정밀모션제어를 위한 2축 서보시스템의 최적튜닝

Abstract

고속·고정밀의 서보계(servomechanism)는 IT, 공작기계, 반도체, 평판디스플 레이(flat panel display, FPD), 우주항공과 같은 자동화 시스템에서 폭넓게 사용되 고 있다. 특히 다축제어 시스템의 고정밀도 및 생산성을 위해서 위치결정 정 밀도뿐만 아니라 추종정밀도와 윤곽정밀도의 향상이 매우 중요하다. 첫째로, 다축시스템에서 추종오차(tracking error)를 줄이기 위해 피드백 제 어는 각축을 독립적으로 설계되었고 모션명령을 넣어주어 구동프로파일을 따 라가게 된다. 그리고 Servo lag, 마찰력 및 외부부하와 관련된 서보시스템의 추 종정밀도를 향상시키기 위해서 피드포워드 제어기(feedforward control)가 모션 시스템에서 적용되어 왔다. 그러나 제어시스템의 모델링오차와 비선형 특성 때문에 완벽한 추종성능이 제한되었다. 둘째로, 윤곽오차(contour error)를 줄이기 위해서는 각 축들의 위치오차 정 보를 실시간에 측정하여 보상하는 상호결합제어(cross-coupled control, CCC) 방 식이 사용되어 왔다. 하지만 상호결합제어기로 이루어진 시스템은 다변수, 비 선형 그리고 시변 시스템이기 때문에 시스템 성능에서 가장 중요한 영향을 끼 치게 되는 제어이득을 선정하는데 많은 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 윤곽오차 및 추종오차를 줄이기 위해 통합설계 방 법론(integrated design)과 최적튜닝 방법론(optimal tuning)을 바탕으로 상호결합제 어기(cross-coupled control, CCC)와 피드포워드 제어기(feedforward control)를 결합 한 시스템을 제안하였다. 제어대상 시스템인 기구부 모델을 시스템 규명법 (system identification)을 이용하여 규명하고, 기구부를 포함한 전체 시스템의 수 학적 모델링을 선형모션에 근거하여 수립하였다. 최적튜닝 과정에서는 윤곽오 차와 정착시간을 최소화 하면서 시스템의 안정도와 오버슈트 등의 중요요소를 고려한 비선형 최적튜닝 문제를 정식화 하였다. 마지막으로 xy-table 을 대상으 로 선형 및 코너모션과 원형모션 실험을 수행하여 최적튜닝 과정을 검증하였 다.; In order to ensure high-speed and high-precision specifications in servomechanisms, tracking and contour errors should be minimized through optimal selection of servo parameters. In this paper, the optimal tuning of a cross-coupled controller linked with the feedforward controller is studied to improve contouring and tracking accuracy of the biaxial XY-Tables by using the previously developed integrated design concept and optimal tuning methods. The mathematical modeling of the overall system including the mechanical subsystem identified through an accurate identification process is formulated as a state-space equation based on linear motion trajectories. An optimal tuning problem is formulated as a nonlinear constrained optimization problem including the relevant controller parameters of the servo. Optimal parameters minimizing the contour error and the settling time while satisfying relative stability conditions are obtained through the optimal tuning procedure. Experimental results show that both tracking and contouring errors are significantly reduced by applying the proposed system.