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문제 정의
- 본 연구에서는 이동부가 볼베이링으로 지지되고, 보이스코일 모터로 구동되는 초소형 카메라 OIS의 제어기 설계를 위하여 H∞ 제어를 제안한다.
- 마이크로컨트롤러에서 동작하는 제어 알고리즘은 10 kHz로 샘플링 된 이산제어기를 이용하였다. 본 연구에서는 자이로센서로부터 추종신호를 생성하는 부분은 고려하지 않았으며, 제어 알고리즘의 개발을 목적으로 하였다.
제안 방법
- 주어진 OIS는 X축과 Y축이 대칭으로 설계되었으나, 2장에서 언급한 것과 같이 주파수 응답 시험 결과 Y축 특성이 X축과 정확히 일치하지 않았다. 그렇지만, 앞서 설계한 제어기의 안정성이 높으므로, 동일한 제어기를 X축과 Y축에 적용하였다.
- 5와 같이 구성하였다. 또한, A/D 변환이나 양자화(quantization)에서 발생할 수 있는 외란 d과 센서 측정시 개입할 수 있는 전기적 노이즈 n를 고려하였다.
- 홀센서 측정값은 노이즈 제거를 위하여 저주파 필터(low pass filter: LPF)를 통과하게 되고, 이 신호는 A/D 변환을 통하여 제어 신호에 사용되게 된다. 마이크로컨트롤러에서 동작하는 제어 알고리즘은 10 kHz로 샘플링 된 이산제어기를 이용하였다. 본 연구에서는 자이로센서로부터 추종신호를 생성하는 부분은 고려하지 않았으며, 제어 알고리즘의 개발을 목적으로 하였다.
- 모델 규명(model identification)은 두 주파수 응답으로부터 스테이지와 홀센서의 응답특성을 각각 독립적으로 구하였다. 홀센서의 주파수 응답은 복소영역에서 스테이지 주파수 응답을 나누어서 계산하였다.
- 모델 기반의 제어를 이용하기 위하여 실험을 통하여 주파수 응답을 구하였다. Fig.
- 본 연구에서는 스테이지부의 주파수 응답특성 실험으로부터 모델 확인을 통하여 스테이지와 홀센서의 전달함수를 구하였다. 제어 시스템 분석을 통하여, 추종 오차 및 노이즈 감소를 목적으로 일정 수준 이상의 안정성을 갖도록 가중치 함수를 설정하였다.
- 앞서 설계한 제어기를 포함한 폐루프 시스템에 대하여 실험을 수행하였다. 설계한 제어기가 마이크로컨트롤러에서 동작하도록 10 kHz 이산제어기(discrete controller)로 변환하였다. Fig.
- 스테이지 전달함수에 D/A 변환비를 고려하여 제어 플랜트G(s)로 구성하였고, 홀센서 전달함수에 A/D 변환, LPF를 고려하여 센서전달함수 H(s)로 구성하였다.
- 앞서 설계한 제어기를 포함한 폐루프 시스템에 대하여 실험을 수행하였다. 설계한 제어기가 마이크로컨트롤러에서 동작하도록 10 kHz 이산제어기(discrete controller)로 변환하였다.
- 양산에서 사용할 마이크로컨트롤러의 성능을 감안하여 제어기를 6차 이내로 제한하였고, H∞ 폐루프 성형을 통하여 제어기를 구하였다.
- 여기서, wP와 wT는 각각 그 역수가 S와 T의 형태를 제시하는 가중치 함수로 주파수별로 각각 추종 오차와 노이즈 영향을 최소화하고, 높은 안정성을 지니도록 설정하였다. wP는 추종제어 구간인 0～20 Hz 영역에서 작은 값을 갖고, 정상 상태 게인이 –120 dB이하, ∥S∥∞가 1.
- 이동 통신 단말기의 초소형 카메라에 사용되는 광학식 손떨림 보정 장치의 제어기 설계 방법으로 H∞ 최적화를 통한 폐루프 성형을 제안하였다.
- 전체 시스템은 Fig. 2에 나타난 바와 같으며, 본 연구에서는 H∞ 최적화를 통하여 제어기를 설계하였다.
- 본 연구에서는 스테이지부의 주파수 응답특성 실험으로부터 모델 확인을 통하여 스테이지와 홀센서의 전달함수를 구하였다. 제어 시스템 분석을 통하여, 추종 오차 및 노이즈 감소를 목적으로 일정 수준 이상의 안정성을 갖도록 가중치 함수를 설정하였다. 양산에서 사용할 마이크로컨트롤러의 성능을 감안하여 제어기를 6차 이내로 제한하였고, H∞ 폐루프 성형을 통하여 제어기를 구하였다.
- 모델 규명(model identification)은 두 주파수 응답으로부터 스테이지와 홀센서의 응답특성을 각각 독립적으로 구하였다. 홀센서의 주파수 응답은 복소영역에서 스테이지 주파수 응답을 나누어서 계산하였다. Fig.
대상 데이터
- 최적화를 통한 폐루프 성형을 제안하였다. 대상이 되는 OIS는 볼베어링으로 구속된 스테이지 부를 보이스코일과 자석을 이용하여 이동시키고, 홀센서를 통해 변위를 측정한다.
- 예하중이 크면 고유진동수가 증가하여 시스템 특성에서 유리해지지만, 마찰력이 커지므로 저주파에서 매끄러운 운동이 불가능해진다. 대상이 되는 시스템은 상대적으로 작은 마찰력을 갖도록 예하중을 작게 설계한 시스템이다.
- 5 mm로, OIS가 장착되지 않은 기존 모듈과 유사하다. 본 시스템은 보이스코일 모터와 홀센서가 부착되어 있는 고정부, 렌즈와 가동자석이 부착되어 있는 스테이지, 이 둘을 연결하는 볼베어링으로 구성된다. 본 시스템의 제어 알고리즘 개발을 위하여 별도로 제작된 제어 보드를 이용하였으며, A/D 변환기를 포함한 마이크로컨트롤러(microcontroller)와 전원부, D/A 변환기, 통신부 등이 포함되어있다.
- 본 시스템은 보이스코일 모터와 홀센서가 부착되어 있는 고정부, 렌즈와 가동자석이 부착되어 있는 스테이지, 이 둘을 연결하는 볼베어링으로 구성된다. 본 시스템의 제어 알고리즘 개발을 위하여 별도로 제작된 제어 보드를 이용하였으며, A/D 변환기를 포함한 마이크로컨트롤러(microcontroller)와 전원부, D/A 변환기, 통신부 등이 포함되어있다.
이론/모형
- 본 연구에서는 폐루프 전달함수 성형(closed-loop transfer function shaping)을 위하여 H∞ 복합 민감도 합성법(stacked sensitivity synthesis)[13]를 이용하였다.
성능/효과
- (2) 마찰력을 극복하도록 저주파에서 제어기 게인이 충분히 높아야한다. (3) 상용 양산 제품에 이용되어야하므로 충분한 안정성을 확보해야 한다. 첫 번째 요구 사항은 사용자의 손떨림은 10～20 Hz에 주로 분포하므로,[2,12] 손떨림보정 장치는 이 주파수의 입력에 대해서 추종오차가 작아야하기 때문이며, 두 번째 요구 사항은 스테이지가 볼베어링에 의하여 연결된 상태이고, 자기력이 예하중 역할을 하여 체결되어있으므로, 마찰력이 작용하기 때문이다.
- 양산에서 사용할 마이크로컨트롤러의 성능을 감안하여 제어기를 6차 이내로 제한하였고, H∞ 폐루프 성형을 통하여 제어기를 구하였다. OIS 시스템의 실험을 통해 설계된 제어기를 검증하였으며, 설계와 동일하게 안정적으로 작동함을 확인할 수 있었다.
- 이동통신 단말기의 고성능화 추세에 따라 요구되는 카메라의 성능도 증가하고 있는 데, 지난 수 년 동안 고화소의 이미지 센서 장착이 경쟁적으로 이루어졌다. 또한, 자동초점(autofocus)과 플래시(flashlight) 기능도 보편화 되었다. 최근에는 기존의 독립형 일반 카메라에서 이용되던 손떨림 보정 기능을 장착한 스마트폰도 등장하기 시작하였다.
- 11은 X축과 Y축에 위상차를 두고 정현파 입력을 주고 추종 실험을 수행한 결과이며, 이는 X축 모델을 기반으로 설계한 제어기가 Y축에 대해서도 문제없이 작동하는 지와, 두 축 간의 연계 효과(coupling)를 확인하기 위함이다. 실험 결과에 따르면, Y축에 대해서도 설계된 제어기가 X국과 동일한 성능을 보여주었으며, 위상차을 변경하면서 수행한 실험에서도 유사한 결과를 보였다. 따라서 두 축간의 연계효과는 크지 않은 것으로 판단된다.
- 4는 각각 공진점과 반공진점 주변에서 가중치를 부여하여 최소제곱회귀법(least square method)에 의해 얻어진 주파수 응답을 보여준다. 전달함수를 2차시스템으로 모델링하여 계산하였을 때, 실험결과와 잘 일치하였으며, 스테이지의 공진주파수는 31 Hz, 감쇄계수는 0.33 이며, 홀센서의 경우 반공진주파수가 154 Hz, 감쇄계수는 0.15이다. 동일한 방법으로 Y축 방향에 대하여 전달함수를 계산하면, 스테이지의 공진주파수는 30 Hz, 감쇄계수는 0.
후속연구
- 기구부의 향상과 더불어, 향후 제어기 보드의 전기회로를 개선하여 전기적 노이즈를 줄이고, 볼베어링의 마찰을 보상하는 알고리즘[14]을 포함시켜서 최대오차를 더 줄이도록 개선할 예정이다. 또한, 실제 가진 실험 장치를 구성하여 이미지의 보정 성능을 검증할 예정이다.
- 을 포함시켜서 최대오차를 더 줄이도록 개선할 예정이다. 또한, 실제 가진 실험 장치를 구성하여 이미지의 보정 성능을 검증할 예정이다.
- 본 시스템은 양산을 목표로 개발 중이므로, 제작 샘플마다 동일한 주파수 특성을 가지지 못한 상태이므로, 상대적으로 큰 안정성이 필요하다. 향후, 안정적으로 양산되면 동일한 방법을 이용하여서 성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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