XY 선형 모션 스테이지용 다자유도 공압 제진대의 능동 제어 :Active Control of Multi-Degree-of-Freedom Pneumatic Vibration Isolation Table for XY Linear Motion Stage

신재민

자료유형: 학위논문

저자정보: 신재민 (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: 안형준

발행연도: 2025

저작권: 숭실대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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초록· 키워드

정밀 장비는 지반 진동, 소음, 그리고 장비 구동 외란과 같은 환경 진동으로 성능이 크게 저하될 수 있어 제진대를 사용해 무진동 환경에서 구축한다. 고성능 모션 스테이지 수요가 증가하며 스테이지 구동 외란과 바닥 진동을 차단하기 위한 제진 시스템의 중요성이 부각되고 있다. 공압 제진기는 경제적이고 고유진동수가 낮아 바닥 진동 차단에 효과적이지만, 비선형적 특성과 스테이지 구동 외란에 대해 정착시간이 느린 단점이 있다. 이 논문에서는 XY 선형 모션 스테이지용 다자유도 능동 공압 제진대의 복합 외란 차단 제어에 대해 연구했다. 먼저 일자유도 공압 제진대에서 강건 압력 제어를 설계하고, 실험을 통해 효과를 검증했다. 다이어프램형 공기 스프링과 노즐-플래퍼 서보 밸브로 능동 제진대용 공압 구동기를 구축했고, 주파수 응답을 측정하여 동특성을 식별했다. 외란 관측기와 압력 궤환 및 전향 제어기로 구성된 강건 압력 제어를 적용하여 공압 구동기 비선형성을 보상하고, 대역폭을 확장했다. 압력 제어에 따른 공기 스프링의 진동 특성을 해석하고, 제어 기반 준공압영강성을 구현했다. 압력 제어 폐루프 주파수 응답과 준공압영강성 제진대의 진동 전달률을 측정하여 제안된 기법의 효과를 평가했다. 강건 압력 제어를 적용하여 구동기 대역폭을 기존 2.2 Hz에서 30 Hz까지 확장했고, 제진대 고유진동수를 기존 5.75 Hz에서 2 Hz까지 감소시켰다. 다음으로 일자유도 공압 제진대의 강건 압력 제어 구조를 다자유도 공압 제진대로 확장한 후 복합 외란 차단 제어를 설계하고, 실험을 통해 성능을 검증했다. XY 선형 모션 스테이지가 탑재된 정반과 강건 압력 제어를 적용한 공압 구동기로 6 자유도 능동 공압 제진대를 구축했다. 다중 입출력 궤환 제어와 복합 외란 앞먹임 제어를 결합하여 바닥 진동과 스테이지 구동 반발력 및 반발토크를 차단했다. 방사형 기저 함수 신경망 적응 앞먹임 제어를 적용하여 동작 조건 변화에 대한 적응성을 향상시켰다. 진동 전달률 측정과 스테이지 구동 외란에 대한 상판 6 자유도 변위 측정을 통해 능동 제진 성능을 평가했고, 스테이지 부하 질량을 변동시켜 방사형 기저 함수 신경망의 적응성을 검증했다. 제안된 능동 제진 시스템을 적용하여 수동 제진대 대비 4.75 Hz 전달률을 47.4 dB 낮췄고, 스테이지 구동에 대한 x, θy축 최대 응답을 94.8% 감소시켰다. 특히, 방사형 기저 함수 신경망 기반 적응 제어를 통해 부하 변동 시에도 고정 이득 대비 최대 응답을 평균 36.2% 감소시키며 복합 외란 차단 성능과 우수한 적응성을 입증하였다.

Precision equipment is highly sensitive to environmental disturbances such as ground motion, acoustic noise, and equipment-induced vibrations, requiring advanced vibration isolation to ensure stable operation. The increasing demand for ultra-precision and high-speed motion stages further emphasizes the need to suppress both floor-induced and stage-induced disturbances. Although pneumatic vibration isolators (PVIs) offer cost-effectiveness and superior low-frequency isolation, their nonlinear characteristics and slow response degrade performance under dynamic stage-induced disturbances. This paper presents a composite disturbance rejection control strategy for a multi-degree-of-freedom (multi-DOF) active PVI applied to an XY linear motor motion stage. First, a robust pressure control scheme is designed and experimentally validated using a single-degree-of-freedom (SDOF) PVI. A pneumatic actuator composed of a diaphragm-type air spring and a nozzle-flapper servo valve is identified via frequency response measurements. By integrating a disturbance observer (DOB) with pressure feedback and feedforward control, pneumatic nonlinearities and volume-induced disturbances are compensated, enabling a control-based quasi-zero pneumatic stiffness (QZPS) isolator. The robust pressure control extends the actuator bandwidth from 2.2 Hz to 30 Hz and reduces the isolator natural frequency from 5.75 Hz to 2 Hz. The robust pressure control is then extended to a multi-DOF system, and a composite disturbance rejection control is developed for a six-DOF active PVI table supporting an XY linear motor stage. Multi-input multi-output (MIMO) feedback control is combined with composite disturbance feedforward control to suppress floor-induced and stage-induced disturbances. An adaptive feedforward controller based on a radial basis function neural network (RBF NN) is further introduced to enhance robustness under load variations. The proposed active isolation control reduces vibration transmissibility at 4.75 Hz by 47.4 dB and decreases x- and θy-axes peak responses to stage-induced disturbances by 94.8% compared to a passive isolator. Under varying stage payloads, the adaptive control achieves an additional 36.2% reduction in peak responses compared to fixed-gain control, demonstrating improved adaptability.

제1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 선행 연구 3
1.2.1 능동 공압 제진대의 동역학 및 수학 모델 3
1.2.2 능동 제진대용 공압 구동기의 압력 제어 4
1.2.3 능동 공압 제진대의 외란 억제 제어 4
1.3 연구 목표 6
1.4 기여 및 구성 7
제2 장 일자유도 능동 공압 제진 시스템 8
2.1 일자유도 공압 제진대 8
2.1.1 시스템 구성 8
2.1.2 수학 모델 9
2.1.3 동특성 식별 13
2.2 외란 관측기 기반 강건 압력 제어 15
2.2.1 외란 관측기 설계 15
2.2.2 이자유도 압력 제어기 설계 16
2.2.3 강건 압력 제어 성능 검증 17
2.3 외란 관측기 기반 준공압영강성 구현 22
2.3.1 압력 제어 적용 공기 스프링 모델 23
2.3.2 압력 제어 적용 공기 스프링 동특성 해석 26
2.3.3 압력 제어 적용 공기 스프링 동특성 측정 34
2.4 일자유도 능동 제진 성능 평가 39
2.4.1 바닥 진동 차단 40
2.4.2 직접 가진 억제 44
제3 장 다자유도 능동 공압 제진 시스템 45
3.1 다자유도 공압 제진대 45
3.1.1 시스템 구성 45
3.1.2 수학 모델 47
3.1.3 동특성 식별 47
3.2 다자유도 능동 제진 기법 52
3.2.1 다중 입출력 궤환 제어 52
3.2.2 바닥 진동 및 스테이지 구동 외란 앞먹임 제어 53
3.3 다자유도 능동 제진 성능 평가 56
3.3.1 강건 압력 제어 56
3.3.2 바닥 진동 차단 58
3.3.3 스테이지 구동 외란 억제 60
제4 장 결론 71
참고문헌 73

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