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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 金基賢
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 한국산업기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수17
이 논문의 연구 히스토리 (3)
2018
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국문 요약
반도체, LCD, MEMS 등의 첨단 산업분야에 사용되는 장비 혹은 고배율 AFM 등의 계측 장비는 바닥으로부터 올라오는 미세 진동으로 인하여 발생하는 측정 오차를 개선하기 위하여 많은 제진 시스템에 대한 연구가 진행되었다. 제진 시스템은 정적인 환경에서의 바닥 진동 감소에 대해서는 좋은 성능을 보이지만 스테이지와 같은 이송 장치를 필요로 하는 경우 스테이지의 추력으로 인하여 발생하는 큰 반력으로 추가적인 보상이 요구된다.
본 논문에서는 바닥 진동과 반력 보상을 고려하여 보이스 코일 모터와 공압 마운트를 결합 및 속도 센서를 사용한 저비용 하이브리드 능동형 제진시스템을 제안하였다.
구동기로 사용되는 보이스 코일 모터 설계는 자기 회로법 및 Matlab에서 제공하는 SQP(Sequential Quadratic Programming)을 적용하여 최적화 된 값을 도출하였으며 이 결과를 바탕으로 해석을 진행하고 최적 설계와 비교하여 검증하였다. 제진과 반력 보상을 위한 제어 알고리즘으로는 Proportional Integral Velocity (PIV)제어기를 사용하였으며 시스템 모델링을 통하여 설계 및 적용하였다.
실험에 사용된 제어기는 dSPACE사의 DS1005이며 4(kHz)의 높은 대역폭을 갖는 TA-115앰프를 사용하였다. 제어를 위한 속도 센서는 97.39(V/m/s)의 응답 특성을 갖는 Geophone사의 GS-11d를 사용하였으며 위치 제어 및 변위 측정을 위한 센서로 보이스 코일 모터의 스트로크 (mm)를 고려하여 (mm)의 측정 범위를 갖는 Keyence사의 EX-422 제품을 사용하였다. 스테이지 반력 보상에 필요한 강성을 고려하여 일반적인 공압 마운트 1~4(kHz)에 비하여 높은 8(kHz)의 주파수를 갖는 메이리츠사의 AP-140 공압 마운트와 스테이지 구동을 위한 모터드라이버로는 서보트로닉스사의 CDHD006을 사용하여 진행하였다.
실험 결과를 바탕으로 발생한 제진 시스템의 성능 저하와 offset 오차를 각각 지상 보상기와 위치 제어기를 추가적으로 설계 및 적용하여 최종적으로 제진과 반력 보상에 대한 목표 성능을 만족하는 결과를 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다.
반도체, LCD, MEMS 등의 첨단 산업분야에 사용되는 장비 혹은 고배율 AFM 등의 계측 장비는 바닥으로부터 올라오는 미세 진동으로 인하여 발생하는 측정 오차를 개선하기 위하여 많은 제진 시스템에 대한 연구가 진행되었다. 제진 시스템은 정적인 환경에서의 바닥 진동 감소에 대해서는 좋은 성능을 보이지만 스테이지와 같은 이송 장치를 필요로 하는 경우 스테이지의 추력으로 인하여 발생하는 큰 반력으로 추가적인 보상이 요구된다.
본 논문에서는 바닥 진동과 반력 보상을 고려하여 보이스 코일 모터와 공압 마운트를 결합 및 속도 센서를 사용한 저비용 하이브리드 능동형 제진시스템을 제안하였다.
구동기로 사용되는 보이스 코일 모터 설계는 자기 회로법 및 Matlab에서 제공하는 SQP(Sequential Quadratic Programming)을 적용하여 최적화 된 값을 도출하였으며 이 결과를 바탕으로 해석을 진행하고 최적 설계와 비교하여 검증하였다. 제진과 반력 보상을 위한 제어 알고리즘으로는 Proportional Integral Velocity (PIV)제어기를 사용하였으며 시스템 모델링을 통하여 설계 및 적용하였다.
실험에 사용된 제어기는 dSPACE사의 DS1005이며 4(kHz)의 높은 대역폭을 갖는 TA-115앰프를 사용하였다. 제어를 위한 속도 센서는 97.39(V/m/s)의 응답 특성을 갖는 Geophone사의 GS-11d를 사용하였으며 위치 제어 및 변위 측정을 위한 센서로 보이스 코일 모터의 스트로크 (mm)를 고려하여 (mm)의 측정 범위를 갖는 Keyence사의 EX-422 제품을 사용하였다. 스테이지 반력 보상에 필요한 강성을 고려하여 일반적인 공압 마운트 1~4(kHz)에 비하여 높은 8(kHz)의 주파수를 갖는 메이리츠사의 AP-140 공압 마운트와 스테이지 구동을 위한 모터드라이버로는 서보트로닉스사의 CDHD006을 사용하여 진행하였다.
실험 결과를 바탕으로 발생한 제진 시스템의 성능 저하와 offset 오차를 각각 지상 보상기와 위치 제어기를 추가적으로 설계 및 적용하여 최종적으로 제진과 반력 보상에 대한 목표 성능을 만족하는 결과를 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다.
목차
목 차그림 목차 ⅰ표 목차 ⅱ국문 요약 ⅲ제 1 장 서 론 11.1 연구배경 11.2 연구목표 41.3 논문구성 6제 2 장 시스템의 분석 및 모델링 72.1 하이브리드 능동 제진시스템의 구성 72.2 시스템 모델링 92.2.1 동적 부하가 없는 수동 제진시스템의 동역학적 모델 92.2.2 동적 부하(스테이지)를 포함한 수동 제진시스템의 동역학적 모델 112.2.3 센서 모델링 122.2.4 구동기의 운동학적 모델링 152.2.5 센서의 운동학적 모델링 16제 3 장 보이스 코일 모터 최적 설계 183.1 보이스 코일 모터 설계 조건 183.1.1 보이스 코일 모터 설계 구조 193.1.2 보이스 코일 모터 설계 세부 제한 조건 및 설계 변수 203.1.3 자기회로법(Permeance)을 통한 자기장 모델링 223.2 Matlab UI를 활용한 최적 설계 프로그램 제작 253.2.1 Maxwell 해석을 통한 검증 273.2.2 보이스 코일 모터 힘상수 측정 283.2.3 보이스 코일 인덕턴스 측정 29제 4 장 시스템 환경 구성 및 제어기 설계 324.1 하드웨어 제작 324.2 공압 마운트 댐핑(C), 강성(K) 값 피팅 344.3 바닥 진동 및 반력 보상을 위한 제어 알고리즘 설계 364.3.1 Matlab Simulink를 통한 시뮬레이션 40제 5 장 시뮬레이션 및 실험 결과 425.1 실험을 위한 장비 셋업 및 루프 425.2 실험 435.3 제진 성능에 대한 시뮬레이션 및 실험 결과 445.4 지상 보상기(Lag Compensator) 설계 465.5 반력 보상에 대한 시뮬레이션 및 실험 결과 495.6 Offset 보상을 위한 알고리즘 설계 및 실험 결과 52제 6 장 고찰 및 결론 55참고 문헌 56Abstract 59
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