KR101433712B1 - 리니어 모션 스테이지의 제어 장치 - Google Patents

리니어 모션 스테이지의 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리니어 모션 스테이지의 제어 장치에 관한 것으로, 리니어 모션 스테이지의 리니어 엔코더로부터 입력받은 신호에 대한 주파수 필터링을 수행하는 제1 필터; 입력된 리니어 모션 스테이지의 지령 위치와, 상기 제1 필터의 출력 신호에 음을 취한 값을 더하여 출력하는 덧셈기; 상기 덧셈기의 출력 신호를 기초로 상기 리니어 모션 스테이지의 제어 신호를 출력하는 제어부; 및 상기 제어부의 출력 신호에 대한 주파수 필터링을 수행하는 제2 필터를 포함하며, 상기 제1 필터 및 제2 필터의 입력단에 상기 리니어 모션 스테이지의 구동 위치별로 기 측정된 차단 주파수와 감쇠비를 저장하는 보정 테이블이 저장되고, 상기 보정 테이블을 이용하여, 상기 리니어 모션 스테이지의 구동 위치에 따라 상기 제1 필터 및 제2 필터의 차단 주파수 및 감쇠비가 변경된다.

Description

리니어 모션 스테이지의 제어 장치 {CONTROL APPARATUS OF LINEAR MOTION STAGE}
본 발명은 리니어 모션 스테이지의 제어 장치에 관한 것으로서, 리니어 모션 스테이지의 구동 위치에 따라 필터의 차단 주파수 및 감쇠비를 맵핑하여 적용함으로써, 리니어 모션 스테이지의 구동 위치에 따라 변화하는 고유 진동 주파수를 제거하기 위한 제어 장치에 관한 것이다.
리니어 모션 시스템을 제어하는데 있어 리니어 모션 스테이지에서 발생되는 고유 진동에 의해 스테이지는 이 주파수 영역에서 진동을 유발시키고, 이는 시스템을 불안정하게 만들거나, 원하지 않는 진동 응답을 유발시킨다.
따라서, 이러한 경우에는 일반적으로 주파수 응답 분석을 통해 진동의 형태 및 주파수와 진폭을 측정한 후, 이러한 고유 진동의 형태에 따라 고유 진동을 억제시키기 위한 적절한 필터를 설계하여 제어 시스템에 추가함으로써, 불안정한 시스템을 안정화시키고, 제어 응답 성능도 향상시키게 된다. 이 경우, 상기 필터는 리니어 모션 스테이지의 위치와 무관하게 차단 주파수를 하나의 대표값만으로 사용하는 것이 일반적이다.
그러나, 리니어 모션 스테이지의 고유 진동은 리니어 모션 스테이지의 형상 및 구조에 따라 리니어 모션 스테이지의 구동 위치별로 변화하게 된다. 구체적으로, 단축 스테이지의 경우 가공/조립/마찰 특성에 의해 슬라이드의 위치에 따라, 그리고 X-Y 스테이지의 경우 추가적으로 각 축의 위치에 따라 리니어 모션 스테이지 고유의 특성인 고유 진동수가 변하게 된다.
도 1은 리니어 모션 스테이지의 위치별로 변화하는 공진 주파수의 일 예를 도시하는 도면으로, (a)는 적층형 X-Y 스테이지에서 X 및 Y축 좌표가 (0mm, 0mm)인 곳에서의 Y축의 주파수 응답을 도시하는 것이고, (b)는 적층형 X-Y 스테이지에서 X 및 Y축 좌표가 (225mm, 300mm)인 곳에서의 Y축의 주파수 응답을 도시하는 것이다.
리니어 모션 스테이지의 조립 또는 가공 정도가 구동 위치에 따라 편차가 큰 경우, 또는 두 축 이상이 서로 연결되어 사용되는 리니어 모션 스테이지의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 스테이지의 구동 위치에 따라 고유 진동수 및 진폭이 변화하게 된다.
따라서, 필터의 차단 주파수를 하나의 대표값만으로 사용하는 종래의 시스템에서는, 리니어 모션 스테이지의 전체 구동 영역에 대하여 필터가 적절히 기능을 수행하지 못 하게 되고, 경우에 따라서는 불안정한 주파수가 증폭되어 리니어 모션 시스템을 불안정하게 만들게 되므로 필터를 적용하지 못 하는 경우가 발생한다.
도 2는 리니어 모션 스테이지의 위치별로 변화하는 공진 주파수에 의한 제어 응답의 일 예를 도시하는 도면으로, (a)는 적층형 X-Y 스테이지에서 X 및 Y축 좌표가 (0mm, 0mm)인 곳에서의 Y축의 제어 응답을 도시하는 것이고, (b)는 적층형 X-Y 스테이지에서 X 및 Y축 좌표가 (225mm, 300mm)인 곳에서의 Y축의 제어 응답을 도시하는 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 스테이지의 구동 위치에 따라 고유 진동수 및 진폭이 변화하는 경우, 고정된 주파수 및 진폭을 갖는 필터를 적용하게 되면, 필터는 스테이지의 전 구동 영역에 대하여 요구되는 필터 성능을 발휘하지 못 하게 되고, 도 2에 도시된 바와 같이 제어 응답에 진동 성분이 포함되게 된다.
당해 기술분야에서는 리니어 모션 스테이지의 구동 위치별로 고유 진동수가 변화하는 경우에도 변화하는 고유 진동 주파수를 감쇠시킬 수 있도록 필터의 차단 주파수 및 감쇠비를 함께 변경할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시형태는 리니어 모션 스테이지의 제어 장치를 제공한다. 상기 리니어 모션 스테이지의 제어 장치는, 리니어 모션 스테이지의 리니어 엔코더로부터 입력받은 신호에 대한 주파수 필터링을 수행하는 제1 필터; 입력된 리니어 모션 스테이지의 지령 위치와, 상기 제1 필터의 출력 신호에 음을 취한 값을 더하여 출력하는 덧셈기; 상기 덧셈기의 출력 신호를 기초로 상기 리니어 모션 스테이지의 제어 신호를 출력하는 제어부; 및 상기 제어부의 출력 신호에 대한 주파수 필터링을 수행하는 제2 필터를 포함하며, 상기 제1 필터 및 제2 필터의 입력단에 상기 리니어 모션 스테이지의 구동 위치별로 기 측정된 차단 주파수와 감쇠비를 저장하는 보정 테이블이 저장되고, 상기 보정 테이블을 이용하여, 상기 리니어 모션 스테이지의 구동 위치에 따라 상기 제1 필터 및 제2 필터의 차단 주파수 및 감쇠비가 변경된다.
상기 리니어 모션 스테이지가 기 측정된 위치들 사이에 위치하는 경우, 선형 보간법, 라그랑제 다항식 보간법, 네빌레의 반복 보간법, 뉴튼 다항식에 의한 보간법 및 스플라인 보간법 중 어느 하나의 보간법을 이용하여 이웃하는 두 위치의 차단 주파수 및 감쇠비를 보간하여 상기 제1 필터 및 제2 필터의 차단 주파수 및 감쇠비로 적용할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 리니어 모션 스테이지의 구동 위치에 따라 변화되는 고유 진동 주파수를 제거하기 위해 필터의 주파수 및 감쇠비 맵핑을 적용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 리니어 모션 스테이지의 구동 위치와 무관하게 안정되고 균일한 주파수 응답 특성을 확보할 수 있다.
둘째, 리니어 모션 스테이지의 구동 위치와 무관하게 균일한 제어 응답을 확보할 수 있다.
셋째, 리니어 모션 스테이지의 불안정한 주파수 성분을 제거하고 이를 통해 향상된 제어 응답을 확보할 수 있다.
넷째, 리니어 모션 스테이지의 기구부의 설계에 있어 보다 편리하고 간편성을 제공할 수 있다.
도 1은 리니어 모션 스테이지의 위치별로 변화하는 공진 주파수의 일 예를 도시하는 도면,
도 2는 리니어 모션 스테이지의 위치별로 변화하는 공진 주파수에 의한 제어 응답의 일 예를 도시하는 도면,
도 3은 일반적인 리니어 모션 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 리니어 모션 스테이지의 제어 장치의 구성도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 리니어 모션 스테이지의 위치별로 적용하는 필터 주파수 맵핑의 개념을 도시하는 도면, 그리고
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정 지점 이외의 구간에 대한 차단 주파수 정의 예를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 리니어 모션 스테이지의 제어 장치를 설명하기에 앞서, 일반적인 리니어 모션 스테이지에 대해서 구체적으로 살펴본다.
리니어 모션 스테이지라 함은 직선 이송(구동)을 이용하여 임의의 물체를 이송하는 장치를 의미하는 것으로, 반도체(웨이퍼), 평판 디스플레이(예를 들어, LCD, OLED 등), 공작 기계 등과 같은 다양한 산업 분야에서 대상 물체를 이송시키기 위해 활용된다.
이와 같은 리니어 모션 스테이지의 유형으로는, 단방향 모션을 위한 단축 스테이지, 적층형(Stacked XY stage), 분리형(Split XY stage), 겐트리 구조형(Gantry stage) 등의 X-Y 스테이지, 그리고, 상기 단축 스테이지 또는 X-Y 스테이지에 회전축 또는 수직 방향(Z) 구동을 위한 스테이지가 추가로 결합된 형태 등이 있다.
도 3은 일반적인 리니어 모션 시스템의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 리니어 모션 시스템은, 크게 리니어 모션 스테이지(10), 앰프(20) 및 모션 제어장치(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
리니어 모션 스테이지(10)는 리니어 모터(11), 리니어 엔코더(12), 리니어 모션 가이드(13), 슬라이드(14) 및 베이스(15)를 포함하여 구성될 수 있다.
리니어 모터(11)는 직선 이송을 위해 직선 방향으로 추력이 발생되는 모터(또는 액츄에이터)이다.
리니어 엔코더(12)는 리니어 모터(11)의 일측에 구비되어, 리니어 모터(11)에 의해 이동하는 슬라이드(14)의 위치, 즉, 직선 방향 거리를 검출하는 센서이다.
리니어 모션 가이드(13)는 리니어 모터(11)의 양 측에 구비되어, 리니어 모터(11)에 의해 이동하는 슬라이드(14)가 직선 방향으로 구동될 수 있도록 안내하기 위한 것이다.
슬라이드(14)는 리니어 모터(11)의 상부에 탑재되어, 리니어 모터(11)에 의해 발생되는 힘을 받아 리니어 모션 가이드(13)의 안내면을 따라 이동하는 기구부이다.
베이스(15)는 리니어 모션 스테이지(10)의 상술한 구성, 즉, 리니어 모터(11), 리니어 엔코더(12), 리니어 모션 가이드(13), 슬라이드(14)의 하부에서 위치하여 상술한 구성들을 지지하기 위한 것이다.
앰프(20)는 모션 제어장치(30)로부터 출력된 신호, 즉, 리니어 모션 스테이지(10)의 리니어 모터(11)를 구동하기 위한 구동 신호를 증폭하여 리니어 모터(11)로 전달한다.
모션 제어장치(30)는 리니어 모션 스테이지(10)의 리니어 엔코더(12)로부터 슬라이드(14)의 위치를 피드백 받고, 슬라이드(14)를 원하는 위치로 이동시키기 위한 제어 신호, 즉, 리니어 모터(11)를 구동하기 위한 구동 신호를 발생하여 출력한다.
상술한 바와 같이 구성된 리니어 모션 시스템에서, 모션 제어장치(30)는 리니어 모션 스테이지(10)를 제어함에 있어서 맵핑(mapping)이라는 개념을 이용할 수 있다.
여기서, 맵핑이라 함은, 리니어 모션 스테이지의 구동 위치별로 위치 정밀도 오차를 사전에 측정하고 측정된 정보를 보정 테이블로 저장해 두었다가, 리니어 모션 스테이지의 실제 구동시 스테이지의 구동 위치에 따라 저장된 보정 테이블을 이용하여 정확한 위치로 스테이지가 구동되도록 하는 것이다. 이를, 위치 정밀도 측면의 보정이라 할 수 있다.
보다 구체적으로, 스테이지의 구동 위치에 따라 일정 간격으로 스테이지의 위치 오차를 측정하여 오차 테이블을 작성한 후, 스테이지의 위치 제어시 상기 오차 테이블을 참고하여 해당 위치에서의 오차만큼 스테이지를 더 또는 덜 보내도록 한다. 스테이지가 위치 오차가 측정된 위치들의 사이 구간에 위치한 경우에는, 서로 이웃하는 두 위치의 오차 값을 선형 보간하여 위치를 계산한 후, 계산된 오차만큼 스테이지 구동 명령을 조절하게 된다.
본 발명에서는, 상술한 위치 정밀도 측면의 보정 개념을 도입하여, 필터 설계시에 리니어 모션 스테이지의 구동 위치별로 차단 주파수와 감쇠비를 사전에 측정하여 측정된 정보를 보정 테이블로 구성 및 저장해 두고, 리니어 모션 스테이지의 실제 구동시 스테이지의 위치에 따라 상기 보정 테이블을 이용하여 필터의 차단 주파수와 감쇠비를 변경시키는 방법을 제안한다. 다시 말해, 리니어 모션 스테이지의 제어 안정성 및 제어 응답 성능 측면에서의 보정을 제안한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 리니어 모션 스테이지의 제어 장치의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 리니어 모션 스테이지의 제어 장치(30)는 덧셈기(31), PID(Proportional-Integral-Derivative) 부(32), 제2 필터(33) 및 제1 필터(34)를 포함하여 구성될 수 있다.
우선, 제1 필터(34) 및 제2 필터(33)는 각각, 리니어 모션 스테이지(10)의 리니어 엔코더(12)로부터 입력되는 신호 및 PID 부(32)의 출력 신호에서 원하지 않는 특정 주파수를 필터링하기 위한 것으로, 소프트웨어로 구현될 수 있다.
또한, 제1 필터(34) 및 제2 필터(33)의 입력단에는 상술한 바와 같이 리니어 모션 스테이지의 구동 위치별로 차단 주파수와 감쇠비가 사전에 측정되어 저장된 보정 테이블이 위치하게 된다. 이에 따라, 상기 보정 테이블을 이용하여 리니어 모션 스테이지의 구동 위치에 따라 필터의 차단 주파수와 감쇠비를 변경시킬 수 있게 된다.
덧셈기(31)는 입력된 지령 위치와, 제1 필터(34)의 출력 신호에 음을 취한 값을 더하여 PID부(32)로 출력한다.
PID부(32)는 덧셈기(31)로부터 입력된 신호, 즉, 입력된 지령 위치와 스테이지 위치의 차이값을 비례(Proportional)-적분(Integral)-미분(Derivative) 하여 제어 신호를 출력한다. 이는 응용 분야에서 널리 활용되는 제어 기법인 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, PID부(32)는 PIV 제어, 피드-포워드(feed-forward) 제어 등 통상의 기술자에게 알려진 다른 제어 방식을 채용한 제어부로 대체될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 리니어 모션 스테이지의 위치별로 적용하는 필터 주파수 맵핑의 개념을 도시하는 도면이다.
리니어 모션 스테이지의 제어 장치에 구비된 제1 필터 및 제2 필터는 공통적으로 차단 주파수와 감쇠비 성분으로 구성되어 있다. 예를 들어, X-Y축으로 구성된 리니어 모션 스테이지의 경우, 필터의 차단 주파수와 감쇠비는 아래의 수학식 1과 같이 리니어 모션 스테이지 각 축의 위치에 따른 함수로 표현될 수 있다.
Figure 112013020167699-pat00001
여기서, F_frequency는 필터의 차단 주파수를 의미하고, F_damping은 필터의 감쇠비를 의미한다. 또한, Position_x 및 Position_y는 리니어 모션 스테이지 각 축의 구동 위치를 나타낸다.
상술한 수학식을 기초로, 리니어 모션 스테이지의 구동 위치별로 차단 주파수 및 진폭을 측정하고, 측정된 자료를 이용하여 도 5에 도시된 바와 같이 스테이지의 구동 위치별 차단 주파수 및 감쇠비를 보정 테이블로 구성할 수 있다.
도 5에 도시된 보정 테이블을 본 발명에 따른 리니어 모션 스테이지의 제어 장치에 구비된 메모리에 저장하고, 제1 필터 및 제2 필터의 입력단에서 참조될 수 있다.
이에 따라, 제1 필터 및 제2 필터는 리니어 모션 스테이지의 X 및 Y 좌표에 따라 차단 주파수 및 감쇠비가 결정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정 지점 이외의 구간에 대한 차단 주파수 정의 예를 도시하는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 필터의 차단 주파수가 100mm 간격마다 측정되어 정의되어 있을 경우, 리니어 모션 스테이지가 측정된 위치들 사이에 위치하면, 이웃하는 두 위치의 주파수를 선형 보간하여 필터의 차단 주파수로 적용할 수 있다.
예를 들어, 리니어 모션 스테이지가 50mm 위치에 위치하면, 필터의 차단 주파수는 160Hz로 적용될 수 있다.
리니어 모션 스테이지가 측정된 위치들 사이에 위치하는 경우, 상술한 선형 보간 이외에도, 라그랑제 다항식 보간법, 네빌레의 반복 보간법, 뉴튼 다항식에 의한 보간법, 스플라인 보간법 등과 같은 다양한 종래의 보간법이 적용될 수도 있다. 이는 공지 공용의 기술이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
10: 리니어 모션 스테이지
11: 리니어 모터
12: 리니어 엔코더
13: 리니어 모션 가이드
14: 슬라이드
15: 베이스
20: 앰프
30: 모션 제어 장치
31: 덧셈기
32: PID 부
33: 제2 필터
34: 제1 필터

Claims (2)

  1. 리니어 모션 스테이지의 리니어 엔코더로부터 입력받은 신호에 대한 주파수 필터링을 수행하는 제1 필터;
    입력된 리니어 모션 스테이지의 지령 위치와, 상기 제1 필터의 출력 신호에 음을 취한 값을 더하여 출력하는 덧셈기;
    상기 덧셈기의 출력 신호를 기초로 상기 리니어 모션 스테이지의 제어 신호를 출력하는 제어부; 및
    상기 제어부의 출력 신호에 대한 주파수 필터링을 수행하는 제2 필터를 포함하며,
    상기 제1 필터 및 제2 필터의 입력단에 상기 리니어 모션 스테이지의 구동 위치별로 기 측정된 차단 주파수와 감쇠비를 저장하는 보정 테이블이 저장되고,
    상기 보정 테이블을 이용하여, 상기 리니어 모션 스테이지의 구동 위치에 따라 상기 제1 필터 및 제2 필터의 차단 주파수 및 감쇠비가 변경되는 리니어 모션 스테이지의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리니어 모션 스테이지가 기 측정된 위치들 사이에 위치하는 경우,
    선형 보간법, 라그랑제 다항식 보간법, 네빌레의 반복 보간법, 뉴튼 다항식에 의한 보간법 및 스플라인 보간법 중 어느 하나의 보간법을 이용하여 이웃하는 두 위치의 차단 주파수 및 감쇠비를 보간하여 상기 제1 필터 및 제2 필터의 차단 주파수 및 감쇠비로 적용하는 리니어 모션 스테이지의 제어 장치.
KR1020130024619A 2013-03-07 2013-03-07 리니어 모션 스테이지의 제어 장치 KR101433712B1 (ko)

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