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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 상기한 문제점을 해결하고자 MasterSlave 알고리듬[6] 을 기반으로 한 듀얼 스테이지에서, 마스터 스테이지로 여러 가지 장점이 많은 보이스 코일을 사용한 미동 스테이지를 사용하고, 이때 발생하는 시스템 진동을 줄여주기 위하여 특 별한 속도 피드백 루프를 개발하여 시스템의 전체 댐핑을 높여주는 MSCD(master-slave cross damped) 저진동 제어기를 개발하였다. 미동 스테이지에 보이스 코일 모터를 사용하면 빠른 응답특성과 방향에 따른 대칭성, 그리고 구동의 선형성 등에서 큰 장점이 있어서 본 듀얼 스테이지를 보다 다양한 응용분야에 사용할 수 있다.
- 이로 인해 속도 제어기의 게인(gain)값이 제한되고 작은 댐핑값으로 인해 제어 대역폭이 줄어들어 스테이지의 성능이 제한된다. 따라서 본 연구에서는 보이스코일 스테이지의 작은 댐핑값을 보완해 줄 댐핑 알고리듬을 개발하고 시스템을 안정적으로 구동하여, 정착시간과 오버슈트를 경감시켜 생산성을 향상 시킬 수 있는 Master-Slave 구조에서의 고댐핑 저진동(master-slave cross damped) 제어기를 제안하였다. Fig.
- 본 논문에서는 Master-Slave 구조에서의 초정밀 듀얼 스테이지에서 구조적인 한계 및 공진 현상으로 인한 제한된 댑핑 값을 높이기 위하여, 보이스코일 모터로 이루어진 마스터 스테이지와 조동인 슬레이브 스테이지 사이의 상대속도를 측정하여 별도의 속도루프 개선을 통한 MSCD 저진동 제어기를 개발하였다. 제안된 제어기 알고리듬은 기존의 알고리듬에서 절대 위치를 결정하는 미동 스테이지의 자체 움직임에 추가적인 댐핑 특성을 개선함으로써 전체 시스템에서 발생하는 불필요한 진동을 제거하여 공진현상의 개선 및 다이나믹 에러와 정착시간을 줄여주는 장점이 있다.
- 따라서 기존의 Master-Slave 구조의 연구에서는 비교적 댐핑이 크고 진동량이 작은 피에조 타입의 미동 스테이지를 많이 사용하였는데, 피에조 타입의 미동 스테이지는 장기간 사용 시 특성의 변화가 크고, 스트로크가 너무 짧고, 성능이 전후 비대칭인 경우가 많은 단점이 존재한다. 본 연구에서는 피에조 미동 스테이지 대신 여러가지 장점이 있는 보이스코일 미동 스테이지를 사용하여 전체적인 성능을 높이고, 낮은 시스템 댐핑을 가지고 있는 보이스코일 스테이지의 특성을 알고리듬으로 보완하고자 한다.
- 실험은 기존의 알고리듬과 본 연구에서 제안된 MSCD 저진동 제어 알고리듬의 오차를 측정하고 정착시간을 비교하는 목적으로 수행되었다. 실험 조건은 두 알고리듬 모두 7차 다항식 모션 프로 파일을 구동하면서 측정하는 것으로, 이동거리는 40 mm이며 듀얼 스테이지의 최대 가속도는 15 m/s2 이고 최대 속도는 0.
가설 설정
- 본 연구에서 사용한 듀얼 스테이지는 Fig. 1과 같이 미동과 조동, 두 개의 리니어 스테이지로 구성되어 있으며 두 스테이지는 피에조 타입과는 다르게 베어링으로 구동하기 때문에 스테이지가 분리되어 있어 스프링 계수가 매우 낮으므로 이를 0이라 가정하고 질량-댐퍼 시스템으로 설계하였다. 전술한 바와 같이 상단은 빠르고 넓은 제어 대역폭을 가지고 움직이는 보이스 코일을 이용한 미동 스테이지가 있어 최종적인 절대위치를 도달하기 위해 좁은 범위 내에서 매우 정밀하게 움직이며, 그 밑에는 제어 밴드폭이 상대적으로 낮지만 넓은 구동범위를 가지고 있는 조동 스테이지가 부착되어 미동 스테이지의 비교적 짧은 구동거리를 보완해주는 역할을 한다.
- 1절에서 설명한 MSCD제어기가 포함되지 않은 Master-Slave 듀얼 스테이지 기존 제어기와 본 연구에서 제안된 MSCD 저진동 알고리듬이 포함된 새로운 Master-Slave MSCD제어기의 성능을 비교하기 위해 MATLAB을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 스테이지의 플랜트는 질량-댐퍼 시스템으로 가정하였으며 각 변수나 게인 값은 Table 1에 정리하였다. Fig.
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