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창욱 엄
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1 전동식사출성형기용대용량 (22,30,37kw) 서보드라이브개발기술개발에관한연구 ( 최종보고서 ) 주관기관 ( 주 ) 메트로닉스 참여기업 ( 주 ) 메트로닉스 참여기업 LS 전선 ( 주 ) 위탁기관 영남대학교 산업자원부

2 제출문 산업자원부장관귀하 본보고서를 전동식사출성형기용대용량(22,30,37kW) 서보드라이브개발에관 한기술개발 ( 개발기간 : ~ ) 과제의최종보고서로제출합니다 주관기관 : 참여기업 : 참여기업 : ( 기관명 ) ( 주 ) 메트로닉스 ( 대표자 ) 김병균 ( 기관명 ) ( 주 ) 메트로닉스 ( 대표자 ) 김병균 ( 기업명 ) LS 전선 ( 주 ) ( 대표자 ) 구자열 위탁기관 : ( 기관명 ) 영남대학교 ( 대표자 ) 우동기 총괄책임자연구원 ː 이태리 ː 박준현 ː 이광수 ː 임휘령 ː 김영준 ː 정기수 ː 이종호 ː 박상호 ː 석줄기 ː 조경래 ː 황태식 ː 최찬희 지역산업진흥사업관리지침에따라보고서내용을관련기관에널리배포함에동 의합니다

3 관리번호 지역산업기술개발사업보고서초록 ( 지역산업공통기술개발 ) 과제명전동식사출성형기용대용량(22,30,37kW) 서보드라이브개발 키워드 1. 최종목표 사출기/ 성형기/ 서보/ 유압 개발목표및내용 고신뢰성/ 고성능을겸비한대용량 (37kW) 서보드라이브개발 2. 개발내용및결과 - 저잡음형의 SMPS 설계/ 제작/ 시험완료 - Power부구동용제어 PCB개발완료 - 37kW 서보드라이브설계/ 제작/ 시험/ 평가완료 (37kW 최종개발사양) 주파수응답 : 100Hz 이상 과부하내량 : 200% 0.5 초, 저잡음 : 방사량 47[db] 이하(CE 기준치) 보호회로 : 과전류, 과전압, 부족전압, 과속도, 인코더/ 모터오결선등등 3. 기대효과 ( 기술적및경제적효과 ) < 기술적측면> - 대용량서보시스템개발및국내대용량서보기술력확보 - 고전압/ 대전력변환기발기술확보및내노이즈강화형앰프개발 - 고성능디지털제어기술확보및고응답의정밀제어기술확보 < 경제적측면> - 고정밀산업기계부분의가격경쟁역확보및수입억제, 수입품대체효과및원가절 감으로인한수출경쟁력확보 4. 적용분야 - 전동식사출성형기, 공작기계, 이송장치에적용 - - 나노제어기술의모션콘트롤부의일익담당 지능형서보제어시스템의대용량급으로의기술확대 - 엘리베이터및운반기기등의동기기형대용량시스템에적용확대 - 2 -

4 목 차 제 1 장서론 제 1 절기술개발의중요성 ( 필요성 ) 제 2 절국내ㆍ외관련기술의현황 제 3 절기술개발시예상되는파급효과및활용방안 제 2 장기술개발내용및방법제 1 절전체구성및개발사양제 2 절설계방안 1. Power 부설계 2. 제어부설계 3. ASIC 설계 4. 저잡음형제품설계기준 5. Pulse Transformer 설계 6. 경쟁사설계방법검토제 3 절시험및평가 1. 출력용량 2. 정격전류및정격속도 3. 속도변동율시험 4. 속도직선성시험 5. 속도제어정밀도시험 6. 과부하내량 7. 저잡음설계확인 8. 주파수특성시험 제 3 장결과제 1 절결론 제 2 절향후진행사항. 부록 1. 제어보드회로도 2. ASIC 사양서 3. EMC 분석및개선방안제안 4. Y 사 Powerqn 회로도 5. EMC Test 자료 6. 기구도 - 3 -

5 제 1 장서론 제 1 절개발기술의중요성 ( 필요성 ) 우리나라서보시스템시장은크게산업기계분야, 공작기계분야, 로봇등에적용되 고있으며, 1990 년부터국내의대기업(LG, 삼성, 대우, 효성) 에서개발을시작하였 으나, 다양한이유에의해사업철수및매각을한이후로, 현재는서보시스템을개 발하여판매하는국내업체는록웰삼성, 메트로닉스, 오티스엘지등이며, 서보앰프 만을생산하는업체로는로보스타, 다사텍, 텔다전자등이있으며, 서보모터만을 생산하는업체로코모텍만이유일한실정이다. 이러한업체들대부분의인력구성원들은대부분초기대기업에서분산된기술인력 들이주류를차지하고있으며, 구성된역사도짧은관계로외국의선진업체와국내 시장에서의경쟁력우위확보에상당히많은어려움이있다. 또한현재국내에서개발된서보시스템용량도최고 15kw급이전부이며대부분이 7.5KW 이하로소형에치중해있는실정이나, 선진업체인일본의경우는 55KW급까 지개발되어있으며, 이제는단순한디지털서보뿐만이아니라, 지능형서보개발 로의기술격차는국내수준보다한수위임에는부인할수없는사실이다. 기계산업분야에서의정밀성, 친환경성, 에너지절감등환경변화에따라서보시스 템의적용이증가하고있고, 특히복잡한시스템의경우는주변기로의노이즈방사 및전도로인해생길수있는시스템고장에최소화할필요가있으며, 이로인해고 신뢰성의서보시스템의요구가증대되고있는실정이다. 또한중대형서보시스템이요구되는전동식사출성형기및수치제어식공작기계의국산화개발은국산화된중대형서보시스템이전무한상태로말미암아핵심부분인서보시스템을제외하고이루어질수밖에없는실정이었다. 이러한중대형서보시스템은국산이없음으로인해전량수입에의존할수밖에없었으며, 가격또한고가로매입할수밖에없는실정인것이사실이다

6 이러한상태가지속되면국산산업기계의가격경쟁력확보가어렵고, 수반될수밖에없는것은자명한사실이다. 외화유출이 대용량서보드라이브및모터의개발뿐만이아니라내환경성, 고신뢰성및내노 이즈성에강한제품및디지털( 지능형) 화개발을통하여산업기계의경쟁력확보가 시급한실정이며, 이로인한수입억제와수출증대의효과를극대화시킬수있다. 제 2 절국내ㆍ외관련기술의현황 서보시스템은소형, 중대형, 대형으로나누어지며소형은장난감, 교육용기계, 다관 절로봇등에사용되며, 우리나라도이시장에참여하고있다. 이중에서대형시장 은사출성형기에, 중대형은수치제어형공작기계부분에서일본의화낙과야스까와, 독일의지멘스가거의장악하고있는실정이다. 국내에서의서보드라이브는대우, LG, 삼성, 현대등의대기업에서상품화노력을 하였던분야이지만 IMF 시기에구조조정되어사업이중소기업으로분사및외국 인기업으로매각이된상태이며이에따른신규기술개발실적은미미한실정이다. 메트로닉스는국내유일의인코더, 서보모터, 서보드라이브를종합생산하는메이 커로초소형(30W) 에서대용량(15KW) 까지개발하여양산중이며, 인코더자체개발 기술을기반으로특주형및반도체장비용전용서보모터를개발하여양산함으로써 국내에서도특수형서보의개발및응용이가능하도록하고있다. 그러나 15KW 보 다대용량의서보드라이브에대한기술개발노력은국내에서는아직까지전무한 실정으로전량일본에서고가로수입되고있는실정이다

7 제 3 절기술개발시예상되는파급효과및활용방안 1. 기술적측면가. 대용량서보시스템개발및국내대용량서보기술력확보나. 대전력변환기술확보및내노이즈강화형앰프개발다. 고성능디지털제어기술확보및고응답의정밀제어기술확보라. 고전압변환기술로의기반기슬확보 2. 경제산업적측면 가. 고정밀산업기계부분( 예 : 전동식사출성형기, 수치제어식공작기계및이송장 치등) 의가격경쟁력확보및수입억제, 수입품대체효과및원가절감으로인한 수출경쟁력확보 나. 고용량의서보시스템개발로인해연관로봇산업으로의개발력확보 3. 활용방안 가. 전동식사출성형기, 공작기계, 이송장치에적용 나. 나노제어기술의모션콘트롤부의일익담당 다. 지능형서보제어시스템의대용량급으로의기술확대 라. 엘리베이터및운반기기등의동기기형대용량시스템에적용확대 - 6 -

8 제 2 장기술개발내용및방법 제 1 절전체구성및개발사양 아래의은사출성형기전용대용량서보드라이브의제어구성블록도이다 서보드라이브제어블록도 상기제어블럭도에서 RAM,ROM,CPU,ASIC,A/D Converter는제어 PCB로구성되어 있으며, 각종보호회로, Gate Driver는 Power PCB 및 Gate PC8 로구성하였고, 나 머지부분은 Power 단기구물로구성하였다. 즉 PCB류는 3 종( 제어PCB + Power PCB + Gate PCB) 으로구성하였으며, Power 단기구물, 각종 Wire Ass'y로전체적인 Drive System 을구성하였다. 제어 PCB 에사용되는부품들의개략사양은아래와같다. CPU : TMS320VC33 ROM : SST39VF040A RAM : K6R4016V10 ASIC : 모터제어전용 Chip ( 자체개발품) A/D Converter ; AD7865, ADS

9 개발하고자하는 37KW 용서보드라이브의사양은아래표와같다. 항목내용 입력전원 3상 AC 200 ~230[V] +10[%]- [15%], 50/60[Hz] 전압방식 3상정현파 PWM 구동형 AC 서보모터 적용 모터 정격전류 최대전류 184 [A] 368 [A] 검출기형식표준 : Incremental 라인드라이브 2000 ~ 10,000 [P/R] 속도제어범위최대 1:5,000 속도 제어 모드 주파수응답최대 100[Hz] 이상 속도지령 DC -10[V] ~ +10[V] (- 전압시역회전), 디지털 7속 가감속시간직선또는 S 자가감속 (0 ~100,000[ms], 1[ms] 단위설정가능) 속도변동율 ±0.01[%] 이하( 부하변동 0~100[%] 시), 0.1[%] 이하( 온도 25±10 ) 위치 제어 모드 입력주파수 500[kpps] 입력펄스방식 A+B 상, 정역펄스, 방향+ 펄스[ 라인드라이브, 오픈콜렉터] 전자기어비디지털 4 개의기어비설정및선택, 미세조정가능 토크 제어 모드 토크지령 토크직선성 DC -10[V] ~ +10[V] (- 전압시역방향토크) 2[%] 이하 속도제한 DC 0[V] ~ +10[V], 디지털 3속 발전제동표준내장[ 서보알람시, 서보오프시동작] 내장 기능 회생제동 표시기능 모니터출력 저항옵션 Charge, Alarm Lamp DC 5[V] ~ +5[V], 2채널 보호기능과전류, 과부하, 과전압, 부족전압, 과속도, 오배선, 인코더이상등 온도 0 ~ 50 사용 환경 습도 90[%] 이하( 결로가없을것) 환경실내, 부식성, 인화성가스또는액체가없는곳, 도전성분진이없는곳 표 드라이브개발사양표 - 8 -

10 제 2 절설계방안 1. Power 부설계 Power 부의구성은아래과같다 Power 부구성도 각부품들의설계기준및선정방법에대해서는다음과같다. 가. 3상정류다이오드설계 1) 전압정격 3상정류 Diode의전압정격은 3상전원최대입력전압과 DC Link전압에의해결 정된다. 가) 정의 Diode 전압정격 : Vrrm Vrrmp 나) 산정식 Vrrmp = 주 ) 2 * Vin_max * Surge voltage immunity factor Surge Voltage Immunity Factor : 2.3 (IEC 146-2, page 25 ; 3 참조) Vrrmp = 2 * 230 * [V] - 9 -

11 결국 230[V] 가 AC입력최대전압이므로 748[V] 이상의전압정격소자를사용하 면되는데, 37KW 서보드라이브의경우는 800[V] 급으로선정하였다. 2) 전류정격 가) 정의 Diode 의전류정격 : Io Idc 나) 산정식 최저전압이입력되는상태에서 AC Servo 정격용량의 200[%] 실까지 DC Link단에 서전류를공급해야하며, 모터효율, 서보효율등을고려하여다음과같이설정한 다. Pmotor : Vdc_min : 여유계수 모터부하내량 최소입력전압 = 1.1 ( 여유계수) 전동기의출력을 DC link 단의전압과전류의식으로나타내면다음과같다. DC link단전류는과부하내량을 200[%] 로하여계산식으로나타내면다음과같다

12 주) Power Electronics, 2th edition-mohan(wiley) page105참조 위의식에서인버터출력전압과 DC전압을 nominal value로한이유는입력전압이 상승하면두전압이같은비율로상승하고입력전압이하강하면같은비율로하강 하므로비례적인값을찾는것이므로대표값으로표시했다. Diode는 120도마다도통되므로여유를고려하여계산치의 0.5배인 198[A] 이상으 로선정하면된다. 따라서 Diode는 800[V] 200[A] 사양인 DD200KB80(SANREX 사) 을선정하였다. 아래표는선정한 Diode Module 의개략사양이다. Symbol Item Rate Unit Vrrm Repetitive Peak Reverse Voltage 800 V Vrsm Non-Repetitive Peak Revrse Voltage 960 V If(av) Average Foward Current 200 A If(r.m.s) R.M.S Foward Current 350 A 표 DD200KB80 의개략정격

13 나. 주콘덴서 1 ) 전압정격 Capacitor의전압정격은 3상전원최대입력전압으로부터다음과같이구할수있다. 즉, 394[V] 보다높은전압정격을가진콘덴서를선정하면되는데, 37kW 서보시 스템에서는 400[WV] 형의콘덴서를사용하였다. (2) Capacitor 의용량과리플전류 정격운전시리플전류를고려하여만족하는최저용량으로설계한다. 정격운전시의리플전류를계산하기위해서는복잡한관계식이있으나, 계산할수있는시물레이션툴인 PSIM 을이용하여계산할수있다. 간단하게 리플전류시물레이션회로

14 윗은 PSIM 에서작성된회로도이다. 여기서입력단에 220이라는의미는 AC 입력전압이 220[V] 임을의미하며, 60은입 력전원주파수가 60[Hz] 임을나타낸다. R3의저항값을조정하여 Iload의전류값을 조정할수있으며, Iload 의의미는모터에흐르는전류를의미한다. Iload의값이모 터최대전류인 520[A] 의경우 Idc에흐르는전류가콘덴서에흐르는리플전류에 해당하게되는데, 시물레이션결과최대전류가 520[A] 시의리플전류는 39.3[A] 이 며, 이이상의값만만족하면된다. 결국실제시스템에는전해콘덴서 였으며, 총리플전류는 71.4[A] 이다. 400[V] 5600(uF) 3개를병렬로연결하여구성하 다. 전력소자 IPM 설계 AC Servo System에사용되는전력소자는 Gate - Emitter간에전압을걸어줌으로 써 ON 시키는전압형구동소자인 IPM(lntelligent Power Module) 을사용하였다. 보통 10kHz 의스위칭주파수를사용한다. 1) 전압정격 IPM의전압정격은 3상전원최대입력과 DC Link 전압변동률, IPM이 Turn-Off시발 생하는전압 Spike, 과전압 Alarm으로부터 Gate를차단하기까지걸리는회로지연 요소를감안하여다음식과같이선정한다

15 K =1.1 (DC LINK 전압변동률) d =1.1( 과전압회로지연요소) V spike = 100[V] Factor = 1.1 ( 여유계수) 따라서 3상 220[V] 입력시스템에서는 600[V] 이상의전압정격을사용해야한다. 나. 전류정격 AC Servo의과부하내량은정격전류의 200[%] 이므로 IPM의전류정격은 AC Servo 전류정격의 200% 이상이어야만하며, 시스템의 Overshoot를감안하여다음 식과같이선정할수있다. I rms = 2 Im 2 Overshoot I m = 모터정격전류( 실효치)[A] overshoot = 1.1( 제어에따라서1.2 도가능) 결국전류정격은 576[A] 이상인 600[A] 로선정하였다. 이상으로 Power부에사용되는주요부품들의선정이유에대해서살펴보았다. 이를다시정리하여부품표를살펴보면표2.1.1 과같다. No 종류품명제조사수량비고 1 Diode Module DD200KB80 SanRex 3 2 M/C GMC-100 LG 1 초충용 3 전해콘덴서 TFA 400WV 5600uF 삼영전자 3 4 전류센서 CAL-050 NANA 2 5 IPM PM600DSA060 미쯔비시 1 6 회생 IGBT CM300E3U-12H 미쯔비시 1 7 초충저항라라전자 1 8 M/C LG 1 D/B용 9 D/B 저항라라전자 3 표 Power 부부품표

16 2. 제어부설계 가. 전체구성도제어부는전체적으로다음과같은블록으로나눌수있다 제어부전체블록도 DSP 부, 통신부, A/D 입력부, 인코더신호입출력부, Digital I0 부, 제어전원생성부, PWM 시그널출력부등으로구성되어있다. 이중에서 DSP부는 DSP, ASIC, Flash ROM, RAM 등으로구성되어있다. 나, 세부설명각부분의세부상세설명은다음과같다. 1) DSP(Digital Signal Processor ) 부 사용 DSP는 32bit 부동소숫점연산이가능한칩을선정하였는데, Tl제 TMS320VC 을사용하였다. TMS320VC 의개략적인사양은다음과같다

17 2.2.4 TMS320C32 개략사양서 또한 DSP(TMS320C32) 의내부구성은다음과같다 DSP 내부구성도

18 DSP외부에는 12MHz 용의오실레이터가부착되어있으며, PLL회로가연결되어있E 다. 상세회로는부록 1 을참고한다. 2) A/D 입력부 사용 A/D Chip은 AMALOG DEVICES사의 AD7865 를사용하였고, 대략적인사양 은아래와같다 AD7865 개략사양

19 위 AD 칩의채널수가 4 개이며, 필요한 AD 채널수가최소 6개는되어야하므로부 족한채널보충을위하여 Burr-Brown제의 ADS7861 칩을 1개추가하여사용하였 다. ADS7861 의대략사양은다음과같다 ADS7861 개략사양 A/D입력은필요채널이 6개이상이어서서로다른 2종의 A/D Chip으로구성하였 다. 각 A/D 입력(Input 부위) 은 OP_Amp(TL072B) 를거쳐증폭되고, 외부의노이즈유 입으로인한신호찌그러짐을보상하기위하여 력(Output 부위) 되어 A/D 채널로바로입력된다. 1 차필터( 적분기형태) 를거쳐서출 AD 채널입력회로

20 각각 AD 채널의신호는아래표로정리하였다. No 신호명신호개략설명비고 1 IV V상전류 2 IW W상전류 3 DCO DC Link 전압 4 SPDCOM 아나로그속도지령입력 5 TRQCOM 아나로그토크지령입력 6 EXTOCM 여분의전압지령입력 표 AD 채널별입력신호 3) 인코더신호입출력부 서보란상위제어기의명령또는지형을신속, 정확하게수행하는장치이므로, 반드 시모터의상태정보를알수있는피드백신호가필요하다. 즉피드백정보로서의 대표적인방식으로인코더를사용하는데, 인코더로서얻을수있는정보는인코더의 정의에서더잘알수있다. 인코더란회전위치나속도의변화량을디지털신호로변환하여각종전자제어장치 에보내주는센서로써전자식기계에서핵심적인부품이다. 결국서보모터의회전위치나속도의변화량을알기위해서인코더를사용하게되 는데, 제어를수행하기위해서는깨끗한피드백정보가필요하며, 인코더의출력신 호에잡음이실리게되면가장기초적인베이스의신호가흔들리게되므로제어가 깨지는결과가초래하게된다. 그래서잡음에강인한차동방식의라인드라이브타 입의인코더를적용하게되고, 또한요즘의좀더신뢰성이강한 485통신형인코더 를적용하기도한다. 그리하여당사에서는기존의 15선타입의라인드라이브방식 의인코더와 17bit형의시리얼인코더를둘다수신할수있는회로를구성하였다

21 서보는모터내부에자석을사용하는동기기를사용하므로, 자극의위치를알기위 해서인코더를모터에취부시에자석의위치와동기시키는작업을수행하게되는 데, 이자석의위치에해당하는 U,V,W 상의신호가필요하게된다. 그리하여일반적 으로 A,B,Z,U,V,W 신호를수신하도록되어있다. 또한통신형인코더를사용하기위 해서는최소 2 개의배선이더필요하게되는데, 콘넥터의핀수제한으로인해, 라 인드라이브의 U 상배선과통신선로를공유하여사용하였다. 사용칩은 Tl제의 SN75175와 SN75176 을적용하였으며, 상위제어기로의인코더출 력을위해서는 MC3486 을적용하였다. 아래은인코더의송수신부분을나타낸다 인코더신호입출력부 4) Digital I/0부상위제어기와의인터페이스로서디지털접점입력과디지털접점출력을들수있으며, 통신을통한방식도가능하다. 현재는두가지방식을다적용할수있도록하드웨어를구성하였다

22 여기서는디지털 I0 부분만을살펴보기로한다. 디지털 I0는기본적으로상위제어 기와연결되는부분이며, 이는반드시앰프외부와결합하므로노이즈의유입경로 가되기쉬우며, 제어전원의 GROUND부와의전위가확실하지않으므로외부와의 절연을위해옵토커플러를사용하였다. 이상으로제어부의설계기준및이유를설명하였다. 는부록1 에있으므로참고하면된다. 이를기준으로작성된회로도 3. ASIC 설계 가. 개발전기능확인보드제작 ASIC을제작하기전에 ASIC의기능을확인하기위한데모보드를제작하여각기능 들이정상적으로동작하는지를확인하였다. 아래은제작된데모보드를나타낸다 ASIC 데모보드제작

23 나. 주요개발사양 서보드라이브시스템은크게제어회로와전력변환회로로구성되며, 제어회로에서 는모터제어에필요한모든디지털및아날로그신호를처리하는 ASIC과 ASIC에 저장된데이터를이용한모터알고리즘을연산하고, 데이터를연산하는 DPS로구 성된디지털회로와 AD 및 DA 컨버터등의아날로그회로로구성된다. 아래블록도는서보드라이브용 ASIC 내부의기능을블록화한것이며, 내부기능은 모터제어에필요한속도검출부, 전력신호생성부, 서보드라이브에필요한기본입. 출력신호처리부, RS232/485 통신처리부, DSP와 ASIC간의신호처리제어부등 으로구분된다 ASIC 블록도 기타 ASIC 사양서는부록2 로첨부하였다

24 다. ASIC 제작결과확인시험파형 1) 접점입력시험 접점입력필터 ( 0 ms) ch1 : 접점입력, ch2 : DA 출력 접점입력 ( 필터 1ms) ch1 : 접점입력, ch2 : DA출력 외부의접점입력신호가포토커플러를통하여 될수있기에필터를설정하여유효한 이를확인하는시험인데만족한수준을보인다. ASIC에입력시에잡음이섞여입력 Data 를읽을수있게되어있다. 2) 인터럽트발생시험 인터럽트동작 ch1: C pulse rising ch2 : Interrupt Routine에서의 flag 인터럽트동작 ch1 : Event Pulse pulse Fallin ch2 : Interrupt Flag

25 서보의상태를 DSP가감시하기위해서 ASIC 내부의상황을항상모니터해야만정 확한제어를적기에실시할수있는데, 모터제어를위한연산을대부분수행해야하 는입장에서는모니터를실시간하기는힘들기에, DSP가모니터하고싶어하는동 작을미리정해놓고 ASIC에서정해놓은일이수행되었을때발생하는신호가바로 인터럽트인데, 인터럽트발생시 DSP 에게알려주는지의여부를확인하는시험이다. 인코더 C 상라이징시의시험과, 외부펄스클리어입력신호시의인터럽트확인시 정상동작함을알수있다. 3) 인코더펄스입력 인코더펄스입력 (FiIter 0 ms) ch1 : Real U Signal ch2 : OPSR[8] U data 인코더펄스입력 (Filter 0 ms) ch1 : Real W Signal ch2 : OPSR[8) W data 인코더펄스입력 (FiIter 0.2ms) ch1 : Real U Signal ch2 : OPSR[8] U data 인코더펄스입력 (Fi 1 ter 0.2Hs) ch1 : Real W Signal ch2 : OPSR[8] W data

26 서보모터에서속도및위치정보를제어부에제공하기위하여, 인코더라는피드백 장치를사용하는데신호입력시 Delay 는얼마이며, 잡음에의한오동작여부는없 는지에대한종합적판단시험이다. 상기시험 Data는 U,W 상만을살펴보았다. 역 시정상동작함을알수있다. 4) 인코더입력펄스시간측정 FR Timer 측정시험 ch1 : FR timer Counter ch2 : FR timer Error Counter 단위시간당인코더펄스개수를측정하여모터의속도를측정할수있는데, 이때 측정기준이되는시간을측정하기위하여 Timer 를사용하는데, Timer가정확히동 작하여야정확한속도를측정할수있다. Timer Error 기준인 1(Pulse) 이내에드는 것을확인할수있다. 이상으로제작된 간략하게확인하여보았다. ASIC의성능에대해서제안서대로동작하는지의여부에대해서

27 4. 저잡음형제품설계기준 회로및기구를제작하여실험하다보면, 필연적으로노이즈라는원치않는신호와 접하게된다. 이를방지하기위해서는노이즈의유입경로를정확히알고, 차단하는 것이가장효과적인방식이지만, 노이즈의유입경로를정확히알기란매우어려운 실정이다. 이에현재양산중인제품을기준으로현상황을진단하여, 당사의수준을 파악하고, 미비한점을보완, 37KW 제품제작시기준으로삼기위해위탁기관인 영남대학교측에현수준평가를요청하였다. 당사생산모델인 APD-VS04N( 표준형 400[W]) 을기준으로평가를실시하였다. 그내용을몇가지중요한사항만정리하면다음과같다. 가. 연결컨넥터의핀구성 제어보드와파워보드와의연결콘넥터핀구성및배열이저잡음을위해재고되어야 한다. 이에그기준을마련한다. 각각신호별그라운드위치를재고려하여잡음의 방사량을감소시킬수있다 그라운드위치별 잡음감소비 그라운드위치별잡음출력 대역및잡음비 가급적이면그라운드를신호사이에분산시키고이를서로대칭적으로분포시킨다 면가장좋은결과를얻을수있음을알수있다

28 나. Bypass Con. 은현재클럭주파수에서는 105(1uF) 가가장좋음. CPU 및 ASIC의경우는최소 9개이상의 Bypass Con. 사용할것. ( 주의및권장사항) CPU/ASIC/ 기타디지털소자의 Bypass Con. Artwork시반드시 핀에서연결되는선이 Bypass Con. 을거친후메인보드그라운드로연결해야함, 방사노이즈및노이즈면역측면에서유리함. 다. 출하검사시모든포토커플러는출력전압을전수검사할것. 단순히접점기능테 스트만으로는부품불량을찾아낼수없음. 라. 0P-Amp JRC사의 MJM072 는전압폴로워일경우발산가능성있음( 데이터북 참조 ) MJM072B 로변경할것. 마. 중요신호는그라운드레이어를통해서연결 (Guiding) 1) RESET, H3, INT[0..N], ADDRESS, DATA... 2) 특히 Addr,Data 는그라운드/VCC 레이어를통해서로 90도로교차하여배선할 것. 바. FG배선에의한방사노이즈발생 1) 현재배선은매주좋지않은배선 루프안테나로동작 2) 배선은최대한굵게할것. 사. 노이즈억제 Cap. 선정및배치 1) 선간및 DC단양단 전용 X-Cap 사용 2) Line - F. G 전용 Y-Cap 사용 3) GND - F. G 전용 Y-Cap 사용 4) 상세케퍼시턴스는튜닝후선정( 용량에따라값이다름)

29 아. 2차측전해 Cap에 Bypass Con. 부착 1) 직류전원의고주파노이즈제거 2) 관통다리에최단거리로붙임. 자. SMPS 2차측 Diode 선정문제 1) 가능한 Soft Recovery Type으로선정 2) 실제측정해보면 30MHz 부근의전도노이즈발생 차. SMPS구동소자변경 MA3810 추천 1) Quasi-resonant type 으로방사및전도노이즈현재소자에비해서대폭저감. 2) 100KHz 스위칭시상승하강시간의조절가능 카. DC Link 패턴은아래위층에서동일한모양으로배선 1) 전해 Cap. 관통부까지도둘러싸야한다. 2) 현재는서로떨어져있어서다량의노이즈방출함. 타. SMPS Pulse TransFormer 검토 1) 가장많은노이즈를내보내는부품 2) 1차는 Sandwich Winding 권장 3) Shield 의경우, 맨바깥쪽에싸서이를보드의 Shield로내보내는것이가장좋 음 기타상세자료는부록3 에첨부되어있다. 이상의평가결과를기준으로삼고, 37KW의 PCB 및기구물을제작하였다. 특히 신경을써서제작하였던부분은 Power 부분이다. Power부분은전체가기구물과 Wire Ass'y 로만이루어지는관계로조립노하우가많이필요한곳이라할수있다. 그중요도에비해서아직메트로닉스의경우그부분에대해서는기술적인 NoHow 가많이축적되어있지않기에영남대학교와많은논의를거쳐서기구물과 Wire Ass'y 를제작하였다

30 5. Pulse TransFormer 설계 트랜스포머윗면 트랜스포머정면 Pulse Transformer는 SMPS 부분에서가장중요한부분이며, 이부분을잘설계하 여야저잡음형의제품을실현할수있기에더욱주요시되는제품이라하겠다. 적용코어는 EI2820 을사용하였으며, 아래다음순서에의해서설계하였다. 가. 전체전원및파워계산 표 필요전력계산 나. 1 차측최대평균전류 1) Pin=Vdc_min*iin_ave 2) Vdc_min=216[V], 평균입력전류=Pin/vdc_min=0.18[A]

31 다. 1 차측 Peak 전류 1) iin_ave=1/2*i_peak*dmax 2) Dmax=0.5(50% duty), I_peak = 0.74[A] 라. Lm 계산 1) Vdc_min=Lm*di /dt 2) Fsw = 40[kHz], Lm=36.6[mH] 마. 1 차측최소권선비 = 125 턴 1) 따라서, 1차측권선비는 135 턴정도가적당 바. 보조권선비 : 4 턴 사. 전체권선비 표 적용턴수확정 이때, 계산은 5V는 5.5V, 15V는15.5V 로계산하였음. 그이유는뒤단에서및필터 용인덕터등에의한다이오드에의한전압강하를고려했기때문임. 정확한턴수 는실제설계후시험을통하여튜닝해야함

32 아. Airgap 길이 : 0.482[mm] 자. 사용권선 wire 지름 표 출력전원별권선굵기 6. 경쟁사설계방법검토 현재까지설계한설계방향과기존의경쟁사인일본의 Y사의제품을분석하여비교 함으로서설계방안이어느정도타당한지를확인하기위하여, 샘플분석을실시하 였다. 가. 전체외형및구조 전체외형은 Box 형태의구조로되어있다 전면부 후면부 전면부는입력전원출력전원회생저항이연결될수있는콘넥터가있으며, 방열효과를증대시키기위한냉각팬이부착되어있다. 후면부는

33 최상측의 Case 를제거하여보면다음구조로되어있다 내부 PCB 전체구조 pcb는 4 종으로이루어져있으며, 각각의명칭은제어보드, 제어전원입력보드, SMPS 보드, Gate 보드라칭한다. 제어보드는제어에해당하는회로로구성되어있으며, 수행한다. 모든제어관련지형연산을 제어전원입력보드는제어전원인단상 AC220[V] 전원을입력받아 DC300[V] 로변 환시켜주는 Bridge Diode 가내장되어있다 제어전원입력보드

34 SMPS보드는 System 에서필요한제어전원을생성하는역할을한다. 사진에서알수있듯이 SMPS부위의 Pulse TransFormer는방사노이즈절감을위하 여플라스틱 Case 가외형을감싸고있는구조로되어있다 SMPS 보드 SMPS 부위 Gate보드는모터구동신호인 PWM신호를 IGBT의 Gate단에전달해주는역할을하 며, Gate에필요한 IGBT 구동용전원을생성하는역할을한다 GATE 보드 나회로분석 1) 스너버회로스너버란전력변환회로의동작시전력반도체소자에정격이상의스트레스가걸리게될때이를완화하기위한방법으로사용되며스트레스를이겨낼수있을만큼충분히큰정격의소자로교체해야하며, 변환기의기본회로에스너버회로를부가하여스트레스를안전한수준이내로줄여주어야한다

35 스너버회로를사용하여스위칭스트레스를감소시키는방법으로는 가) 소자가꺼질때의과도상태에서인가된는전압을제한 나) 소자가켜질때의과도상태에서소자에흐르는전류를제한 다) 소자가켜질때소자에흐르는전류의증가율(di/dt) 을제한 라) 소자가꺼질때혹은꺼진후소자에순방향저지전압이재인가될때소자양 단전압의증가율(dv/dt) 제한 마) 소자가켜지고꺼지는과정에서스위칭궤적을적절한형태로변형하는역할을 한다. 분석한 Y사의드라이브는 RCD 방식의스너버회로를사용였다 스너버회로 스너버소자구성 나. 전류입력채널 Motor 입력전류를확인하기위해홀시티로부터출력된전압을이용해 AD로입력 하게되는데대전류를변환해야하므로상대적으로소전류변환시보다잡음이유입 될가능성이높아서 2차필터를거쳐 AD 로입력시킨방식을사용하였다

36 전체전류입력회로 제어에가장기본이되는이부분을자세히분석하여보았다. 1) 전류센서에입력받은전압을반전시키는회로 전압반전회로 전류센서로부터입력받은전압을반전시킴. (Gain=1)

37 2) 1 차저역통과필터 반전된신호를 1차 LPF으로 Noise 를걸러냄. 이때반전된신호를 1차 LPF에통과 시키므로필터에의해서도반전되므로결국원래신호와크기및위상은같고( 필터 Gain=1) Noise 만걸러낸신호가출력됨. 이렇게출력된신호는 첫째, 3번에서와같이다시 1차 LPF를통과시켜스케일에맞추어 A/D부분으로들 어감. 둘째, Protection 회로및전류 offset 검사를수행하기위한입력신호로사용. 림 차로패스필터 3) 1 차저역통과필터 앞에서 1차 LPF로통과시킨신호를다시 1차 LPF(Gain은 1 아님) 에통과시켜 A/D의 Scale 에맞추어출력시키는부분

38 차로패스필터 결국신호의입력을 RORMtg1 정화하기위한일련의과정을거쳐서 AD단에입력 하였음을알수있다. 다. Gate Drive 부 전력소자인 IGBT의 Gate단전류증폭을위하여포토커플러 2차측에다시트랜지스 터로증폭하는회로를구성하였다 Gate Drive 회로

39 라. SMPS 부설계 SMPS 부는출력전류향상을위해, 2개의 Pulse TransFormer를이용하여구성하였 다. 상세세부회로는부록 4 에첨부하였다

40 제 3 절시험및평가 1. 출력용량 표 AC Servo Motor 특성표

41 2. 정격전류및정격속도 가. 정격전류 1) 정격부하(100%) 에서정격속도(1500rpm) 로회전할때의출력전류 (1 A/mV Corrent Probe) 2) 개발목표치는 184[A_rms] 이며실제측정값은 257[A_peak]= 180[A_rms] 나. 정격속도 1) 엔코더 A상출력으로확인할수있으나주파수차이로인해판독이불가능하므로 드라이브에내장되어있는 DA Converter 출력을측정하였다. 2) DA Converter는 -5V ~ +5V 가출력되며이값은 rpm ~ +2000rpm이 다. 측정값은 3.7V 이므로정격속도(1500 rpm) 조건을만족한다 전류속도특성곡선 ch1 : U 상전류, ch2 : 속도

42 3. 속도변동율시험 드라이브에정격전압을인가시모터속도를기준으로정격 10[%] 변동전압을인가 한조건에서의모터속도변화를측정한다. 이때정밀한모터속도측정을위하여 모터에취부된인코더의펄스주기를측정한다. 모터속도를 1500[r/min] 으로실험 한결과모터속도변동율의합격판정기준은 0.01[%] 이고, 실험결과 0 [%] 로 나타났다. 가. 정격전압의 -10[ 10[%] 일때 속도변동율시험

43 나. 정격전압일때 속도변동율시험 2 다. 정격전압의 +10[ 10[%] 일때 속도변동율시험

44 4. 속도직선성시험 드라이브에속도지령전압을 0.5[V] 단위로증가시키면서인가하여, 지령전압대비 실제회전속도를측정하여직선성이오차 다. 판정기준인 [%] ±1[%] 이내에모두만족하는수준이다. 범위이내인지를확인하는시험이 표 속도직선성시험

45 5. 속도제어정밀도시험 속도지령전압입력시모터가구동하는최저전압을측정하여모터정격회전수로 나눈값이며, 이수치가낮을수록정밀제어가가능하기에서보성능의기준으로삼 는다. 정확한속도를측정하기위해인코더펄스를측정하여시간을측정함으로서 모터최저회전속도를측정할수있는데, 이를바탕으로제어정밀도를판단한다. 합격 판단기준이 0.2[%] 인데측정한결과 0.06[%] 로만족하는수준을나타낸다. 가. 실험결과 1) 모터 1회전당엔코더 Pulse : ) 최저입력전압으로회전시 A상엔코더 1 Pulse 시간 : 7ms 3) 모터 1 회전시간 : = [sec] 4) 모터속도 : 0.9 [rpm] 5) 속도제어정밀도 : 0.06[%] 나. 실험파형 속도제어정밀도시험

46 6. 과부하내량 모터의정격부하이상의과부하가모터측에인가되었을때모터및드라이브측에 서허용되어야하는부하전류유지조건이다. 이조건이내에서는서보모터및드 라이브는알람발생없이정상적인동작을하여야하며, 이시간이후에는알람발생 하여정지하여야한다. 정격전류가 184[A] 이므로, 368[A] 동안 0.5초이상유지 하는조건을만족하여야하는데, 시험결과 1 초의결과를보였다. 과부하내량을시 험하기위해서는부하시험대에모터를부착하여, 시험하여야하는데, 다음과같이 시험장치를구성하였다. (1 A/mV CurrentProbe) 가. 실험파형 (368 [A_rms], 520[A_peak)] 과부하시험

47 2) 시험장치 7. 저잡음설계확인 저잡음설계의결과를위해서영남대학교의컨설팅결과를기준으로하여제품을제 작하였으며, 그결과방사량을 CE 기준치인 47[db] 이하임을확인하기위해외부 기관인구미 1대학내의 EMC Center 에시험의뢰하였다. 결과는 46[db] 로합격조 건에만족한다. 시험결과는부록5 에첨부되어있다

48 8. 주파수특성실험 서보모터를기준으로하여서보의속도제어성능을알아보기위한실험으로서속도지 령전압을정현파로인가하면서실제모터가지령전압의 -3db 즉 67[%] 까지추 종하는주파수를측정하는실험이다. 측정기준치인 100[Hz] 보다높은 150[Hz] 의수준을보인다. Ch1 은입력전압파형(150[Hz]) 을, Ch2 는추종전압파형을나타낸다 주파수응답시험

49 제 3 장결과 제 1 절결론 환경보전, 에너지절약대책및구동효율화, 성형품질의향상및멘테난스프리등 의축면에서사출선형기의전동화가급속히진전되는요즘, 중소형사출성형기에 서는전동화가급진전, 소형기전생산량의 80[%] 는이미전동화가되고있다. 금 후는대형기에서의전동화인데, 큰유저인자동차산업을중심으로환경및에너지 절약대책상의필요성에서전동기로의요망은점점높아지고있다. 중점과제는구동부에서사용하는 AC 서보모터( 동기형) 및앰프의대용량화에따르 는제약과, 볼나사등동력전달기구부의대형화, 그리고유압구종에비해전체적 으로코스트가높아지는점이다. 중대형기의전동화가더욱더진행되는것은당연 하지만, 서보모터도입시스템의도입코스트측면에서전동화기종이어느정도한 정되는것은피할수없다. 저코스트유압구조에서소코스트가되는전동화로이 행하기위해서는그기계자체의부가가치를묻게된다. 즉 End User의제조목적이 고액부품일경우, 기계의그레이드도높아전동화의주대상이된다. 사출기는현재유압식에서전동식으로변화하는추세이고, 전동식사출성형기는 토크및속도를정밀조정하여양질의사출품을만들수있으며, 유압방식의사출 기로는좀더세밀한작업이불가하므로향후사출기는전동식으로적용할수밖에 없으며, 전동식사출성형기가기존의유압식사출성형기를대체하기위해서는고 용량, 고정밀의서보가개발되어적용되어야만하므로, 반드시서보가필요하게된 다. 본과제를통하여제작한고용량서보드라이브는국내최초로개발되는국산화모 델이며, 이에따른사출기분야뿐만아니라, 프레스시장, 로봇시장등다양한시 장에적용하여국내산업전반에기여할수있는기반을마련하였다는점에서큰 의의를둘수있다

50 과제를통하여적용한성능을아래표에의해다시정리하였다. 표 과제최종목표표및도달수준 제 2 절향후진행사항 본과제를수행하면서미비했던점이발생하였다. CE 규정인 EN 기준에의한전도및방사노이즈내량이기준치에들었음에도불구하고, 실제사출기계에부착시주변기기에영향을미쳐사출압조정을하는데상당한영향을미쳤다. 이문제는사출압측정을위해로드실을사용하는데, 로드실입력전원과출력시그널간을트위스트실드케이블을사용함으로서해결할수있었는데, 지금껏경쟁사의경우는일반케이블을사용하여도사용상문제점이나특이점을발견하지못했다는사실로미루어볼때, 경쟁사의경우는상당히적은량의잡음이방출됨을유추해석해볼수있다. 이에과제완료이후에지속적인잡음감소를위해노력하여, 경쟁사와의동등한잡

51 음수준을만들어야한다. 또한나머지용량 22,30KW에해당하는개발모델도국산화를진행해야하는일이 수행해야만전동식사출성형기의시리즈화가진행될수있다

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53 이보고서는산업자원부에서시행한지역산업기술개발사업의기술개발보고서입서입니다

실험 5

실험 5 실험. OP Amp 의기초회로 Inverting Amplifier OP amp 를이용한아래와같은 inverting amplifier 회로를고려해본다. ( 그림 ) Inverting amplifier 위의회로에서 OP amp의 입력단자는 + 입력단자와동일한그라운드전압, 즉 0V를유지한다. 또한 OP amp 입력단자로흘러들어가는전류는 0 이므로, 저항에흐르는전류는다음과같다.