정밀 모션 애플리케이션에 적합한 다이렉트 드라이브 리니어 모터의 선택 방법

ZABER

다이렉트 드라이브 모션 기술의 한 종류인 리니어 모터는, 회전 모터의 고정자 및 회전자 개념을 사용하여 선형으로 펴서 리니어를 구성한다. 이 기술이 새로운 기술은 아니지만, 효율성 및 전력 밀도 그리고 고급 제어를 포함하여 지난 수십 년간 발전했다.

이 드라이브 유형은 고정밀 모션 제어 솔루션에 이상적이다. 정밀 모션 제어가 필요한 애플리케이션에서 호평과 사용이 증가함에 따라 리니어 모터를 많은 애플리케이션 분야에서 보다 경제적인 옵션으로 만들었다.

기술이 발전함에 따라 옵션과 구성의 수 또한 증가했으며, 각 유형의 리니어 모터는 완전히 다른 성능과 특성을 갖는다. 이로 인해 리니어 모터가 충족 할 수 있는 요구 사항의 수가 확대되었지만, 그렇기 때문에 가장 적합한 제품을 지정하는 것이 어려울 수 있다.

이 과정을 단순화하기 위해, 다이렉트 드라이브(직접 구동) 리니어 모터의 메커니즘을 먼저 설명하고 보다 전통적인 간접 구동 시스템과 비교해 보자.

이 기초 지식을 통해 각 유형에 적합한 애플리케이션을 식별하는데 도움이 될 것이다. 또한 Zaber의 다이렉트 드라이브 리니어 모터 장치가 제공하는 독창적인 이점 중 일부를 다룰 것이다. 그림 1은 컨트롤러와 드라이버가 통합된 Zaber 리니어 모터 스테이지의 예이다.

리니어 모터 vs 로터리 모터

리니어 모터를 설명하기 위해 먼저 모터에 대해 간단히 설명한다. 전기 모터는 일반적으로 영구 자석에 의해 생성되는 다른 자기장과 상호 작용하는 전자기장을 생성하여 모션을 생성한다. 전자기장은 움직임을 제어하기 위해 코일 (권선이라고도 함)의 전류를 제어함으로써 변화된다.

모터의 회전 부분을 '로터'라고 하고 고정 부분을 '고정자'라고 한다. Zaber는 브러시리스 모터를 사용하는데, 영구 자석은 로터의 일부이고 권선은 그림 2a에서 볼 수 있듯이 고정자를 구성한다.

영구 모터에는 극점이 2개(예: 북 및 남) 이지만 여러 개있을 수도 있다. 코일로의 전류가 변화함에 따라, 자극이 자극되는 자기장이 순환하여 회전을 야기한다.
리이어 모터를 사용하면 고정자와 회전자가 서로 일직선이 된다.

그림 2b에서 보듯이 모터의 풀린 상태를 그림 2c에서와 같이 평평한 리니어 모터로 만든다. 정확히 어떻게 배치하고 어떤 구성 요소를 움직여 고정시키는 지에 따라 리니어 모터의 유형이 결정된다. 전류가 흐르는 코일을 일반적으로 리니어 모터의 '포서(forcer)' 라고 한다. 토크를 생성하는 대신, 전류가 포서를 통해 변함에 따라 스테이지의 이동 길이를 따른 선형 힘(linear force)이 생성된다.

직접 구동 vs. 간접 구동

모션 제어 장치에 로터리 모터를 사용하는 경우, 회전은 실제 필요한 모션이 아니다. 즉, 방향과 속도 그리고 힘의 일부(또는 전부)가 다르게 필요할 수 있다. 모션을 우회 시키기 위해 기어, 리드 스크류 또는 볼 스크류, 커플러, 벨트 및 풀리와 같은 기계 부품이 사용된다.

이러한 각 구성 요소는 시스템에 마찰이나 부정확성을 유입되어 효율성을 줄이고 정밀도를 제한한다. 이것을 '간접 구동' 시스템 이라 한다. 시스템은 정확도를 높이기 위해 다양한 엔코더 및 모터 유형을 사용할 수 있으며 위치 피드백 없이 실행될 수 있다.

반대로, 리니어 모터를 사용하는 장치는 모터 힘과 필요한 이동간에 기계적인 변환이 없기 때문에 '직접 구동(다이렉트 드라이브)' 이라고 한다. 이는 최대 효율과 정확성을 보장 할뿐만 아니라 힘을 증폭 시키거나 모터의 이동 범위를 확장하는 메커니즘이 없으므로 적절한 사양의 올바른 모터를 선택해야 함을 의미한다.

또한, 리니어 모터는 정확한 모션을 생성 할 수 있지만, 리니어 엔코더를 사용하여 동일하게 정확한 위치 피드백과 서보 제어 루프가 있는 고급 드라이버가 있어야 최고의 성능을 얻을 수 있다.
다이렉트 드라이브 장치는 리니어 스테이지에서 기계적 변환 구성 요소를 제거함으로써 다음과 같은 이점을 제공 할 수 있다.

• 최소 인크리멘털 이동
• 더 높은 효율로 인한 더 높은 가속 및 최대 속도
• 백래시 제로
• 더 높은 정밀도
• 구동 메커니즘에서 마찰이 없어 수명 연장
• "전원 끄기" 안정성 부족
• 부하 시 상당한 열을 발생시키고 온도 관리(예: 듀티 사이클 제한)가 필요하다.
• 더 높은 가격
• 추력이 비슷한 간접 구동 장치보다 클 수 있음

리니어 모터의 여러 종류

각기 하나의 다른 성능을 부각 시키기 위해 한 측면이 영향을 받으므로, 리니어 모터에는 다양한 유형이 있다. 상충 관계에 있는 네 가지 주요 속성은 플럭스 밀도, 플럭스 누출, 이동 질량 및 코깅 토크이다.

플럭스 밀도는 특정 공간 내에서 생성 될 수 있는 자기장의 크기이다. 높은 플럭스 밀도 장치는 우수한 힘을 제공하거나 보다 작은 크기로 유사한 힘을 허용한다.
플럭스 누출은 전기장이 모터 내에 얼마나 잘 포함되어 있는지를 나타낸다. 자기장이 시스템의 다른 구성 요소에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 낮은 플럭스 누출이 일반적으로 바람직하다. 플럭스 누출은 모터의 전기 효율이 낮음을 나타낸다.

이동 질량은 모터의 움직이는 구성 요소의 질량이다. 이동 질량이 높을수록 각각 동일한 힘 출력을 갖는 두 개의 모터에 대한 가속도가 낮아진다.

코깅 포스(디 텐트 포스라고도 함)는 철을 사용하는 리니어 모터에 존재하며 철이 영구 자석으로 끌어 당기는 힘이다. 모터에 전원이 공급되어 움직이면, 이동 범위에 걸쳐 주기적인 리플(force ripple) 이 발생한다.

이 네 가지 주요 속성 외에도 크기와 비용도 솔루션마다 다르다. 고정밀 포지셔닝 시스템에는 세 가지 구별되는 중요한 특성 즉, 플랫 vs. U 자형 트랙, 이동 코일 vs. 이동 자석 트랙 그리고 아이어 코어 vs. 아이언리스 구동이 있다. 전부는 아니지만 대부분의 리니어 모터는 자석 트랙(영구 자석으로 구성됨), 포서 및 고해상도 리니어 엔코더의 동일한 요소로 구성된다.

플랫 vs. U자 형

그림 3a에 표시된 것처럼 플랫 리니어 모터에는 단일 자석 트랙이 있다. 자석 트랙이 하나만 필요하기 때문에 프로파일이 낮고 비용이 절감된다.
플랫 리니어 모터는 일반적으로 플럭스 누출이 높고 힘 vs. 중량비가 낮다. 그림 3b에 도시된 바와 같이, U 자형 모터는 플렛 한 자석 트랙의 반대편에 추가적인 자석 트랙을 가지며, 두 트랙 사이에서 포서가 움직인다.

이동 코일 vs. 이동 자석 트랙

브러시리스 로터리 모터에서, 권선은 일반적으로 고정자이다. 이는 이동 로터의 일부로서 와이어가 감겨지기 때문이다. 리니어 모터에서는 이것이 고려되지 않는다. 이동이 제한적이고 선형이므로 포서 와이어가 감길 수 없다. 포서는 고정식 '고정자'일 수 있지만 포서가 움직이는 위치에 리니어 모터를 설정할 수도 있다. 일반적으로 이 두 종류의 시스템을 이동 코일 또는 이동 자석 트랙 모터라고 한다.

그림 4a에 도시된 바와 같이, 이동 코일 리니어 모터는 일반적으로 이동 질량을 낮게 유지하기 위해 장거리 이동 장치에 사용된다. 모든 리니어 모터 스테이지의 이동은 자석 트랙의 길이로 제한된다. 짧은 이동 스테이지의 경우, 자석 트랙도 짧아서 이동하는 자석 트랙 스테이지에 적합하다.

긴 이동 단계의 경우, 자석 트랙이 길고 매우 무거워지며 코일을 이동시키는 것이 더 합리적이다. 이동 코일 리니어 모터의 단점은 포서에 대한 케이블도 항상 움직이므로 케이블 관리가 필요하다는 것이다. 일반적으로, 이동 코일 리니어 모터는 더 큰 가속을 위해 이동 질량이 더 낮다.

이동 범위가 제한된 요건의 경우, 그림 4b와 같이 움직이는 마그넷 트랙 시스템이 더 높은 정밀도를 달성 할 수 있으므로 더 좋다. 이는 모터의 이동 부분이 전기적으로 열적으로 분리되어 있기 때문에 가능하다. 즉, 열적으로 더 안정적이고 전기 노이즈가 적다. 또한 전류가 흐를 때 가열되는 고정 포서는 시스템의 베이스에 장착되어 방열 판 역할을 하며 전체 시스템의 열 안정성이 향상된다.

아이언 코어 vs. 아이언리스

일반적인 아이언 코어 모터에는 철제 후면 판이 포서에 장착되어 있으며 코일은 그림 5a와 그림 5b에 표시된 것처럼 철 라미네이션 주위에 감겨 있다. 철을 포서에 첨가하면 플럭스 누출을 줄이고 플럭스 밀도와 힘 출력을 증가시킨다. 모터에 철을 추가하면 코깅력과 영구 자석의 인력으로 인한 베어링 하중이 발생한다. 철심 구성의 변형을 무 슬롯 철심이라고 하며, 포서의 코일이 철 라미네이트 주위에 감겨 있지 않다.

이는 코깅력을 완화시키는데 도움이 되지만 자속 밀도를 감소시킨다. 철심이 없는 모터는 아이언리스 리니어 모터라고 하며, 그림 5c와 그림 5d에 나와 있으며, 속도 안정성이 높은 힘보다 중요한 경우에 사용할 수 있다. 아이언리스 리니어 모터는 또한 전체 이동에 대해보다 일관된 힘 분포를 허용한다. 이동 코일 리니어 모터의 경우, 철심이 무거울 수 있으므로 아이언리스 포서는 낮은 이동 질량을 제공한다.

Zaber를 선택하는 이유

Zaber의 리니어 모터 장치는 애플리케이션에 필요한 높은 정확도, 정밀성, 속도 및 가속도를 다음과 같이 결합한다.

• 플럭스 누출을 줄이고 플럭스 밀도를 높이려면 U 자형 모터 설계를 한다.
• 가볍고 이동 중에 더 나은 정밀도와 속도 안정성을 제공하는 아이언리스 리니어 모터를 사용한다.
• 이동 코일 또는 이동 자석 트랙에서 사용이 가능하다.
• 컨트롤러, 드라이버 및 고해상도 인코더가 내장되어 있다.
• 무료 소프트웨어로 튜닝 매개 변수를 빠르고 쉽게 조정할 수 있으며, 사전 튜닝이 되어 제공한다.

Zaber Technologies의 미션은 모션 제어를 단순화하는 것이다. Zaber는 컨트롤러와 드라이버를 구축한 최초의 회사이다. 컨트롤러가 통합되어 있어 모터 유형과 호환되는 컨트롤러를 찾을 필요가 없다. 케이블 연결을 줄이고 장치를 사전 조정된 상태로 배송할 수 있다. Zaber의 리니어 모터 제품은 데이터를 데이지 체인 방식으로 연결하여 여러 장치에 전원을 공급하여 연결을 최소화하고 제어를 단순화 할 수 있다.

대부분의 리니어 모터 장치의 경우 컨트롤러가 연결되면 서보 제어 루프를 계속 조정해야 한다. 이는 피드백 루프에 대한 심층적인 이해가 필요한 복잡한 프로세스 일 수 있다. 컨트롤러에 대부분의 시스템 매개 변수가 사전 설정되어 있으므로 Zaber 장치를 사용하면 이 프로세스가 간단해진다.

Zaber는 또한 서보 제어에 대한 배경 지식 없이도 스테이지를 빠르고 쉽게 실행할 수 있도록 그림 6과 같이 친숙한 튜닝 인터페이스를 제공한다. 하중의 질량만 필요하다.

튜닝 서보 컨트롤러에 친숙하고 편안한 사용자를 위해 다양한 제어 옵션이 있는 고급 인터페이스를 사용할 수 있다. 또한 그림 7과 같이 오실로스코프 탭이 있어 서보 튜닝 탭에 정의된 서보 제어 설정을 시각화 할 수 있다.

결론

정밀 포지셔닝 장치 옵션은 스테퍼 및 리니어 모터 장치를 사용하여 대부분의 요구 사항을 충족시킬 수 있다.

자료 제공: ZABER(www.Zaber.com)