2017 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2017S122 초정밀자기부상이송장치의정밀제어를위한공극센서설치오차추종연구 Estimation Study of Gap Sensor set up in the High Accuracy Magnetic Levitation Transport System for Precise Control 김민 *, 김창현 **, 하창완 **, 임재원 **, 원문철 * Min Kim *, Chang-Hyun Kim **, Chang-Wan Ha **, Jaewon Lim **, Moon-cheul Won * Abstract The High accuracy magnetic levitation transport system utilizes the process industries such as OLED display. The top of this system attached magnets and gap sensors. The gap sensor measures between the carrier and the rails in real time. It is essential to use this to safely levitation the carrier. However, the installation error of the sensor reduces the control performance. So, we use a proportion algorithm for improvement of levitation stability in High accuracy magnetic levitation transport system. This algorithm estimates the installation error to get the precise data from gap sensors. Moreover, we compare the levitation results before and after applying the algorithm. Keywords : Magnetic levitation transport systesm, Maglev, OLED evaporation process, Gap sensor 초록고청정환경에서의저진동, 저소음의특징으로동작하는초정밀자기부상이송장치는디스플레이공정산업등에활용한다. 레일상단에는부상전자석과공극센서가부착되어있으며, 실시간으로측정된공극데이터를사용하여캐리어와레일간의간격을일정하게유지하는것이핵심이다. 그러나공극센서는설치과정에서미세한오차가발생하여부상력의정밀제어성능저감에원인이된다. 따라서본논문에서는공극센서의정밀한데이터를위해설치오차를추종하고, 추종결과를적용하여센서오차가부상제어성능에미치는영향을확인한다. 주요어 : 자기부상이송장치, 자기부상, OLED 증착공정, 공극센서 1. 서론자기부상기술은마찰없이물체를부상및운송이가능하기때문에자기부상열차등다양한분야에응용되고있다 [1]. 초정밀자기부상물류이송장치는자기부상기술을사용하여저진동, 저소음의특징으로유기발광다이오드 (OLED; Organic Light Emitting Diode) 의증착공정에적용할수있다 [2]. 교신저자 : 한국기계연구원자기부상연구실 (chkim@kimm.re.kr) * 충남대학교공과대학메카트로닉스공학과 ** 한국기계연구원자기부상연구실
2. 본론 2.1 초정밀자기부상이송장치 2.1.1 구조본연구는 5세대유리기판 (1100mm x 1300mm) 을이송할수있는초정밀자기부상이송장치의개발을목표로하며, 구조는 Fig. 1, 2과같다. 캐리어의열팽창최소화를위해발열요소들은캐리어상단의레일면에부착되어있으며, 부상전자석과공극센서를사용하여캐리어를제어한다. 공극센서또한구조물상단에부착되어있으며 Fig. 1과같이캐리어와의거리를측정한다. (a) Actual tester (b) Schematic diagram of levitation control Fig. 1 High accuracy magnetic levitation transport system Levitation Magnet Carrier Gap Sensor Frame (a) Top view (b) Side view Fig. 2 Schematic diagram of the high accuracy magnetic levitation transport system
2.2 설치오차추종알고리즘 2.2.1 설치오차본시스템은 Fig. 2와같이불연속적으로배치된센서를사용하여캐리어를레일과일정한간격을유지하며공중에띄우는것이핵심이며, 부상정밀도는 ±20μm 로매우정밀해야한다 [2]. 하지만센서설치과정또는생산과정에서약간의오차가발생하는데, 이는부상정밀도를저감에영향을미친다. 또한실제산업에본시스템이적용된다면지금보다많은개수의공극센서가사용될것이므로공극데이터만사용하여센서를보정하는알고리즘은필수적이다. 실험환경에센서는좌우각 20개씩, 총 40개가설치되어있으며, 실제센서설치오차는약 ±50μm으로예측된다. Fig. 3(a) 는 MATLAB의랜덤함수를사용하여시뮬레이션에적용한노이즈이며, 이데이터를입력하여부상결과를확인한것이 Fig. 3(b) 이다. 추종된알고리즘의정확도는실제센서의설치오차를정확하게알지못하므로, 시뮬레이션및실험의부상결과의리플을확인하여결과를비교할것이다. 본논문에서는시뮬레이션데이터만사용하여알고리즘의추종결과를사용하고, 이를적용하여부상정밀도가어떻게변하는지확인한다. 2.2.2 비례알고리즘적용한알고리즘은비례원리를사용하여추종하였다. 캐리어는리니어하고센서간의설치간격은동일하기때문에처음 #1-7, 21-27의설치오차를확실하게알고있다면나머지공극의설치오차를예측할수있다. 하지만본실험에는롤과피치값이존재하고, 이로인해 #1-7, 21-27의설치오차를정확하게알수없게된다. 그러므로기울어진정도는무시하고비례알고리즘을적용하면 Fig. 4의 Calculation error처럼예측된다. Calculation error를 0을기준으로보정해주면실제시스템의설치오차와유사한결과가나오며, Fig. 4의 apply Detrend 가그결과이다. Fig. 5는실제설치오차와보정오차의차를나타난결과이며, #1-20번센서인왼쪽공극데이터의결과가더정확하게추정된것을확인할수있다. 비례알고리즘을사용하여추종한데이터 (Detrend error) 를실제시뮬레이션에적용한결과는 Fig. 6과같다. (a) Installation error (b) Levitation Fig. 3 Results of installation error and levitation
(a) Left part (#1-20) (b) Right part (#21-40) Fig. 4 Estimation results of installation error Fig. 5 Difference between estimation result and installation error (a) Before applying algorithm (b) After applying algorithm Fig. 6 Simulation results of levitation Fig. 6의결과를확인하면센서설치오차가많이줄어든것을확인할수있다. 하지만 Fig. 6(b) 의결과캐리어가롤영향으로오른쪽방향으로기울어진것을확인할수있다. 끝으로갈수록롤의영향이줄어드는것같지만, 피칭이발생하여리플이커진다. 추후연구에서는롤의영향을최소화할수있는연구가진행되어야하며, 롤영향을줄이면피칭도줄어들것으로예상된다.
3. 결론본연구에서는 OLED 디스플레이증착공정에적용할수있는초정밀자기부상이송장치의부상안정성향상을위한센서오차저감알고리즘을제안한다. 공극센서의설치및생산과정에서발생하는미세한오차는캐리어의정밀도저감에민감한영향을미치기때문에 MATLAB/Simulink를사용하여제안하는알고리즘으로피치영향저감을확인하였다. 추후연구로는롤영향최소화를위해좌우센서오차추종결과에서발생하는미세한오차를저감할계획이다. 참고문헌 [1] C.H. Kim, J.M. Lee, H.S. Han (2011) Development of a Maglev LCD Glass Conveyor, Transations of the KSME A, 47(4), pp. 581-587. [2] C.W. Ha, C.H. Kim, J.W. Lim (2016) Development of Levitation Control for High Accuracy Magnetic Levitation Transport System. Journal of Institute of Control, 22(7), pp. 1-5.