KR20000026391A - 클레인용 흔들림 방지 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 클레인에 의해 이송되는 물체의 흔들림이 없도록 제어하는 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 흔들림 방지 시스템은 각종 신호를 입력 받기 위한 디지탈 입력 모듈(21)과 아날로그 입력 모듈(22), 흔들림 방지 알고리즘 수행과 전동기 구동 알고리즘 수행 및 데이타 처리를 위한 CPU(23), 모든 프로그램과 데이타를 저장하기 위한 메모리(24), CPU에서 처리된 신호를 카트 이송용 전동기(3)의 제어에 적합한 신호로 변환하는 전력 변환 모듈(25), 그리고 각 부에 전력을 공급하는 전원 장치 모듈(26)로 구성되어 있다.

이렇게 구성함으로써, 적하물의 흔들림을 방지할 수 있어 클레인의 구조물의 과중한 압박을 피할 수 있기 때문에, 클레인의 수명을 연장시킬 수 있는 동시에 클레인 구조물의 최적 설계·설치로 인한 설치 비용을 최소화할 수 있다.

Description

클레인용 흔들림 방지 인버터

본 발명은 클레인에 의해 이송되는 물체의 흔들림이 없도록 제어하는 인버터를 제공하기 위한 것이다.

일반적으로 클레인은 도 1에서와 같이 천정의 레일 위에 전후 좌우로 이송할 수 있는 카트(Cart; C)를 중심으로 하여, 긴줄(Rope)과 줄을 감을 수 있는 호이스트(Hoist; H), 적하물을 들기 위한 클렘퍼(Clamper), 카트 이송용 전동기(M1) 및 호이스트 전동기(M2), 그리고 원격 조작 박스로 구성되어 있다. 이와 같은 클레인은 카트로부터 늘어진 긴 줄에 매달린 큰 하중의 적하물을 빠르게 이송시켜야 하므로 전후 좌우로 큰 흔들림이 발생한다. 이 흔들림은 클레인의 구조물에 과중한 압박의 원인이 되어, 클레인의 수명을 크게 단축시키고, 클레인을 필요 이상으로 거대하게 제작하여야 하므로 클레인 설치비가 과다하게 소요된다. 또한, 클레인 운전자는 고임금의 고도의 숙련자를 요구하면서도, 흔들림을 제어하는데 정신을 집중시켜야 하므로 적하물을 최적의 위치에 싣고 내리는데는 오히려 소홀하게 된다. 한편, 적하물의 흔들림은 여타 기계 기구물과 충돌을 빈번하게 가져와 재산성의 큰 손실을 가져오고 인사상의 사고도 빈번히 발생한다.

적하물의 흔들림을 최소화하기 위하여는 클레인의 이송 속도를 매우 느리게 진행시켜야 하므로 적하물의 이송 작업 시간이 매우 길어짐으로 인해 작업 라인 전체의 생산성이 크게 낮아지고, 설비 이용 효율이 낮아지므로, 결국 매우 큰 비용의 상승을 가져온다. 또한, 클레인의 운전자는 고도의 숙련자이어야 하므로 고임금 및 인력 확보의 어려움이 매우 크다.

종래의 클레인 관련 산업계에서는 이러한 흔들림을 완화시키기 위하여, 클레인의 이송 속도를 서서히 증가시키기 위하여 소프트 스타터를 사용하기도 하였다. 여기서, 소프트 스타터는 도 2에서 나타난 바와 같이 사이리스터를 이용한 전압 가변 회로를 기본으로 구성한다. 즉, 클레인을 이송시키고자 할 경우, 카트 이송용 전동기의 입력 전압을 낮은 전압으로부터 서서히 증가시켜, 전동기의 속도 역시 서서히 증가하게 하여, 클레인의 급출발로 인한 큰 흔들림을 완화시키게 한다. 또한, 이동중인 클레인을 정지시키고자 하는 경우는 전동기의 입력 전압을 전전압(full voltage)으로부터 서서히 감소시켜, 전동기의 속도 역시 서서히 감소하게 하여, 클레인의 급정지로 인한 큰 흔들림을 완화시키게 한다. 흔들림을 완화시키기 위한 소프트 스타터 이용 방법은 클레인의 흔들림을 완화시킬 수 있기는 하나 여전히 문제시될 정도의 흔들림을 피할 수 없을 뿐만 아니라, 이송용 전동기의 가변속 시간을 매우 길게 조정할 수밖에 없어, 적하물의 이송 작업 시간이 매우 길어짐으로 인해 작업 라인 전체의 생산성이 크게 낮아지고, 설비 이용 효율이 낮아지므로, 결국 매우 큰 비용의 상승을 가져온다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 흔들림 방지 기능을 가지는 클레인 제어용 흔들림 방지 인버터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 클레인의 일반적인 구성.

도 2는 종래 기술에 따른 흔들림 완화용 클레인 소프트 스타터의 구성도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 흔들림 방지 시스템의 구성도.

도 4는 클레인의 수학적 모델을 위한 개념도.

도 5는 본 발명에 따른 흔들림 방지 인버터의 제어 블럭도.

도 6은 종래기술에 따른 컴퓨터 시뮬레이션 결과.

도 7은 본 발명에 따른 흔들림 방지 시스템을 적용한 경우의 컴퓨터 시뮬레이션 결과

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 원격조작콘솔

2 : 흔들림 방지 인버터

3 : 카트 이송용 전동기

4 : 센서류

21 : 디지털 입력 모듈

22 : 아날로그 입력 모듈

23 : CPU

24 : 메모리

25 : 전력변환모듈

231 : 흔들림방지 속도해 계산부

232 : 벡터 제어 알고리즘부

233 : 속도센서

234 : 클레인 동적 모델부

이러한 흔들림 방지 기능을 갖는 클레인용 흔들림 방지 시스템은 도 3과 같이 4개의 부문으로 구성할 수 있다. 첫째는 클레인의 운전 및 명령을 위한 원격 조작 콘솔(1)이고, 둘째는 흔들림 방지 알고리즘을 구현하고 수행하는 동시에 전동기를 가변속 구동하는 흔들림 방지 인버터(2), 셋째는 흔들림 방지 인버터에 의하여 구동되는 카트 이송용 전동기(3), 마지막으로, 로프의 길이 센서 등의 각종 센서(4)로 구성된다.

본 발명의 흔들림 방지 인버터(2)는 세부적으로 각종 신호를 입력 받기 위한 디지탈 입력 모듈(21)과 아날로그 입력 모듈(22), 흔들림 방지 알고리즘 수행과 전동기 구동 알고리즘 수행 및 데이타 처리를 위한 CPU(23), 모든 프로그램과 데이타를 저장하기 위한 메모리(24), CPU에서 처리된 신호를 카트 이송용 전동기(3)의 제어에 적합한 신호로 변환하는 전력 변환 모듈(25), 그리고 각 부에 전력을 공급하는 전원 장치 모듈(26)로 구성된다. 또한 필요에 따라 호스트장치와의 통신을 위해 통신모듈(27)이 제공된다.

본 발명의 흔들림 방지 인버터(2)는 핵심적이며 매우 중요한 여러 프로그램 및 기능이 상호 긴밀히 링크되어 운전된다. 흔들림 방지 인버터(2)가 갖는 주요 기능은 클레인의 다이나믹 모델을 가지며, 다이나믹 모델을 기본으로 하여 클레인의 흔들림 방지 알고리즘에 따른 연산을 수행하며, 결과적으로 속도 지령을 산출하고, 속도 지령을 수행하기 위하여 교류 전동기의 벡터 제어 알고리즘에 따른 전력 변환 모듈 구동 신호를 연산하게 하여, 전력 변환 모듈(25)에 의해 카트 이송용 전동기(3)가 구동된다.

이제, 흔들림 방지 알고리즘을 설명하고자 한다. 흔들림 방지 알고리즘은 기본적으로 카트(Cart)의 속도와 적하물의 상대적인 이동 속도를 적절히 제어하여 적하물의 흔들림(적하물의 진동)을 제거하는 것이다. 도 4를 참고하면 적화물의 기본적인 운동 방정식은 수학식 1에서 4와 같이 표시된다.

f_x= m_Lg sinθ

여기서, T_p 는 클레인 로프의 길이에 따른 단진자 운동 주기, l 은 클레인의 카트와 적하물과의 로프 길이, g 는 중력 가속도, f_x 는 적하물 중량에 의한 클레인 이동 방향 성분의 힘, m_L 은 적하물의 질량, V_x 는 적하물 이동 속도, V_c 는 카트의 이동 속도, θ는 적하물이 흔들린 각도이다.

수학식 1에서 4로부터, 적하물이 흔들리지(진동하지) 않기 위한 해는 하기의 수학식 5에서 10을 만족시키는 카트의 속도를 구함으로써 얻어진다.

T_m≤T_max.인 경우 T_m= K(V_c ^*-V_c)

T_m≥T_max.인 경우 T_m= T_max.

여기서, K 는 인버터에 의해 제어되는 이송용 전동기의 토크 상수이고, V_c ^* 는 적하물의 흔들림을 방지하기 위한 카트의 속도 명령이며, T_m , T_max. , B_m , ω_m , Jm , m_c 은 각각의 순서대로 카트 이송용 전동기(3)의 출력 토크 및 최대 출력 토크, 마찰 계수, 각속도, 회전 관성, 카트의 질량이며, Vc, Tc, Bc, m_L,N_C, R_C는 카트의 실제 이송속도, 이송용 전동기의 출력 토크, 카트의 마찰 계수, 적하물의 질량, 이송용 전동기의 회전 속도, 카트의 이송 동력 전달 바퀴의 반경이다.

카트의 속도는 흔들림 방지를 위한 카트의 이송 속도해를 명령으로 하여 얻어지며, 이송 속도 명령과 실제의 속도와는 시스템 파라메터와 연관되어 시간 지연을 갖게 된다. 따라서, 카트의 다이나믹 모델을 기본으로 하여 수학식 1로부터 수학식 10의 통합 해(Solution)을 구하여 카트의 이송 속도를 제어함으로써 완전한 클레인에서의 흔들림 방지를 구현할 수 있다.

도 5는 발명의 실시예에 따른 흔들림 방지 인버터(2)의 제어 블럭도이다. 본 발명에 따른 흔들림 방지 인버터(2)는 원격조작콘솔(1)로부터 운전 지령을 입력 받아, 흔드림 방지 속도해 계산부(231)에서 상기 수학식 2에서 5에 의해 클레인을 흔들림없이 이송시킬 수 있는 속도 지령을 실시간으로 계산하며, 이 속도 지령은 다시 모터속도 제어분야에서 널리 알려진 벡터 제어 알고리즘(Vector Control Algorithm)을 수행하는 벡터 제어 알고리즘부에서, 통상의 인버터와 같은 전력변환모듈(25)에 신호를 공급하기 위한 신호형태로 변환된다. 이 전력변환모듈(25)에서는 카트 이송용 전동기(3)을 제어하고, 이에 따라 전동기의 속도가 제어되어 클레인 이송 카트가 흔들림없이 제어 이송된다. 또한, 전력변환모듈(25)에서의 출력은 타코메터와 같은 속도감지센서(233)에 의해 속도가 감지되어, 흔들림 방지 속도해 계산부(231)의 출력으로부터의 속도지령과 함께 수학식 9와 10에 따른 클레인 동적모델부(234)에 의해 실제 클레인의 속도가 계산되어 이 계산된 값이 다시 흔들림 방지 속도해 계산부(231)로 피드백되어 새로운 속도지령을 계산하게 된다.

도 6은 종래기술에 의하여 흔들림 방지 알고리즘을 적용치 않은 경우의 시뮬레이션 결과이고, 도 7은 본 발명에 따른 흔들림 방지 알고리즘을 적용하는 경우의 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 결과로부터 본 발명을 이용할 경우 흔들림 방지 효과가 매우 큼을 알 수 있다.

본 발명은 클레인의 흔들림 방지를 위하여, 별도의 제어기나 여타 기기의 도움없이 흔들림 방지 인버터 단독으로 전혀 문제시 되지 않을 정도로 적하물의 흔들림을 방지할 수 있도록 클레인을 제어할 수 있다. 따라서, 클레인 구조물의 과중한 압박을 피할 수 있기 때문에 클레인의 수명을 연장시킬 수 있는 동시에 클레인 구조물의 최적 설계·설치로 인한 설치 비용을 최소화할 수 있다. 또한, 적하물 이송 속도 증가에 의한 생산성을 향상시킬 수 있으므로 작업자와 설비, 시간과 비용의 최적화를 이룰 수 있으며, 클레인의 흔들림으로 인한 사고를 예방하여, 안전성을 크게 개선할 수 있다.

Claims (5)

1. 클레인의 흔들림을 방지하는 인버터에 있어서,

   클레인의 운전 및 명령을 지시하기 위한 조작 수단,

   상기 조작 수단으로부터의 명령에 따라 클레인의 다이나믹 모델 및 흔들림 방지 알고리즘을 이용하여 카트의 이송속도를 연산하기 위한 연산 수단, 및

   상기 연산 수단의 출력을 클레인의 카트를 이송시키는 전동기에 적합한 신호로 변환하는 변환수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 클레인의 흔들림 방지 인버터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 연산수단은 상기 흔들림 방지 알고리즘을 실행하는 흔들림 방지 속도해 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 클레인의 흔들림 방지 인버터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 연산수단은 클레인의 동적 모델을 실행하는 클레인 동적모델부를 포함하는 것을 특징으로 하는 클레인의 흔들림 방지 인버터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 연산수단은 카트를 이송시키는 전동기를 제어하는 벡터 제어 알고리즘을 실행하는 벡터 제어 알고리즘부를 포함하는 것을 특징으로 하는 클레인의 흔들림 방지 인버터.
5. 제4항에 있어서,

   카트를 이송시키는 전동기로부터의 실제 속도를 감지하는 속도 감지수단을 더 포함하고,

   상기 속도 감지수단으로부터의 실제 속도를 상기 클레인의 동적 모델에 입력하여 지시된 속도와 상기 실제 속도간의 차이를 보상하도록 상기 흔들림 방지 속도해 계산부에 필요한 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 클레인의 흔들림 방지 인버터.