SPM을 사용한 정보저장시스템을 위한 강인 왜란관측 제어기 설계

Abstract

Scanning probe Data Storage (SDS) 시스템은 Scanning Probe Microscopy (SPM) 방식을 이용한 차세대 저장장치로서 높은 저장밀도를 얻기 위해서는 시스템 구동시 SDS 스테이지에 대한 나노 단위의 정밀 제어가 요구된다. 본 논문에서는 SDS 시스템에 대한 robust track following 제어 시스템을 설계하여 SDS 스테이지를 제어한다. SDS 시스템에서 track following 구동시 가장 큰 문제점은 SDS 시스템의 온도센서에서 발생하는 저주파 잡음, 스테이지의 커플링. 마지막으로 모델에 대한 parameter uncertainty이다. 이 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 온도센서와 해당 트랙에서의 Position Error Signal (PES)를 이용하여 SDS 스테이지를 제어한다. 본 논문에서의 track following 제어 시스템은 기존의 제안된 방법을 이용하여 온도센서와 PES에서 측정되는 스테이지 위치 정보 신호를 서로 다른 주파수 영역에서 사용하기 위해 H∞ optimization 방법을 이용하여 Multi-Input Single-Output (MISO) 구조로 설계 한다. 또한 스테이지 구동시 발생하는 커플링 및 parameter uncertainty에 대해 강인하게 하기 위해 SDS 시스템에 대한 robust Disturbance Observer (DOB)를 설계한다. 본 논문에서의 DOB는 robust stabilization corpime factor plant description의 maximum stability margin과 H∞ loop shaping의 desired target loop transfer function을 통해 전체 시스템에 대한 강인성이 향상되는 장점이 있다. 설계된 SDS track following 제어 시스템에 대한 모의 실험 결과 온도센서 저주파 잡음에 의한 위치 변화 영향이 최소화 되었고 parameter uncertainty및 스테이지 커플링에 대해 강인성이 향상되었다.; SPM-based data storage (SDS) system is one of the next generation storage devices. To implement high storage capacity, SDS stage has to be controlled with nano scale accuracy during track following operation. However the main problems of track following operation are the thermal sensors’ low frequency noise component, stage coupling dynamics and model parameter uncertainties. In this thesis, the robust track following controller is presented for SDS system to resolve these problems. First, we use both the thermal sensors and the generated Position Error Signal (PES) from the track center line during track following operation. The objective of the design concept is to create a control structure that uses the best measurement in different frequency regions. We design the controller of MISO structure by H∞ optimization method. Second, the robust DOB is applied to resolve the stage coupling and the parameter uncertainties. In this thesis, the robust DOB is proposed by the normalized coprime factor plant description and H∞ loop shaping method. This method has the advantages that the higher robustness can be achieved by the Nehari’s maximum stability margin and the design process can be simplified by the desired target loop transfer function. We show that the thermal sensor’s low frequency noise component is reduced and the higher robustness is achieved against the parameter uncertainties and the stage coupling by the proposed track following controller.