기장에서의 위치에 따라, 3상 코일에 도입된 전류 각도를 변환하여 모터가 필요한 방향에서 일정하게 출력되도록 한다. ID, IQ 디커플링의 벡터 제어 방식을 취하므로, 초기 자기 정렬 각도의 정확도 여부는 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터 수평방향, 수직방향에서의 최대 출력을 보장하는 것 외에, 모터 수평방향 및 수직방향의 디커플링에도 영향을 미친다. 만약 자기 정렬 각도가 정확하지 않고, 수평방향 및 수직방향 디커플링이 충분히 철저하게 이루어지지 않으면, 제어에서 수평방향 및 수직방향의 혼선을 일으켜, 모터의 서보(servo) 성능에 영향을 줄 수 있다.

US7205741B2에는 종래의 초기 자기 정렬 각도를 검측하는 시스템이 공개되어 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 방안은 다음과 같이 공개되어 있다: 모터 코일(1) 및 영구자석(2)의 표면 사이에 한 층의 압축 가능한 재료로 제조된 센싱 소자(3)가 설치되고, 커패시턴스 또는 인덕턴스 거리 센서(4)를 배치하여, 모터가 수직방향에서 출력할 때 센싱 소자(3)가 변형량을 압축시키는 것을 검측한다. 자기 정렬 범위 내에서 3상 코일 전류 각도를 변경하고 센싱 소자(3)의 변형량 크기를 판단하여, 모터의 초기 자기 정렬 각도를 검색한다.

상기 자기 정렬 각도 시스템의 정확도는 모터의 수직방향 출력 시 센싱 소자(3)의 변형량 및 거리 센서(4)의 해상도에 의존하고, 이는 모터 수직방향 출력 및 센싱 소자(3)의 변형량 간의 양호한 선형 관계를 필요로 하며, 수직방향 출력이 너무 크거나 너무 작을 경우, 이러한 선형 관계는 만족스럽지 못하며, 따라서 측정된 자기 정렬 각도의 정확도에 영향을 줄 수 있다.

본 발명은 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 자기 정렬 방법을 제공하여 자기 정렬 정확도를 향상시키도록 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 자기 정렬 방법으로서, 자기장을 생성하기 위한 영구자석 어레이를 제공하는 단계; 상기 영구자석 어레이 상부에 설치되는 모터 구동자로서, 매트릭스 배치를 갖는 4개의 코일 어셈블리를 포함하되, 2개의 서로 인접한 각각의 코일 어셈블리 중의 하나는 제1 방향을 따라 배열되고 다른 하나는 제1 방향과 수직으로 위치한 제2 방향을 따라 배열되는 모터 구동자를 제공하는 단계; 상기 영구자석 어레이와 대하여 고정된 위치를 가지는 고정 공구를 설치하는 단계; 및 상기 모터 구동자와 상기 고정 공구 사이에 힘 센서 유닛을 설치하고, 상기 4개의 코일 어셈블리 중의 각각에 대해 초기 자기 정렬 프로세스를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 초기 자기 정렬 프로세스를 진행하는 방법은 자기 정렬 각도 주기 내에서, 코일 어셈블리에 도입된 3상 전류의 각도를 변환하여 힘 센서 유닛을 통해 상기 코일 어셈블리의 수평방향 및 수직방향 출력 값을 측정하는 단계; 상기 코일 어셈블리의 수평방향 또는 수직방향 출력값에 대응하는 최대의 3상 전류 각도에 따라 상기 코일 어셈블리의 자기 정렬 각도를 확정하는 단계를 포함하며, 상기 방법은, 고정 공구 및 힘 센서를 제거하고, 상기 4개의 코일 어셈블리 중의 각각에 대해 하기 단계를 수행하여 서보(servo) 방식으로 자기 정렬 각도를 수정하는 방법으로, 하나의 코일 어셈블리는 폐쇄 루프 제어에서 이탈되도록 하고, 남은 3개의 코일 어셈블리는 제어기의 제어 하에 폐쇄 루프 제어를 구성하도록 하여, 이 때의 제어기의 출력을 초기 바이어스로 기록하는 단계; 상기 하나의 코일 어셈블리에 3상 전류를 도입하고, 상기 3상 전류의 각도를 변환하여, 이 때의 제어기의 출력을 실제 출력으로 기록하는 단계; 상기 하나의 코일 어셈블리의 3상 전류 각도를 제어기의 실제 출력과 초기 바이어스가 가장 근접되게 조정하는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 3상 전류의 각도의 변환은 초기 자기 정렬 각도를 토대로, -1/N개 의 자기 정렬 각도 주기 내지 +1/N개 자기 정렬 각도 주기의 범위 내에서 변환되며, 여기서 N은 자연수일 수 있다.

또한, 상기 고정 공구는 상기 모터 구동자 또는 상기 영구자석 어레이(magnetic array) 중 어느 하나와도 접촉하지 않을 수 있다.

또한, 각 코일 어셈블리는 복수의 평행 설치된 3상 코일을 포함할 수 있다.

또한, 상기 영구자석 어레이는 매트릭스 방식으로 제3 및 제4 방향을 따라 배치되는 복수 개의 자기체를 포함하고, 여기서 상기 제3 방향 및 제4 방향은 서로 수직되고, 제3 방향과 상기 제1 방향은 45도 협각을 이루고, 제4 방향과 상기 제2 방향은 45도 협각을 이룰 수 있다.

또한, 상기 각 코일 어셈블리 중의 2개의 서로 인접한 3상 코일 간의 거리는

이며, 여기서

은 영구자석 어레이 중의 2개의 서로 인접한 자기체 사이의 자극 피치일 수 있다.

또한, 상기 힘 센서 유닛은 하나의 3차원 이상의 힘 센서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 힘 센서 유닛은 3개의 1차원 힘 센서를 포함할 수 있다.

종래 기술과 비교하여, 본 발명은 다음과 같은 장점이 있다:

1. 종래기술에서 채택한 압축 가능한 재료와 비교하면, 본 발명은 힘 센서를 채택하여 더욱 신뢰성 있는 선형 작업 구간을 구비하고, 비선형 요소가 자기 정렬에 대한 영향을 줄인다;

2. 종래기술에서의 압축 가능한 재료는 모터의 수직방향 출력만 측정할 수 있는 반면, 본 발명의 힘 센서는 모터의 수직방향 출력을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 수평방향 출력도 측정할 수 있다;

3. 상기 모터 구동자는 힘 센서를 통해 고정 공구 상에 고정되어, 모터가 수평방향 출력이 모터 구동자 및 영구자석 어레이 표면의 정지 마찰력보다 큼으로 인한 편위를 방지할 수 있다;

4. 자기 정렬 각도를 서보 방식으로 수정하는 방법을 취하여, 여분의 센서를 필요로하지 않는 상황에서 자기 정렬 정확도를 향상시킬 수 있으며, 센서 해상도가 자기 정렬 정확도에 대한 영향을 방지할 수 있다.

도 1은 종래기술에서의 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 자기 정렬 시스템의 구조 설명도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 구체적 실시 방식에 따른 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 자기 정렬 시스템 구조의 평면도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 구체적 실시 방식에 따른 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 자기 정렬 시스템의 측면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 구체적 실시 방식에 따른 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터 출력의 설명도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 구체적 실시 방식에 따른 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 자기 정렬 방법의 흐름도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 구체적 실시 방식에 따른 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 제어 구조 블록도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 구체적 실시 방식에 따른 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 3조의 코일이 폐쇄 루프 제어를 구성하는 제어 구조 블록도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 구체적 실시 방식에 따른 자기 정렬 각도를 서보 방식으로 수정하는 방법 흐름도이다.

본 발명의 상기 목적, 특징 및 장점을 더욱 분명하고 용이하게 하기 위하여, 하기에서는 도면을 결합하여 본 발명의 구체적 실시 방식에 대해 상세하게 설명한다. 주의할 점은, 본 발명의 도면은 모두 간략화된 형식 및 비표준 비율을 사용하였으며, 이는 단지 간편하고 명확하게 본 발명의 실시예의 목적을 보충설명하기 위함이다.

본 발명이 제공하는 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 자기 정렬 시스템은, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 영구자석 어레이(10), 모터 구동자(20), 고정 공구(30) 및 힘 센서(40)를 포함한다. 구체적으로, 상기 영구자석 어레이(10)는 2차원 영구자석 어레이이며, 복수의 자기체가 2차원 어레이 방식으로 X'- Y'평면 내에 배열되어 구성되고, 각 자기체는 X'- Y'평면에 수직인 방향을 따라 위치되고, 서로 인접한 자기체의 자극은 상반되며, 즉 하나의 N극이 위로 설치된 자기체에 있어서, 해당 인접한 자기체는 S극이 위로 설치된다. 영구자석 어레이의 N극 및 S극의 자극 거리는

로 표시되며, 상기 영구자석 어레이(10)는 해당 주위 영역에서 자기장을 형성한다. 상기 모터 구동자(20)는 영구자석 어레이(10)의 상부에 위치하며, 4개의 매트릭스 배치를 갖는 코일 어셈블리 X1, X2, Y1, Y2를 포함한다. 여기서 각 2개의 인접한 코일 어셈블리 중의 하나는 제1 방향(X 방향)에 따라 배열되고, 다른 하나는 제1 방향과 수직인 제2 방향(Y 방향)에 따라 배열된다. 바람직하게는, X 및 X'방향, Y 및 Y'방향은 각각 45도 협각을 이루어, 상기 영구자석 어레이(10)의 자기 밀도 분포는 X 및 Y 방향을 따라 모두 사인(sin) 분포를 보이도록 한다. 상기 모터 구동자(20)의 각 코일 어셈블리는 즉 하나의 동력체이며, 구체적으로， 각 코일 어셈블리는 평행 설치된 몇몇의 3상 코일(21)을 포함한다. 본 실시예에서, 각 코일 어셈블리는 3개의 3상 코일(21)을 포함하고, 3상 코일(21)이 전류를 도입한 후, 영구자석 어레이(10)의 자기장은 3상 코일(21)에 대해 작용력을 생성하고, 모터 구동자(20)를 구동하여 이동시킨다.

각 코일 어셈블리의 초기 정렬 각도를 검측하기 위하여, 코일 어셈블리에 3상 전류를 도입하는 상황에서, 모터 구동자(20)를 원래 위치에 유지시키고, 이때의 자기장이 코일 어셈블리에 대해 X, Y, Z 방향에서 각각 생성되는 작용력을 정확하게 측정한다. 이를 위하여, 모터 구동자(20)를, X, Y, Z 3개 축방향 힘을 각각 측정할 수 있는 힘 센서(40)를 통해, 상기 영구자석 어레이(10)와 상대하여 위치 변화가 없는 고정 공구(30) 상에 연결시킨다. 일 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 고정 공구(30)는 프레임 타입 구조를 취하여, 영구자석 어레이(10)의 외측에 걸쳐 설치한다. 구체적으로, 상기 영구자석 어레이(10) 및 고정 공구(30)는 모두 기판(50) 상에 설치되고, 고정 공구(30)는 충분한 너비와 높이를 구비하여, 영구자석 어레이(10)를 해당 상부의 모터 구동자(20)와 함께 고정 공구(30)가 둘러싼 공간 내에 수용시키고, 고정 공구(30)는 영구자석 어레이(10) 및 모터 구동자(20)와 접촉하지 않아, 영구자석 어레이(10) 및 모터 구동자(20)의 정상적인 작업에 방해를 주지 않게 된다. 상기 힘 센서(40)는 3차원 힘 센서이고, 즉 상기 힘 센서(40)를 통해 X, Y, Z 3개 축 방향의 힘 측정을 실현할 수 있다. 기타 실시예에서, 3개의 1차원 힘 센서를 취해 조합하여 측정하거나, 3차원 이상의 힘 센서를 취해 직접적으로 측정할 수도 있다. 상기 힘 센서(40)는 모터 구동자(20) 및 고정 공구(30)에 각각 연결되고, 한편으로 모터 구동자(20)를 고정 공구(30)에 상대되도록 하여, 영구자석 어레이(10)와 상대되는 위치가 변화 없이 유지되도록 할 수 있으며, 다른 한편으로는 모터 구동자(20)의 3차원 방향에서의 출력을 실시간으로 측정할 수 있다.

도 4를 중점적으로 참고하면, 코일 어셈블리 X1은 수평방향 힘

및 수직방향 힘

을 생성하고, 코일 어셈블리 X2는 수평방향 힘

및 수직방향 힘

을 생성하고, 코일 어셈블리 Y1은 수평방향 힘

및 수직방향 힘

을 생성하며, 코일 어셈블리 Y2는 수평방향 힘

및 수직방향 힘

을 생성한다. 바람직하게는, 각 코일 어셈블리 중의 2개의 인접한 3상 코일(21) 간의 거리는

이다. 여기서,

은 영구자석 어레이 N극 내지 S극의 자극 피치이다. 전술한 바와 같이, 영구자석 어레이(10) 에서 자석의 배치 방향이 모터 구동자(20)의 코일 어셈블리의 배치 방향과 45도 협각을 보일 때, 상기 영구자석 어레이(10)의 자기 밀도 분포는 자기 밀도 분포는 X/Y 방향을 따라 사인 분포를 보이므로, 각 동력체 3상 코일(21)이 위치한 밀도 분포

의 표현식은 하기와 같다.

드라이버를 설정하여 3상 전류를 출력하는 것은 하기와 같다:

여기서,

는 자기 밀도 진폭이고,

는 3상 전류 진폭이고,

는 모터 구동자 운동 거리이고, 모터 구동자(20)의 운동과 관련된다.

는 모터 구동자(20)의 3상 코일(21) 에서 전류 각도와 실제 코일이 자기장에 위치하는 각도의 차이 값일 경우, 단일 동력체의 출력

는 하기와 같다:

고정 공구(30) 및 힘 센서(40)의 작용 하에 각 동력체는 영구자석 어레이(10)와 상대적인 위치가 불변하므로, 해당 대응하는 자기 각도도 변화가 없다. 이 외에, 주어진영구자석 어레이(10) 및 모터 구동자(20)에 대하여, 해당 대응되는 자기 밀도 진폭

및 3상 전류 진폭

도 변화가 없고, 이러한 조건에서, 상기 공식(3)에서의

크기는 단지 3상 코일(21) 중의 전류 각도와 관련이 있으므로, 본 발명의 자기 정렬 시스템을 채택하여 임의의 동력체의 초기 자기 정렬 각도를 검측할 때, 단지

주기 내에서 상기 동력체의3상 코일(21) 중의 전류 각도를 변환시키는 것을 통해, 힘 센서(40)를 이용하여 상기 동력체의 출력

을 최대가 되도록 하는 전류 각도를 검색하면 바로, 대응하는

값을 상기 동력체의 초기 자기 정렬 각도로서 얻을 수 있다. 해당 구체적인 과정은 아래에서 상세하게 설명한다.

본 발명은 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 자기 정렬 방법을 더 제공하고, 상기 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 자기 정렬 시스템을 채택하여 실현되며, 도 5에 도시된 바와 같이, 도 2 내지 도 4를 결합하여 보면, 하기 단계:

코일 어셈블리를 선택하는 단계;

3상 전류의 가변 각도 범위(자기 정렬 각도 주기에 상당함) 내에서 상기 코일 어셈블리에 도입된 3상 전류 각도를 변환하는 단계로서, 구체적으로, 자기 정렬 각도 주기를 평균적으로 N 부로 나누고, 1/N 자기 정렬 각도 주기를 단위로 하여 순차적으로 3상 전류의 각도를 변경하고, 3상 전류의 각도 값을 매회 변경할 때마다, 힘 센서(40)를 통해 상기 코일 어셈블리가 수평방향에서의 상응하는 출력 값을 측정하며, 코일 어셈블리 X1, X2에 있어서, 측정하는 것은 X 방향 힘이고, 코일 어셈블리 Y1, Y2에 있어서, 측정하는 것은 Y 방향 힘인 단계;

상기 코일 어셈블리의 수평방향에서의 출력 값에 대응하는 최대의 3상 전류 각도에 따라, 상기 코일 어셈블리의 자기 정렬 각도를 확정하는 단계;

상기 코일 어셈블리의 초기 자기 정렬을 완료하는 단계를 포함한다.

4개의 동력체 중의 각각은 모두 상기 초기 자기 정렬 단계를 거쳐야 하는 것을 필요로 한다.

주의할 점은, 비록 상기 실시예에서 힘 센서(40)가 측정한 것은 수평방향 힘(X 방향 또는 Y 방향 힘)이지만, 수직방향 힘(Z 방향 힘)을 측정하는 것으로 변경할 수 있으며, 이는 수직방향이든 아니면 수평방향이든 모두 모터 구동자(20)가 영구자석 어레이(10)와 상대적으로 위치가 고정될 때, 출력은

변화에 따라 사인 변화의 관계를 나타내기 때문이다. 따라서, 수직방향 힘을 측정하는 상황에 대해, 단지 상기 코일 어셈블리의 수직방향에서의 출력 값에 대응하는 최대의 3상 전류 각도에 따라, 상기 코일 어셈블리의 자기 정렬 각도를 바로 확정할 수 있다.

상기 단계에 따라 초기 자기 정렬을 완성할 때, 상기 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터는 이미 모터의 수평방향 출력 및 수직방향 출력의 초기 디커플링을 실현하였으며, 이 때 고정 공구(30) 및 힘 센서(40)를 제거할 수 있어, 모터 구동자(20)를 영구자석 어레이(10)에 대해 이동할 수 있게 하며, 상기 측정된 초기 자기 정렬 각도에 근거하여 모터에 대해 서보 폐쇄 루프 제어를 실현할 수 있다. 폐쇄 루프 상태에서. 대표 모터 출력 크기의 제어량을 통해, 자기 정렬 정확도를 한층 더 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 6 자유도 디커플링 제어 전략의 블록도는 도 6에 도시된 바와 같이, 4개의 코일 어셈블리 X1, X2, Y1, Y2인 4개의 동력체; 각각 6개의 논리축 X, Rx, Y, Ry, Z, Rz에 대응되어 각각 상응하는 논리축 출력을 제어하는 X제어기, RX제어기, Y제어기, RY제어기, Z 제어기, RZ 제어기인 6개의 제어기; 및 6개의 제어기로부터 논리축 출력 Fx, Fy, Fz, Trx, Try, Trz를 수신하고, 이를 8개의 물리축 x1, z1, x2, z2, y1, z3, y2, z4로 변환하여 F*x1, F*Z1, F*X2, F*Z2, FY1, F*Z3, FY2, F*Z4 출력을 진행하도록 하는 엑추에이터 시스템을 포함한다. 구체적인 과정은 다음과 같다: 위치 오차를 판독한다.x_error, y_error, z_error, rx_error, ry_error, ry_error를 포함하며, 각각 x, y, z 방향의 평행이동 오차 및 rx, ry, rz 방향의 회전 오차에 대응되고, x_error를 예로 들면, 상기 오차는 서로 대응하는 X 제어기에 의해 상대하는 논리축 출력 힘 Fx로 전환되고, 엑추에이터 시스템에 의해 힘을 재분배하여 논리축 상의 힘을 물리축 상의 힘 F*X1로 전환하고, 자기 각도

을 결합하여 드라이버 1을 제어하여 전류

를 출력하고, 상기 출력 전류

는 코일 어셈블리 X1 에 도입되어 상기 코일 어셈블리 X1의 동력을 제어한다.

바람직하게는, 본 발명의 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 자기 정렬 방법은 자기 정렬 각도를 서보 방식으로 수정하는 방법을 더 포함하며, 이로써 자기 정렬 정확도를 한층 더 향상시키도록 하고, 상기 평면 모터의 각 코일 어셈블리 X1, X2, Yl, Y2는 서보 시스템에서 폐쇄 루프 제어를 진행하고, 상기 서보 시스템의 제어기는 상기 평면 모터의 각 운동 방향에서의 출력을 대응하여 제어하며, 이는 도 8에 도시된 바와 같이, 하기 단계를 포함한다:

하나의 코일 어셈블리를 타겟 코일 어셈블리로 선택하여 자기 정렬 각도 서보 방식 수정을 진행하여, 상기 타겟 코일 어셈블리를 폐쇄 루프 제어로부터 이탈시키고, 나머지 3개의 코일 어셈블리로 폐쇄 루프 제어를 구성하여, 이 때의 제어기의 출력을 초기 바이어스로 기록한다. 즉, 그 중 하나의 코일 어셈블리, 예를 들어 코일 어셈블리 X1의 자기 각도에 대해 서보 방식 수정을 진행할 때, 상기 코일 어셈블리 X1은 서보 제어에 참여하지 않고, 나머지 3개의 코일 어셈블리, 즉 코일 어셈블리 X2, Y1, Y2이 폐쇄루프 제어를 구성한다. 3개의 동력체 또한 모터의 6 자유도 제어를 완성할 수 있으므로, 도 7에 도시된 바와 같이, 엑추에이터 1은 폐쇄 루프 제어로부터 이탈하고, 무빙 코일형 자기 부상 평면 모터의 6 자유도 디커플링 제어 전략의 블록도는 모터의 3개 동력체(즉 3개의 코일 어셈블리 X2, Y1, Y2), 6개의 논리축 （X, Rx, Y, Ry, Z, Rz) 및 6개의 물리축 （x2, z2, yl, z3, y2, z4)의 제어를 포함한다. 이때 코일 어셈블리 X1은 상기 동력체의 자기 정렬 각도에 대해 한층 더 수정하는데 사용될 수 있으며, 나머지 3개의 동력체 제어 모터는 서보 자기 부상 상태에 있다;

상기 타겟 코일 어셈블리에 3상 전류를 도입하고, 상기 코일 어셈블리는 나머지 3개의 코일 어셈블리로 구성된 서보 시스템의 작용 하에 원래 위치에 유지되어 있고, 상기 타겟 코일 어셈블리의 3상 전류 각도를 변환하여, 이때의 제어기의 출력을 실제 출력으로 기록한다. 바람직하게는, 그 중의 하나의 코일 어셈블리의 자기 정렬 각도에 대해 서보 방식 수정을 할 때, 상기 타겟 코일 어셈블리에 도입된 3상 전류 각도는 초기 자기 정렬 각도를 토대로, -1/N개 자기 정렬 각도 주기 내지 +1/N개 자기 정렬 각도 주기 내에서 변환된다;

도 7에 도시된 엑추에이터 1이 폐쇄 루프 제어로부터 이탈하는 것을 예로 들면, 다른 3개의 동력체 제어 모터가 서보 자기 부상 상태에 있을 때, 상기 코일 어셈블리 X1은 전류를 도입하여 개방 루프 수직방향 힘을 생성하고, 만일 수평방향 분력을 생성하면 자기 정렬 각도 조정을 계속 진행한다. 다시 말해서, X 제어기의 출력

는 고정 바이어스 값

(이론적으로는

, 하지만 초기 자기 정렬 시 정렬 정확도에 대한 한정으로 인하여, 모터 자기 부상의 수직방향 출력이 수평방향으로 커플링될 가능성을 제공한다)이어야 한다. 이때, 아직 폐쇄 루프 제어에 있지 않은 동력체에 수직방향 전류

를 설치하고, 모터는 서보 작용 하에 원래 위치에 유지되고, 이때의 X 제어기의 출력

를 기록하며, 만일

가 최초 시점의 고정 바이어스 값

와 같지 않다면, 상기 아직 폐쇄 루프 제어에 있지 않은 동력체의 수직방향 힘이 수평방향으로 커플링된다는 것을 설명하고, 이는 즉 자기 정렬 정확도가 추가적으로 향상될 수 있으며, 따라서 자기 각도에 대해 계속 조정을 진행할 필요가 있다. 바람직하게는, 상기 폐쇄 루프 제어에서의 제어량에 대한 판독을 통해, 서보 방식 수정을 진행한 코일 어셈블리 X1가 생성한 수평방향 분력을 확정하여, 자기 각도 조정의 범위를 확정한다.

타겟 코일 어셈블리에 대응되는 3상 전류 각도를 제어기의 실제 출력과 초기 바이어스가 가장 가까운 위치로 조정한다;

구체적으로, 상기 동력체의 자기 정렬 각도

에 대한 조정을 통해, 관찰된

를 초기 시점의 고정 바이어스 값

과 가장 근접하도록 한다.

자기 정렬 각도의 서보 방식 수정이 완성된다.

주의할 점은, 각 동력체는 모두 상기의 자기 정렬 각도의 서보 수정 방법을 통하여 자기 정렬 정확도를 높일 수 있다는 것이다.

명백하게, 본 분야의 당업자는 본 발명에 대해 각종 변경 및 변형을 할 수 있으며, 이는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는다. 따라서, 본 발명의 이러한 변경 및 변형이 본 발명의 청구 범위 및 균등한 기술적 범위 내에 있을 경우, 본 발명 또한 이러한 변경 및 변형을 포함하는 것으로 볼 것이다.

Claims

자기 정렬 방법으로서,
자기장을 생성하기 위한 영구자석 어레이를 제공하는 단계;
상기 영구자석 어레이 상부에 설치되는 모터 구동자로서, 매트릭스 배치를 갖는 4개의 코일 어셈블리를 포함하되, 2개의 서로 인접한 각각의 코일 어셈블리 중의 하나는 제1 방향을 따라 배열되고 다른 하나는 제1 방향과 수직으로 위치한 제2 방향을 따라 배열되는 모터 구동자를 제공하는 단계;
상기 영구자석 어레이와 대하여 고정된 위치를 가지는 고정 공구를 설치하는 단계; 및
상기 모터 구동자와 상기 고정 공구 사이에 힘 센서 유닛을 설치하고, 상기 4개의 코일 어셈블리 중의 각각에 대해 초기 자기 정렬 프로세스를 수행하는 단계를 포함하고,
상기 초기 자기 정렬 프로세스를 진행하는 방법은
자기 정렬 각도 주기 내에서, 코일 어셈블리에 도입된 3상 전류의 각도를 변환하여 힘 센서 유닛을 통해 상기 코일 어셈블리의 수평방향 및 수직방향 출력 값을 측정하는 단계;
상기 코일 어셈블리의 수평방향 또는 수직방향 출력값에 대응하는 최대의 3상 전류 각도에 따라 상기 코일 어셈블리의 자기 정렬 각도를 확정하는 단계
를 포함하며,
상기 방법은,
고정 공구 및 힘 센서를 제거하고, 상기 4개의 코일 어셈블리 중의 각각에 대해 하기 단계를 수행하여 서보(servo) 방식으로 자기 정렬 각도를 수정하는 방법으로,
하나의 코일 어셈블리는 폐쇄 루프 제어에서 이탈되도록 하고, 남은 3개의 코일 어셈블리는 제어기의 제어 하에 폐쇄 루프 제어를 구성하도록 하여, 이 때의 제어기의 출력을 초기 바이어스로 기록하는 단계;
상기 하나의 코일 어셈블리에 3상 전류를 도입하고, 상기 3상 전류의 각도를 변환하여, 이 때의 제어기의 출력을 실제 출력으로 기록하는 단계;
상기 하나의 코일 어셈블리의 3상 전류 각도를 제어기의 실제 출력과 초기 바이어스가 가장 근접되게 조정하는 단계
를 더 포함하는 자기 정렬 방법.
제1항에 있어서,
상기 3상 전류의 각도의 변환은 초기 자기 정렬 각도를 토대로, -1/N개 의 자기 정렬 각도 주기 내지 +1/N개 자기 정렬 각도 주기의 범위 내에서 변환되며, 여기서 N은 자연수인 것을 특징으로 하는
자기 정렬 방법.
제1항에 있어서,
상기 고정 공구는 상기 모터 구동자 또는 상기 영구자석 어레이(magnetic array) 중 어느 하나와도 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는
자기 정렬 방법.
제1항에 있어서,
각 코일 어셈블리는 복수의 평행 설치된 3상 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는
자기 정렬 방법.
제1항에 있어서,
상기 영구자석 어레이는 매트릭스 방식으로 제3 및 제4 방향을 따라 배치되는 복수 개의 자기체를 포함하고, 여기서 상기 제3 방향 및 제4 방향은 서로 수직되고, 제3 방향과 상기 제1 방향은 45도 협각을 이루고, 제4 방향과 상기 제2 방향은 45도 협각을 이루는 것을 특징으로 하는
자기 정렬 방법.
제5항에 있어서,
상기 각 코일 어셈블리 중의 2개의 서로 인접한 3상 코일 간의 거리는
이며, 여기서
은 영구자석 어레이 중의 2개의 서로 인접한 자기체 사이의 자극 피치인 것을 특징으로 하는
자기 정렬 방법.
제1항에 있어서,
상기 힘 센서 유닛은 하나의 3차원 이상의 힘 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는
자기 정렬 방법.
제1항에 있어서,
상기 힘 센서 유닛은 3개의 1차원 힘 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는
자기 정렬 방법.