강인제어기를 이용한 2축 서보메커니즘의 최적튜닝

Abstract

반도체 조립장비, 정보통신, 항공등과 같은 첨단산업에서 고속, 고정밀 서보계(servomechanism)는 가장 중요한 요소중의 하나이다. 시스템의 고정밀화를 위해서는 위치결정 정밀도와 윤곽정밀도 모두의 향상이 중요하다. 고속, 고정밀 서보계의 위치결정 정밀도는 시스템의 내적 또는 외적인 외란(disturbance)에 의해 크게 좌우된다. 마찰력이나 절삭력 등과 같은 외란은 위치결정 정밀도를 저하시킨다. 이러한 외란들을 효과적으로 보상할 수 있는 제어기가 요구되며 일반적으로 제어기의 실현성을 위해 구조가 간단하고 실제 시스템의 적용에 유연성을 가지는 Q-필터(Q-filter)가 사용된다. 또한 윤곽정밀도(contouring accuracy)의 향상을 위해서 고안된 상호결합제어 시스템은 각각의 축을 독립적으로 제어하여 추종오차(tracking error)를 줄이기 보다는 다른 축의 거동을 고려하여 제어함으로써 더 좋은 윤곽정밀도를 나타낸다. 따라서 본 논문에서는 위치결정 정밀도를 향상시키기 위해서 Q-필터를 이용한 외란관측기(disturbance observer, DOB)를 사용하고, 윤곽정밀도를 향상시키기 위해서 상호결합 제어(cross-coupled control, CCC) 시스템을 구성하여 통합설계(integrated design) 방법론에 근거한 최적튜닝(optimal tuning)에 관한 연구를 수행 하였다. 최적튜닝 과정에서는 윤곽오차와 정착시간, 오버슈트, Q-필터의 대역폭 및 강인안정성 등이 고려되었으며, x-y 테이블을 대상으로 원형 및 선형모션 실험을 수행하여 기존의 상호결합제어기와 외란관측기 각각이 독립적으로 사용되었을 때의 실험값과 비교, 검증하였다.; Precision servomechanisms are widely used in machine tool, semiconductor and flat panel display industries. It is important to improve contouring accuracy and robustness against disturbance. In order to improve the contouring accuracy of a biaxial servomechanism and the robustness against disturbance, a cross-coupled controller with a disturbance observer are studied, as well as the optimal tuning based on the integrated design methodology is proposed. However, it is very difficult to select the controller parameters because cross-coupled control systems are multivariable, nonlinear and time-varying systems. Strict mathematical modeling and identification process of a servomechanism are performed first. An optimal tuning problem is formulated as a nonlinear constrained optimization problem including the relevant controller parameters of a servomechanism. The objective of the optimal tuning procedure is to minimize both contour error and setting time while satisfying constraints, such as relative stability and overshoots, etc. The effectiveness of the proposed optimal tuning procedure is verified through experimental results.