조합형 반발력 보상 모션 스테이지의 주파수 영역 모델기반 제어 설계

국문 초록 (Abstract)

모션 스테이지에 사용되는 고가감속 모션 프로파일은 시스템 베이스에 반발력을 전달하여 잔류진동을 유발한다. 반발력 보상 모션 스테이지는 반발력으로 인한 잔류진동을 보상해주지만, 움직이는 자석트랙으로 인해 정착시간 및 추종오차 성능을 저하시키는 문제점이 있다. 조합형 구조의 모션 스테이지는 여러 제조사 제품 적용이 가능하고, 저렴하고 준수한 성능을 가진다는 장점이 있지만, 시스템 특성을 고려한 제어 설계가 힘들기 때문에 정밀한 제어가 어렵다는 단점이 있다. 이 논문에서는 조합형 반발력 보상 모션 스테이지(RFC:Reaction forece compensation)의 주파수 영역 모델기반 조율형 제어 설계를 통하여 잔류진동으로 인한 영향을 최소화하고 정착시간 및 추종오차 성능을 개선시켰다. 사용자 서보 알고리즘(User-servo algorithm)를 개발하여 모션 제어 시스템을 가진하고, 실제 주파수 응답과 이론 주파수 응답을 비교하여 제어기와 리니어 모터 모델을 식별하였다. 식별된 시스템을 기반으로 모델기반의 외란 관측기(DOB)와 반복 학습 제어(ILC)를 적용하였고, 주파수 영역에서의 성능을 예측할 수 있는 주파수 응답 기반의 튜닝 그래픽 인터페이스(GUI)를 설계하여 최적의 제어이득을 도출하고 모션 스테이지에 적용하였다. 주파수 응답을 기반으로 설계된 튜닝 그래픽 인터페이스는 대역폭과 위상 그리고 이득 여유를 각각 99.11%, 96.31%, 99.79%의 정확도로 예측하였다. 설계된 제어기 성능을 비교하기 위하여 250mm의 스트로크, 250mm/s 속도, 2500mm/s2 가속도를 지니는 모션 프로파일을 실행하였다. 주파수 영역 모델기반 외란 관측기는 추종오차, 정착시간, 지터 성능을 각각 75.0%, 57.6%, 37.1% 향상시켰고, 모델기반 ILC를 함께 적용한 결과 추종오차, 정착시간, 제곱평균제곱근(RMS) 오차 성능이 각각 54.3%, 93.5%, 85.3% 향상되었다. 모델기반 조율형 제어를 적용한 조합형 모션 스테이지와 완전 조율형 모션 스테이지의 성능을 비교한 결과, 설계한 모션 스테이지의 추종오차와 정착시간 성능이 35.4%, 54.75% 더 높았고 지터 성능은 63.7% 낮았다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The high-acceleration motion profile used in motion stages generates residual vibrations by delivering reaction forces to the system base. While a reaction force compensation motion stage can compensate for residual vibrations caused by reaction forces, it has the drawback of compromising settling time and tracking error performance due to the moving magnet track. A modular structure motion stage offers advantages such as compatibility with products from various manufacturers, cost-effectiveness, and decent performance. However, it is challenging to design control considering system characteristics, making precise control difficult. In this paper, we minimized the impact of residual vibrations and improved settling time and tracking error performance through frequency domain model-based control design of a modular reaction force compensation motion stage. We developed a user-algorithm to excite the motion control system, and identified the system by comparing actual frequency responses with theoretical ones. Based on the identified system, we applied a model-based disturbance observer (DOB) and iterative learning control (ILC), and designed a frequency response-based tuning graphical interface(GUI) that can predict performance in the frequency domain to derive best control gain values which were then applied to the motion stage. To compare the performance of the designed controller, we executed a motion profile with a stroke of 250mm, speed of 250mm/s, and acceleration of 2500mm/s2. As a result, when using both the disturbance observer and iterative learning control designed based on the frequency domain model together, tracking error improved by 54.32%, settling time by 93.56%, and average error by 85.29%. The performance comparison between the modular motion stage with model-based integral control and the fully integral motion stage showed that the designed motion stage exhibited 35.4% higher tracking error and 54.7% longer settling time, while achieving 63.7% lower jitter performance

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 선행연구 2
• 1.2.1 움직이는 자석트랙의 잔류진동 저감 2
• 1.2.2 조합형 모션 스테이지의 모델기반 제어 4
• 1.3 연구목표 6
• 제 2 장 조합형 반발력 보상 선형 모터 모션스테이지 7
• 2.1 반발력 보상 모션 스테이지 7
• 2.1.1 반발력 보상 메커니즘과 수학 모델 7
• 2.1.2 반발력 보상 메커니즘의 전류 제어 8
• 2.2 조합형 모션 스테이지의 조율형 제어 11
• 2.2.1 조합형 스테이지와 조율형 스테이지 11
• 2.2.2 사용자 서보 알고리즘 기반 조율형 제어 12
• 제 3 장 주파수 영역 모델기반 제어 설계 16
• 3.1 주파수 응답 16
• 3.1.1 반발력 보상 선형 모터 모션 스테이지 구성 16
• 3.1.2 모션 스테이지의 주파수 응답 측정 18
• 3.1.3 주파수 응답을 통한 모델 식별 21
• 3.1.4 주파수 응답 기반 제어 설계 29
• 3.2 외란 관측기(DOB) 36
• 3.2.1 질량 모델 기반 외란 관측기 36
• 3.2.2 주파수 응답 기반 외란 관측기 38
• 3.2.3 실험 및 결과 41
• 3.3 반복 학습 제어(ILC) 46
• 3.3.1 주파수 응답 기반 반복 학습 제어 46
• 3.3.2 반복 학습 개선 52
• 3.3.3 실험 및 결과 53
• 제 4 장 결론 59
• 참고문헌 60
• 부 록 63
• 기호설명 64