Recently, many kinds of systems are invented to meet the purpose of long stroke and ultra precision positioning resolution. There are two categories for these purposes: dual servo system and one servo system. Dual servo system consists of coarse servo and fine servo. Dual servo mechanism has more actuator than the degree of freedom to be controlled. As another approaches for high precision stage, there is one servo system that can move long range and fine range with one actuator. With one actuator, the whole system structure is simpler than the dual servo system. And these systems also provide good performance in travel length and position resolution.
The simple, easy, VCM(Voice Coil Motor) type, one servo system is proposed in this study as a comparatively smart design approach for the precision positioning system. It has fast response and fairly good position accuracy. It consists of three actuators. Each actuator is the same and is positioned 120 degrees radially to make the three degrees of freedom motion(XYθ). The whole system is designed conceptually to have the symmetry, simple and compact servo, and inherently infinite position resolution to meet the principles for precision system design.
When the system is working, there are disturbances and unwanted vibration around the system. System must have enough force to reject disturbances and to have fast working rate. Therefore, in this study, acceleration is chosen as cost function of optimal design. There has been no trial of optimal design in the point of designing precision positioning stage.
New Continuous Gain Scheduling Control (CGSC) is proposed. Controllers should be adapted according to the task. In fine positioning regions, the controller gain should be large enough to reject the disturbance and to maintain high precision positioning. In coarse positioning regions, since the reference input is large, the controller gain should be small in order to avoid the controller saturation. The simple continuous function of gain versus displacement error is derived based on the robust controller. From the simulation and experimental results, the CGSC provides a better response than fixed gain control in disturbance rejection and settling time. It also brings robustness to the system uncertainty and prevents overshoot responses. When the system is applied to 3-axis precision stage, it has advantage of reducing coupling motion without losing fast and no overshoot responses.
최근에 초정밀시스템의 중요한 사양인 긴 행정과 초정도 위치 제어를 만족하기 위한 시스템들이 다양하게 시도되고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위한 큰 두 가지 방법이 있는데 이중서보시스템과 단일서보시스템이 바로 그것이다. 이중서보 시스템은 미소서보와 긴 행정서보로 구성이 되어 있으므로 제어해야하는 자유도보다 더 많은 구동기를 가지고 있다. 초정밀 시스템의 구성에 또 다른 방식은 하나의 서보를 이용하여 긴 행정과 미소한 행정을 동시에 구동하는 방식이다. 하나의 서보를 이용하면 전체 시스템 구조는 이중서보시스템보다 간단해진다. 이러한 단일 서보 시스템 또한 행정거리와 위치정밀도면에서 좋은 성능을 보인다.
본 논문에서는 간단하고 쉬운 VCM형태의 단일서보가 제안되었다. 이 단일서보는 초정밀 시스템을 구성하는데 있어서 비교적 현명한 설계방법으로 빠른 응답과 좋은 위치정밀도를 보장한다. 세 개의 구동기로 구성된 이 시스템은 각각의 동일한 구동기가 120도 간격으로 구성되어 3자유도 운동을 할 수 있도록 설계되었다. 전체 시스템은 개념적으로 구조가 대칭이라는 점, 구조 자체가 간단한 구조, 단일평면에서의 3자유도 운동, 근본적으로 무한대의 위치정밀도 라는 특징을 가지고 있어 초정밀 시스템설계를 위한 원칙들에 잘 맞도록 설계되었다.
시스템이 작동하고 있을 때, 외란과 원치 않은 진동들이 시스템 주위에 발생하는데, 이들을 억제하고 빠른 작업속도를 얻기 위해서는 큰 힘을 갖는 구동기가 요구된다. 이 논문에서는 이러한 관점에서 가속도를 최대화하는 것을 목적으로 하는 최적설계를 수행하였다. 이제까지 정밀스테이지의 설계에서 최적설계를 적용한 예는 없었으므로 본 논문에서는 정밀스테이지 설계에서의 최적설계의 적용의 좋은 예를 제안한다.
제어기는 작업의 종류와 이루고자 하는 목표성능에 따라 선택되어져야 한다. 미소행정을 이동할 때는 제어기가 외란을 제거하기 위하여 큰 이득을 갖도록 하고 긴 행정을 움직일 때는 구동기의 포화능력까지 이용하여 최대의 속도로 갈 수 있도록 작은 이득으로 조정하는 것이 필요하게 된다. 위치 오차에 따른 간단하고 연속적인 함수를 구해서 이득을 제어하는 연속이득제어기법(CGSC)이 제안되었다. 모의실험과 실험을 통해서, 제안된 제어기는 고정된 이득을 갖는 제어기보다 외란 억제나 빠른 응답을 얻는 다는 면에서 좋은 성능을 보임을 알 수 있다. 또한 제안된 제어기는 강인 제어기를 바탕으로 설계되었으므로 시스템의 불확실성에 대한 강인함과 오버슈트가 없는 응답을 얻을 수 있다. 특별히 평면 3자유도 시스템에 적용하여 각축방향의 움직임사이의 결함운동의 양을 줄이는 성능도 확인하였다.
