KR20240076609A - 피드포워드 제어를 이용한 능동 제진 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테이지의 초기 동작에 의한 진동을 미리 파악하여 즉각적으로 대응하는 제어력을 추가적으로 마운트에 입력함으로써 더 빠른 진동 제어가 가능한, 피드포워드 제어를 이용한 능동 제진 방법에 관한 것이다.

Description

피드포워드 제어를 이용한 능동 제진 방법{active isolation method using feedforward control}

본 발명은 스테이지의 초기 동작에 의한 진동을 미리 파악하여 즉각적으로 대응하는 제어력을 추가적으로 마운트에 입력함으로써 더 빠른 진동 제어가 가능한, 피드포워드 제어를 이용한 능동 제진 방법에 관한 것이다.

반도체, 디스플레이 생산라인과 기타 정밀측정 및 가공라인에서 자체 이송에 의한 미세한 진동은 시스템 성능 저하의 요인이다. 최근 정밀기계 산업이 고도화 및 정밀화되면서 작은 진동에도 품질에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 이와 같이 진동에 민감한 장비를 진동으로부터 보호하는 데에는 외부 기진력에 의한 구조물의 진동을 억제하는 특성을 가진 방진마운트(isolation mount)가 주로 적용된다. 하지만 공정 속도와 높은 품질을 요구함에 따라 현재 적용 중인 수동형(passive) 방진마운트는 한계가 있다.

수동형 방진마운트는 시스템의 진동을 줄여 주는 안정된 성능을 기대할 수 있으나, 시스템에 작용하는 동하중 및 시스템의 진동특성에 따라서 효과적으로 댐퍼의 특성이 조절될 수 없다. 또 모두 자체의 고유진동수를 가지고 있기 때문에 장비에서 발생하는 진동수와 마운트의 고유진동수가 일치한다면 진동이 증폭되는 현상(공진)이 나타날 수 있다. 따라서 공진 현상을 방지하고 가변 주파수 범위에서의 진동을 저감하는 데에는 진동 질량체와 전자기부 등으로 구성된 능동적(active) 진동제어기법을 적용하는 것이 효과적이다.

능동적 진동제어기법은 수동적 진동제어기법과 달리 센서(sensor)를 사용하여 구조물에서 발생하는 진동을 감지하고 이를 자동제어회로에 입력시켜 제어알고리즘에 의해 계산된 제어력을 작동기를 통해 진동을 상쇄시킬 수 있는 힘을 구조물에 제공하는 기술이다. 신호처리 프로그램이 적용되어 시스템 자체가 예측하기 힘든 진동성분에 대하여 지능적으로 대처하기 때문에 정확하고 정밀한 성능을 발휘하는 것이 가능하다.

기존의 능동형 방진마운트는 무빙 스테이지(moving stage)가 이동하고 정지함에 따라 그 후에 발생하는 자유진동을 제어하는 것을 목표로 한다.

특허출원 제10-2017-0162059호

본 발명은 스테이지의 초기 동작에 의한 진동을 미리 파악하여 즉각적으로 대응하는 제어력을 추가적으로 마운트에 입력함으로써 더 빠른 진동 제어가 가능한, 피드포워드 제어를 이용한 능동 제진 방법을 제안한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 스테이지의 질량이 출발하여 정지하기 전까지의 외란을 실험을 통해 조사하고 제어력을 계산해 진동을 제어하는 피드포워드 제어를 적용하는 S100 단계; 및 스테이지가 정지할 때 발생하는 외란에 대해서는 피드백 제어를 적용하는 S200 단계를 포함하는, 피드포워드 제어를 이용한 능동 제진 방법을 제공한다.

상기 S100 단계는, 변위센서를 사용하여 스테이지가 이동하기 시작해서부터 정지하기 전까지 스테이지의 진동 신호를 계측하는 S110 단계; 및 상기 계측된 진동 신호를 바탕으로 계산된 제어 신호를 가하는 S120 단계를 포함한다.

상기 S110 단계는, 제어 대상의 어느 부분에서 발생하는 진동을 저감시킬 것인가에 따라 진동 신호를 계측할 위치를 선정하는 것을 특징으로 한다.

최근의 반도체, 디스플레이, 광학장비 등 정밀산업분야 설비 및 장비는 상당한 수준의 정밀도를 요구하고 있으므로, 1Hz 이하의 미세진동 제어가 가능한 능동제어 제진시스템이 필요하다. 본 발명은 예측제어 기법, 즉 피드포워드 기법을 사용하기 때문에 기존의 피드백(feedback) 제어만 사용한 경우보다 더 빠른 진동 제어가 가능하다. 본 발명에 따르면, 정밀산업분야 설비 및 장비의 진동에 대한 영향이 최소화되어 지금까지 구현하지 못한 미세공정 개발이 가능해지고 제품에 대한 신뢰성이 높아진다.

도 1은 피드포워드 제어 신호에 의한 스테이지의 변위.
도 2는 피드포워드 제어 시스템의 구성.
도 3은 피드포워드 제어 알고리즘의 블록 다이어그램(block diagram).

스테이지의 진동은 두 가지로 분류된다. 첫째는 스테이지의 질량이 움직일 때, 즉 출발해서 정지하기 직전의 관성력으로 인해 발생하는 외란이다. 둘째는 스테이지의 질량이 정지할 때의 충격력이다.

본 발명에서는 스테이지의 질량이 출발하여 정지하기 전까지의 외란을 실험을 통해 조사하고 제어력을 계산해 진동을 제어하는 피드포워드 제어를 적용했다. 스테이지가 정지할 때 발생하는 외란에 대해서는 피드백 제어를 적용하여 이에 의한 제어력이 연속적으로 출력되어 기타 진동에 대한 제어를 실행하도록 했다(도 3).

능동진동제어의 제어기로는 피드백 제어 혹은 피드포워드 제어가 있다. 둘 중 시스템 모델에 적합한 제어 알고리즘을 선택하는 것이 중요하다. 적합하다는 것은 시스템을 불안정하게 하지 않을 것, 간단한 회로 또는 알고리즘으로 구현이 가능할 것, 예기치 않은 문제에 대해서 강인할 것 등의 조건이 있다.

피드백 제어기는 현재 산업계에서 가장 보편적으로 사용되는 PID 제어기와 같은 제어기를 말한다. 피드백 제어기의 장점으로는 글로벌 댐핑(global damping)를 키울 수 있고, 계산이 간단하고, 비연속적 외란(impulsive disturbance)에 효과적이다. 반면에 피드백 제어기의 단점으로는 정확한 모델이 필요하고, 지속적 외란(persistent disturbance)에 효과적이기 못하다.

피드포워드 제어기는 Filtered x-LMS와 같은 제어기이다. 피드포워드 제어기의 장점으로는 모델이 필요 없다는 점, 센서의 신호가 외란(external disturbance)과 연관(relate)되어 있을 때 효과적이다. 외란이 컨트롤러에서 멀리 떨어져 있기 때문에 능동진동제어기에 충분한 시간이 주어졌을 때 적합하다. 또 협대역 외란(narrow band disturbance)에 효과적이다. 반면에 피드포워드 제어기의 단점으로는 댐핑(damping)과 관련이 없고, 국소 제어(local control)이고, 계산 시간이 많이 들고, 수렴(convergence) 문제가 있고, 안정성에 대한 문제가 발생할 수 있다.

본 발명에서는 저주파수 대역의 방진 성능을 개선하기 위해 진동센서와 액추에이터를 장착하여 능동적으로 진동을 제어하는 제진 시스템을 개발했다. 그 중 공압 제어 시스템에 적용하기 위한 제어 알고리즘으로는 피드포워드 제어와 피드백 제어를 모두 사용하였는바, 다음은 본 발명에 따른 능동진동제어의 과정에 대한 설명이다.

피드포워드 제어 시스템에서의 컨트롤러는 예측할 수 없는 외란을 고려해서 제어 신호를 결정해 둘 수 없기 때문에 제어 대상에 대해 그 특성을 완전히 파악하고 있을 때 적용이 가능하다. 따라서 능동진동제어 실험을 수행하기에 먼저 제어 대상의 진동 특성을 파악해야 한다.

구조물의 특성 조사는 스테이지가 이동하기 시작해서부터 정지하기 전까지 스테이지의 진동 신호를 계측하기 위해 변위센서를 사용한다.

변위센서를 사용한다면 센서의 출력이 곧 시스템의 응답(스테이지의 변위)을 나타낸다. 그 결과는 도 1의 첫 번째 그래프이다. 여기서 제어 대상의 어느 부분에서 발생하는 진동을 저감시킬 것인가에 따라 신호를 계측할 위치를 선정하는 것도 매우 중요한 사항이다. 이 과정을 통해 제어 대상의 진동수에 대한 정보를 조사한다.

앞선 실험에서 조사된 구조물의 진동 특성을 바탕으로 계산된 제어 신호를 가한다. 일 예로, 시스템에 작용하는 외력이 특정 진동수의 조화 가진인 경우, 제어력을 외력에 반대되는 것으로 만들면 외란의 효과를 억제할 수 있다. 도 1에 그것이 나타나 있다. 또한 올바른 타이밍에 계산된 제어력을 입력해 주는 것이 필요하다. 이때 스테이지의 이동은 사용자가 전기적 신호로 입력하는 것이기 때문에 언제 출발하고 멈출지 알 수 있다. 즉 도 1에서 ts를 알 수 있다는 것이다. 그러므로 제어력도 그에 해당하는 시점인 ts에서 입력한다.

제어기를 구동하면 도 1의 마지막 그래프와 같이 스테이지의 변위가 제어되어 진동하지 않게 된다.

스테이지가 정지할 때에도 위의 과정을 동일하게 실행한다. 해당 제어력은 1차적인, 부가적인 진동 제어력에 해당한다. 2차적으로는 기존 피드백 제어기에 의한 제어력이 연속적으로 출력되어 기타 진동에 대한 제어를 실행한다.

피드포워드 제어 시스템의 구성은 도 2와 같다. 앞서 스테이지가 움직이기 시작했을 때의 진동 응답을 파악하고, 그 후에 어떤 외란이 작용하지 않는다고 가정해 피드포워드 제어기를 적용했다. 피드백 제어기는 어떠한 외란이 제어 대상에 가해지는가를 외란이 제어량에 미치는 영향을 통해 알 수가 있다.

Claims (3)

1. 스테이지의 질량이 출발하여 정지하기 전까지의 외란을 실험을 통해 조사하고 제어력을 계산해 진동을 제어하는 피드포워드 제어를 적용하는 S100 단계; 및
   스테이지가 정지할 때 발생하는 외란에 대해서는 피드백 제어를 적용하는 S200 단계를 포함하는, 피드포워드 제어를 이용한 능동 제진 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 S100 단계는,
   변위센서를 사용하여 스테이지가 이동하기 시작해서부터 정지하기 전까지 스테이지의 진동 신호를 계측하는 S110 단계; 및
   상기 계측된 진동 신호를 바탕으로 계산된 제어 신호를 가하는 S120 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 피드포워드 제어를 이용한 능동 제진 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 S110 단계는,
   제어 대상의 어느 부분에서 발생하는 진동을 저감시킬 것인가에 따라 진동 신호를 계측할 위치를 선정하는 것을 특징으로 하는, 피드포워드 제어를 이용한 능동 제진 방법.