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상호결합제어기를 이용한 2축 서보메커니즘의 최적튜닝

Optimal Tuning of Biaxial Servomechanisms Using a Cross-coupled Controller

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.10 = no.253, 2006년, pp.1209 - 1218  

배호규 (한양대학교 대학원 기계설계학과) ,  정성종 (한양대학교 기계공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Precision servomechanisms are widely used in machine tool, semiconductor and flat panel display industries. It is important to improve contouring accuracy in high-precision servomechanisms. In order to improve the contouring accuracy, cross-coupled control systems have been proposed. However, it is ...

주제어

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문제 정의

  • 이를 위해 윤곽오차를 직접 줄이기 위한 방법으로 상호결합제 어 (cross-coupled control, CCC) 방식 이 고안되었다.(E)상호결합제어 시스템의 목적은 각 각의 축을 독립적으로 제어하여 추종오차(tracking error)를 줄이기 보다는 두 축을 교차 시키고, 다른 축의 거동을 고려하여 제어함으로써 직접적으로 윤곽오차를 줄이데 목적을 둔다. 따라서 상호결합 제어기가 일반적인 교차되지 않은 제어기 보다 더 좋은 윤곽정밀도를 보여준다.
  • 또한 서보계에 존재하는 비선형 특성 에 의해 규명작업에 사용되는 입력신호에 왜곡이 발생하기 때문에 시스템 규명작업의 정밀도를 저 하시킨다. 따라서 본 논문에서는 서보계의 기계부 에 존재하는 여러 비선형 요소들이 시스템 규명작 업에 미치는 영향을 최소화하기 위해 새롭게 고안 된 입력신호와, 특정한 주파수 영역(저주파 영 역)에 가중치를 부여할 수 있는 가중 최소자승법 을 사용하여 선형요소를 규명한다.('기 시스템 규명 은 1msec 의 샘플링 주기와 함께 x-y 테이블을 대 상으로 수행하였다.
  • 본 논문에서 고려한 최적튜닝의 목적은 설계된 서보계가 여러 성능조건과 제한조건들을 만족하면 서 빠른 응답성과 윤곽정밀도를 향상시키기 위함 이다. 따라서 식(1)에서 정의된 윤곽오차와 식 (15)에 정의한 정착시간의 최소화가 최적튜닝의 다목적 함수(multi-objective function)로 고려 된다.
  • 본 논문에서는 다축 제어시스템의 윤곽정밀도를 향상시키기 위해 상호결합제어 시스템을 구성하고, 통합설계(integrated design) 방법론'6에 근거한 최 적튜닝(optimal tuning)에 관한 연구를 수행한다. 제 어 대상 시 스템 인 기 계부 모델을 시 스템 규명법 을 이용하여 규명하고, 기계부를 포함한 전체 시 스템의 수학적 모델을 수립한다.
  • 본 논문에서는 서보계의 응답성과 윤곽정밀도를 향상시키기 위하여 상호결합제어기를 이용하여 시 스템을 구성하였고, 통합설계 방법론에 근거한 최 적튜닝 기법을 제안하였다. 또한 제안된 최적튜닝 기법을 실험적으로 검증하기 위해 x-y 테이블을 대상으로 성능평가 실험을 수행하였다.

가설 설정

  • 기존의 제어기 튜닝은 제어 경험을 바탕으로 제 어기의 게인값을 일차적으로 튜닝한 후, 설계자의 경험을 바탕으로 제어이득의 미세튜닝을 수행하는 것이 일반적인 방법으로 알려져 있다。) 이렇게 설 계된 서보시스템 및 제어기의 성능은 설계자의 경 험 및 지식에 절대적으로 의존하며, 제어이득의 미세튜닝 과정은 설계자의 경험에 따라 상당한 시 간이 요구된다. 그러므로 동일한 제품의 서보시스 템이라도 서로 다른 성능을 가질 수 있으며, 무엇 보다 서보시스템의 제작 및 제어기 튜닝과정의 자 동화가 불가능 하다.
  • 가정 1) 모든 곡선은 매우 작은 직선의 연속으로 변환될 수 있기 때문에 원형운동 대신 다각형운동을 수행한다.
  • 가정 2)고정된 임의의 e 에서 최적으로 튜닝된 파 라미터들은 0 의 전 범위에서 최적의 성능을 나타낸다.
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참고문헌 (17)

  1. Koren, Y., 1980, 'Cross-Coupled Biaxial Computer Control for Manufacturing Systems,' ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 102, No.4, pp. 265-272 

  2. Srinivasan, K. and Kulkarni, P. K., 1990, 'CrossCoupled Control of Biaxial Feed Drive Servomechanisms,' ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 112, No.4, pp. 225-232 

  3. Koren, Y. and Lo, C. C., 1991, 'Variable-Gain Cross-Coupling Controller for Contouring,' Annals of the CIRP, Vol. 40, No.1, pp. 371-374 

  4. Ziegler, J. G. and Nichols, N. B., 1942, 'Optimum Setting for Automatic Controllers,' ASME Transaction, Vol. 64, pp. 759-768 

  5. Tamg, Y. S., Chuang, H. Y. and Hsu, W. T., 1997, 'An Optimisation Approach to the Contour Error Control of CNC Machine Tools Using Genetic Algorithms,' International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 13, pp. 359-366 

  6. Kim, M. S. and Chung, S. C., 2005, 'A Systematic Approach to Design High-Performance Feed Drive Systems,' International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 45, pp. 1421-1435 

  7. Kim, M. S., and Chung, S. C., 2003, 'Integrated Design of High-speed Feed Drive Systems,' Trans. of KSME(A), Vol. 27, No. 12, pp. 2028-2038 (in Korean) 

  8. Kim, M. S., and Chung, S. C., 2004, 'Integrated Design of Feed Drive Systems using Discrete 2-D.O.F. Controllers (I),' Trans. of KSME(A), Vol. 28, No.7, pp. 1029-1037 (in Korean) 

  9. Kim, M. S., and Chung, S. C., 2004, 'Integrated Design of Feed Drive Systems using Discrete 2-D.O.F. Controllers (II),' Trans. of KSME(A), Vol. 28, No.7, pp. 1038-1046 (in Korean) 

  10. Kim, M. S., and Chung, S. C., 2005, 'Integrated Design of servomechanisms using a Disturbance Observer,' Trans. of KSME(A), Vol. 29, No.4, pp. 591-599 (in Korean) 

  11. Kim, M. S. and Chung, S. C., 2003, 'Identification of Nonlinear Characteristics for Precision Servomechanism,' Proceedings of the ASPE 2003 AnnuaIMeeting,pp.191-194 

  12. Ljung, L., 1999, System Identification-Theory for the User, Prentice Hall PTR, New Jersey, pp. 79-246 

  13. MATLAB System Identification Toolbox User Guide, 2000, Mathworks, Inc 

  14. Ackermann, J., Bartlett, A., Kaesbauer, D., Sienel, W. and Steinhauser, R., 1993, Robust Control: Systems with Uncertain Physical Parameters, Springer-Verlag, English, pp. 124-134 

  15. Arora, J. S., 1989, Introduction to Optimum Design, McGraw-Hill, Inc., Singapore 

  16. MATLAB Optimization Toolbox User Guide, 2000, Mathworks, Inc 

  17. MATLAB Simulink User Guide, 2000, Mathworks, Inc 

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