KR20160118201A

KR20160118201A - 통합제진 디지털 제어 시스템

Info

Publication number: KR20160118201A
Application number: KR1020160127695A
Authority: KR
Inventors: 이홍기; 백대성
Original assignee: 알엠에스테크놀러지(주)
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2016-10-11
Also published as: KR101704532B1

Abstract

본 발명은 통합제진 디지털 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초정밀 장비의 운용 중 발생하는 환경진동, 과도응답진동 등을 통합적으로 제어하기 위한 수동형, 반능동형 및 능동제어형 마운트 모듈을 활용한 통합제진 디지털 제어 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 초정밀 장비의 운용 중 발생하는 환경진동, 과도응답진동 등을 노이즈에 둔감하고, 내환경성이 뛰어난 디지털 제어방식으로 통합 제어함으로써 아날로그 배선에 의한 신호 열화를 최소화할 수 있으므로 외부 잡음에 대해 강인한 특성을 보유하며 제진대의 형상과 크기가 달라도 균일한 제어 특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

통합제진 디지털 제어 시스템{VIBRATION REGULATION DIGITAL CONTROL SYSTEM}

본 발명은 통합제진 디지털 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초정밀 장비의 운용 중 발생하는 환경진동, 과도응답진동 등을 통합적으로 제어하기 위한 수동형, 반능동형 및 능동제어형 마운트 모듈을 활용한 통합제진 디지털 제어 시스템에 관한 것이다.

현재 반도체, 디스플레이 생산라인 및 기타 정밀측정/가공라인에서 요구하는 진동환경의 수준은 매우 엄격해지고 있어 기존의 수동제어 방법으로는 이미 한계에 봉착하였으며, 장비의 구조 또한 생산능력 개선에 따라 기존의 스텝핑(stepping) 방식에서 고속의 스캐닝(scanning) 방식으로 전환됨에 따라 발생하는 과도진동 제어에 의한 정착 시간(settling time) 감소가 생산성 향상과 직결되고 있어 매우 시급히 해결해야 할 과제로 대두되고 있다.

진동을 유발하는 가진력에 반대되는 힘을 제어력으로 가하여 진동을 줄이는 방법을 능동제어라 하며, 통합 마운트는 가진력을 차단하는 방진장치와 제어력을 발생하는 반능동형 제진기 및 능동형 가진기가 결합된 통합형 능동제어 시스템이다.

반도체, 디스플레이(display) 등의 초정밀 생산품들의 집적화, 대형화의 발전 속도가 증가함에 따라 진동에 의한 생산성 및 수율감소에 의한 경제적 손실이 발생한다. 기존의 수동형 진동 대책으로 한계를 보임에 따라 능동형 진동제어 시스템의 필요성이 크게 대두되었으며 현재 현장에서 시급히 적용이 요구되고 있는 시스템이다.

일본, 미국 등에서 개발된 능동형 마운트는 고가임에도 다양한 문제점(성능 불만족, A/S의 어려움 등)이 발생하여 국내 적용에 어려움 발생하였으나 최근에는 성능개선이 많이 이루어진 상태이나 가격이 매우 높아 적용에 제한이 있다. 특히 시스템 적용 시 발생하는 기술적 문제 해결에 외국의 기술에 의존함으로써 시간과 엔지니어링 비용이 큰 문제점이 있었다.

KR

10-2012-0122706

A

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 초정밀 장비의 운용 중 발생하는 환경진동, 과도응답진동 등을 통합적으로 제어할 수 있도록 한 수동형, 반능동형 및 능동제어형 마운트 모듈을 활용한 통합제진 디지털 제어 시스템을 제공함을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른, 제진 마운트 장치는, 상부에서 가해지는 하중을 상쇄하는 에어스프링; 및 밑면이 개방되고 내부가 빈 통 형상으로서 상기 에어스프링의 하중지지부의 하부에 연결되어, 상기 에어스프링의 진동에 따라 MR 유체 내에서 진동하면서 상기 하중에 따른 진동을 감소시키는 케이지를 포함한다.

상기 에어스프링은, 내부에 공간을 가지는 통 형상의 측벽과, 상기 측벽 상단과 탄성부재를 통해 연결된 상판과, 일측은 상기 상판과 연결되고 타측은 상부의 하중판 연결로드와 연결된 하중 지지부를 구비할 수 있다.

상기 제진 마운트 장치는, 상기 에어스프링 내부에 설치되며, 바닥이 있고 윗면이 개방된 통 형상의 댐퍼 하우징; 상기 댐퍼 하우징 내부에 충진되는 MR유체; 상기 댐퍼 하우징 내부 바닥면에 고정되어 설치되는 원기둥 형상의 코어; 및 상기 코어 주위에 감기는 코일을 더 포함하고, 상기 케이지는, 상기 하중 지지부의 하부에 연결되어, 상기 댐퍼 하우징 내부에서 상기 코어를 감싸는 형태로 위치할 수 있다.

상기 케이지는, 상기 MR유체면과 평행한 상태로 형성되어, 하중에 따라 아래로 이동하는 멤브레인; 및 상기 멤브레인 하부에 연결되며, 밑면이 개방되고 내부가 빈 통 형상인 케이지 측면부를 구비할 수 있다.

상기 케이지 측면부는, 자기장의 흐름을 차단하는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 케이지 측면부는, 상기 코일에 전류가 흐름에 따라 발생하는 자기장을 통과시키는 다수의 구멍을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 멤브레인은, 탄성 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 초정밀 장비의 운용 중 발생하는 환경진동, 과도응답진동 등을 노이즈에 둔감하고, 내환경성이 뛰어난 디지털 제어방식으로 통합 제어함으로써 아날로그 배선에 의한 신호 열화를 최소화할 수 있으므로 외부 잡음에 대해 강인한 특성을 보유하며 제진대의 형상과 크기가 달라도 균일한 제어 특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 통합제진 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 도 1에서 통합제진 시스템의 신호 흐름도.
도 3은 통합제진 디지털 제어 시스템의 개념도.
도 4는 통합제진 시스템의 선형화 블럭도.
도 5는 통합제진 제어기의 구성도.
도 6은 통합제진 알고리즘을 처리하기 위한 디지털 신호 처리부의 주요 특징을 나타내는 도면.
도 7은 통합제진 상위 제어기와 주 제어기 사이의 정보전달 과정을 나타내는 도면.
도 8은 통합제진 정보 전달 개요를 나타내는 도면.
도 9는 통합제진 시스템 통신 시간을 나타내는 도면.
도 10은 모니터링 프로그램을 나타내는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 제진 마운트 장치를 도시한 도면.
도 12는 케이지(cage)의 원통형 측면부의 2가지 실시예를 나타내는 사진.
도 13은 MR유체를 파라핀으로 사용한 경우 제진 특성의 일 실시예를 도시한 그래프.
도 14는 MR유체를 실리콘으로 사용한 경우 제진 특성의 일 실시예를 도시한 그래프.
도 15는 본 발명에 따른 변위 검출 장치를 나타낸 도면.
도 16은 본 발명에 따른 와전류의 발생에 따른 임피던스의 변화를 나타낸 도면.
도 17은 본 발명에 따른 코일과 검출 대상물 사이의 전자기적 관계를 나타낸 등가회로도.
도 18은 본 발명에 따른 변위 검출 장치의 발진기의 개념을 나타낸 도면.
도 19는 본 발명에 따른 변위 검출 장치의 특성 곡선을 나타낸 그래프.
도 20은 본 발명에 따른 변위 검출 장치의 커브 피팅(Cruve Fitting)을 나타낸 그래프.
도 21은 본 발명에 따른 변위 검출 장치의 감도 곡선을 나타낸 그래프.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 통합제진 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에서 통합제진 시스템의 신호 흐름도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 통합제진 시스템은 석정반(10)과, 이동체(Moving Mass)(20) 및 4개의 통합 마운트(Mount)(30)로 구성된다.

통합 마운트(Mount)(30)는 각각 에어 스프링(Air Spring)(31), MR 댐퍼(MR Damper)(32), 마그네틱 액츄에이터(Magnetic Actuator)(33)로 구성된다.

외란 혹은 이동체(Moving Mass)(20)의 움직임에 따른 석정반(10)의 움직임은 갭 센서(Gap Sensor)(40)와 속도센서 및 변위센서로 측정되어 DSP 제어기(50)로 전송된다.

센서신호에는 z, pitch, roll 방향의 신호가 커플링(coupling)되어 나타나므로, 디커플링 알고리즘(Decoupling Algorithm)에 의해 직교 좌표(orthogonal coordinate)로 분해한다. 그 후 제어 알고리즘을 거쳐 마운트(Mount) 별 제어신호로 합성한 후 에어 스프링(Air Spring)(31), MR 댐퍼(MR Damper)(32), 마그네틱 액츄에이터(Magnetic Actuator)(33) 등으로 전송하여 실시간 제어가 가능하도록 한다.

통합 마운트(Mount)(30)의 에어 스프링(Air Spring)(31)은 흡기/배기용 비례제어밸브(Proportional Valve)(60)를 이용하여 제어한다. 이러한 비례제어밸브(Proportional Valve)(60)는 에어 스프링(Air Spring)(31)의 압력을 조절하여 레벨링(Leveling), 대진동보상 등을 수행한다.

DSP 제어기(50)는 제어 알고리즘 연산과, 에어 스프링(Air Spring)(31), MR 댐퍼(MR Damper)(32), 마그네틱 액츄에이터(Magnetic Actuator)(33)의 구동명령 생성 및 마그네틱 액츄에이터(Magnetic Actuator)(33) 제어를 수행한다.

액츄에이터 제어기(Actuator Controller)(70)는 에어 스프링(Air Spring)(31), MR 댐퍼(MR Damper)(32)를 제어한다.

도 3은 통합제진 디지털 제어 시스템의 개념도이고, 도 4는 통합제진 시스템의 선형화 블럭도이다.

도시된 바와 같이, 통합제진 시스템은 에어 마운트(Air Mount)(30)와, MR 댐퍼(MR Damper)(32)와, 마그네틱 액츄에이터(Magnetic Actuator)(33)의 동특성을 이용하여 제진/방진 기능을 수행한다. 이러한 액츄에이터(Actuator) 구성품과 DSP 제어기(50)로 구성된 디지털 제어 시스템(Digital Control System)의 개념도는 도 3과 같다.

비례제어밸브(60)는 에어 마운트(Air Mount)(30) 내의 공기 몰(mole) 수를 제어하여 공압력를 생성하며, MR 댐퍼(MR Damper)(32)는 전류에 의해 제어되는 댐핑력를 생성한다. 마그네틱 액츄에이터(Magnetic Actuator)(33) 역시 전류에 의해 전자기력(Electro-Magnetic Force)를 생성한다. 각각의 구성품은 비선형 특성을 가지지만, 미소한 변위에 대해서 시스템을 선형화하면 도 4의 블록도로 표현할 수 있다.

통합제진 시스템의 마운트 변위, 속도 등의 시스템 동특성과 관련된 물리량은 연속적인 아날로그 신호이지만, DSP 제어기(50)에서 제어를 수행하기 위해서는 일정 시간마다 디지털로 변환하는 샘플링(sampling) 과정이 필요하다. 또한 샘플링된 이산(discrete) 신호에 대해 제어 알고리즘(Control Algorithm) 모듈(80)을 거친 후, 홀더(Holder)(미도시됨)를 통과하여 아날로그 신호로 변환하여 MR 댐퍼(MR Damper)(32)와 비례제어밸브(60) 및 마그네틱 액츄에이터(Magnetic Actuator)(33)에 연결된 구동장치를 제어한다.

통합제진 시스템은 외부 노이즈에 민감한 아날로그 방식에 의한 신호전달 방식보다는 노이즈에 둔감하고 내환경성이 뛰어난 디지털 제어방식으로 구성한다. 제품 상용화에 용이하도록 제어 알고리즘뿐만 아니라 MR 댐퍼(MR Damper)(32)와 비례제어밸브(60) 및 마그네틱 액츄에이터(Magnetic Actuator)(33)의 구동부와 갭 센서(Gap Sensor)(40) 사이에 캔(CAN) 통신을 이용하여 디지털 통신으로 정보를 전달한다.

이와 같은 디지털 통신방식을 사용하면 아날로그 배선에 의한 신호 열화를 최소화할 수 있으므로 외부 잡음에 대해 강인한 특성을 보유하며, 제진대의 형상과 크기가 달라도 균일한 제어 특성을 유지할 수 있다.

*디지털 제어방식에는 필연적으로 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 과정이 필요하며, 통신부하를 최소화하면서 시스템의 동특성을 유지할 수 있는 적절한 샘플링 시간(Sampling time)을 정해야 한다.

도 5는 통합제진 제어기의 구성도이고, 도 6은 통합제진 알고리즘을 처리하기 위한 디지털 신호 처리기의 주요 특징을 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 통합제진 제어기는 DSP 주 제어기(DSP Main Controller), MR 댐퍼 제어기(MR Damper Controller), 공압 제어기(Pneumatic Controller), 마그네틱 액츄에이터 제어기(Magnetic Actuator Controller), 상위 제어기(Linux Controller), 센서 제어기(Sensor Controller) 등 총 6종류의 제어기로 구성되어 있다. 이중에서 MR 댐퍼/공압/마그네틱 액츄에이터 용 제어기는 복수개가 사용되므로 총 11개 제어보드와 피드포워드 센서(Feedforward Sensor) 보드 등 보조 보드 등으로 시스템이 구성된다.

통합제진 제어기는 산업표준 19인치 랙에 수용할 수 있도록 설계되어, 실용성과 장착성을 높이도록 설계하였다. 수용되는 제어보드는 산업계에서 실용성이 검증된 DIN41612D 컨넥터를 버스구조로 결선하여 사용한다.

하기에서는 통합제진 제어기를 구성하는 각 제어기에 대하여 설명하기로 한다.

DSP 주 제어기(DSP Main Controller)

실시간 제어 알고리즘은 통합제진 알고리즘을 처리하기 위한 디지털 신호 처리기 고성능 Embedded DSP 프로세서 기반 제어보드를 사용한다. 동 제어기는 FPGA(Field Programmable Gate Array)와 516 KByte의 SRAM을 내장하여 실시간 알고리즘을 처리하며, 2개의 캔(CAN) 통신을 통해 외부장치(센서, 구동기) 등과 통신한다.

현장에서 발생할 수 있는 전기적 잡음의 영향을 최소화하기 위해 입력전원은 DC-DC 컨버터로 절연하였으며, 캔(CAN) 통신은 전체널 고속 포토 커플러(photo coupler)를 사용하여 절연통신이 가능하도록 구성하였다.

DSP 주 제어기(DSP Main Controller)(50)의 주요 역할은 다음과 같다.

- 갭 센서(Gap Sensor)(40) 신호처리

- 제어 알고리즘 연산

- 구성품 구동명령 생성

MR 댐퍼(32) 구동

에어 스프링(Air Spring) 구동

공압 액츄에이터(Pneumatic Actuator) 구동

마그네틱 액츄에이터(Magnetic Actuator)(33) 구동

센서 제어기(Sensor Controller) 제어

- Isolated CAN 통신(125KBps~500KBps)

통합제진 알고리즘을 처리하기 위한 장치는 통합제진 알고리즘을 처리하기 위한 디지털 신호 처리기(DSP)와 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)로 구성된다. 통합제진 알고리즘을 처리하기 위한 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 고속 디지털 로직(Digital Logic) 신호처리를 담당하고, 다수의 CLB(Configurable Logic Block), IOB(Input Output Block)로 구성되며 해당 블록이 시간지연 없이 원활하게 동작할 수 있도록 DCM(Digital Clock Manager) 등의 도움을 받는다.

MR 댐퍼/마그네틱 액츄에이터 복합 제어기

MR 댐퍼(32)/마그네틱 액츄에이터(33) 복합 제어기는 통합제진 구성품인 MR 댐퍼(32)/마그네틱 액츄에이터(33)의 구동을 담당한다. MR 댐퍼 제어기는 마이크로프로세서, 정전류 드라이버 인터페이스, 정역동작이 가능한 풀브리지 지속전류 드라이버(Full-Bridge Constant Current Driver), 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 캔(CAN) 통신포트 등으로 구성된다.

마이크로프로세서는 실시간 실수연산기능을 보유하며, 3.3V의 낮은 전원을 사용하여 전력사용량을 줄이고 고속동작이 가능하도록 설계되어 있다. 정전류 드라이버 인터페이스는 전기적으로 절연된 고속 옵토 커플러(Opto coupler)에 의해 드라이버 회로(Option)와 분리되어 외부의 전기적 노이즈에 강인하도록 설계되어 있다.

MR 댐퍼 제어기는 기본적으로 24V 입력-1.8A 정전류출력형 PWM 드라이버 방식을 사용한다. MR 댐퍼(32)에 한 방향으로 전류가 흘렀을 때 생기는 잔류자속을 제거하도록 구동전류의 방향 전환이 가능하도록 설계되어 있다. MR 댐퍼(32)에 흐르는 전류는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)로 변환되어 마이컴에 전달된다. 다목적 전류드라이버에서 MR 댐퍼에 공급하는 최대전류는 1.8A이며, PWM 주파수는 10~20KHz이다.

MR 댐퍼 제어기의 주요 특징은 다음과 같다.

- 24V 1.8A Current Driver

- PWM Frequency : 10~20KHz

- TMS320F28335 Floating Point Microprocessor

- Isolated CAN 통신(125KBps~500KBps)

- 전원 Isolation

- H-Bridge 구동 회로 전기적 Isolation

- 미결선 점검기능 내장

공압제어기(Pneumatic Controller)

공압제어기(Pneumatic Controller)는 통합제진 구성품인 에어 스프링(Air Spring), 공압 액츄에이터 구동을 담당한다. 공압제어기는 마이크로프로세서, 4~20mA 전류 드라이버, 정전류 드라이버 인터페이스, 정역동작이 가능한 풀브리지 지속전류 드라이버(Full-Bridge Constant Current Driver), 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 캔(CAN) 통신포트 등으로 구성된다.

공압제어기의 출력부분은 비례제어밸브 제어용 4~20mA 출력부분과 솔레노이드 밸브 제어용 1.2A 정전류출력형 PWM 드라이버 부분으로 구성된다.

공압제어기의 주요 특징은 다음과 같다.

- TMS320F28335 Floating Point Microprocessor

- 24V 1.2A Current Driver( PWM Frequency : 10~20KHz )

- 4~20mA Current Driver

- Isolated CAN 통신(125KBps~500KBps)

- 전원 Isolation

- H-Bridge 구동 회로 전기적 Isolation

센서 제어기(Sensor Controller)

센서 제어기는 갭 센서(Gap Sensor)(40)의 변위를 측정하여 DSP 주 제어기(50)에 전달하는 역할을 담당한다. 센서 제어기는 마이크로프로세서, 갭 센서 파형 형성 회로(Gap Sensor Wave Shaping Circuit), 아날로그 신호 컨디셔닝 증폭기(Analog Signal Conditioning Amplifier), 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 캔(CAN) 통신 유닛 등으로 구성된다.

마이크로프로세서는 3.3V의 낮은 전원을 사용하여 전력사용량을 줄이고 50MHz~70MHz의 속도로 동작하도록 설계되어 있으며, 최대 4CH의 갭 센서(Gap Sensor) 신호를 처리할 수 있으며, 독립적인 2 채널의 아나로그-디지털 변환장치를 내장하고 있다. 센서 제어기는 저분해능 모드와 고분해능 모드를 수용할 수 있도록 설계되어 있으며, 고분해능 모드에서는 최대 2개의 갭(Gap) 신호를 처리하며, 저분해능 모드에서는 4채널 신호처리가 가능하다.

센서 제어기의 주요 특징은 다음과 같다.

- 고분해능 모드 : 2 Ch Gap Sensor 신호처리

- 저분해능 모드 : 4 Ch Gap Sensor 신호처리

- STM32F103 Cortex-M3 Microprocessor

- Isolated CAN 통신(125KBps~500KBps)

- 전원 Isolation

상위 제어기(Linux Controller)

상위 제어기(Linux Controller)(90)는 통합제진 DSP 주 제어기 알고리즘 동작환경에 필요한 변수(마운트 위치, 센서위치 등) 등을 관리하고, MMI(Man-Machine Interface)를 담당한다.

하기에서는 통합제진 제어기 제어 알고리즘에 대하여 설명하기로 한다.

통합제진장치는 센서정보를 바탕으로 진동제어알고리즘을 거쳐 공압스프링, MR 댐퍼, 마그네틱 구동기 등의 구동력을 제어하여 시스템의 진동을 억제하는 동작을 수행한다.

이러한 동작을 수행하기 위해서 장치(메인제어기-하부제어기 등)간의 통신방식과 주제어간격(Sampling Time)에 따라 여러 가지의 대안을 고려할 수 있다. 본 발명에서는 시스템의 확장성과 안정성 등을 고려하여 제어주기를 250Hz로 정하고, 장치간의 통신방식은 500KBps의 캔(CAN) 통신을 사용한다.

시스템의 실시간제어를 위해서는 한정된 시간에 잡음억제필터(Kalman Filter), 시스템 축간 디커플링에 의한 진동억제 알고리즘 연산과 장치간 통신이 이루어져야 한다. 이를 위해 순차동작이 필요한 각각의 알고리즘은 알고리즘별 연산/대기 시간을 예상하여 제어주기보다 빠른 주기로 스케쥴링을 하여 실질적인 대기시간이 최소화되도록 알고리즘 구조를 정한다.

또한, 상대적으로 많은 시간(1.75ms)이 소요되는 장치간 통신 도중에 마이크로프로세서의 대기시간이 발생하지 않도록 소프트웨어적인 큐(Queue)를 사용하여 전달정보 등록과 전송부분을 분리하여 동작시킨다.

도 7은 통합제진 상위 제어기와 주 제어기 사이의 정보전달 과정을 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 통합제진 제어기의 제어 파라미터는 수 백종에 달하며, 각각의 파라미터를 조절하기 쉽도록 QT 기반의 상위 제어기에서 환경변수를 관리하도록 구성하였다.

도 8은 통합제진 정보 전달 개요를 나타내는 도면이고, 도 9는 통합제진 시스템 통신 시간을 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 이와 같은 디지털 통신방식을 사용하면 아나로그 배선에 의한 신호 열화를 최소화할 수 있으므로 외부 잡음에 대해 강인한 특성을 보유하며, 제진대의 형상과 크기가 달라도 균일한 제어 특성을 유지할 수 있다.

캔(CAN) 통신의 보 레이트(Baudrate)가 500KBps일 경우, 캔(CAN) 통신 1 packet 전송시간은

이다.

비례제어밸브(Proportional Valve)(60)를 포함한 시스템의 Nyquist 선도는 도 9와 같다. 저주파영역에서 게인 마진(Gain Margin)이 매우 작으므로 가능한 샘플링(Sampling)에 의한 위상지연을 억제하도록

범위로 정한다. 이때,

의 소요시간에 대한 부담을 경감하도록 캔(CAN)의 보 레이트(Baudrate)를 500kbps로 정한다.

DSP 주 제어기에서 각각의 하부장치인 MR 댐퍼(32), Air Servo Valve, 마그네틱 액츄에이터(33)를 제어하는데 소요되는 통신시간은 약 1.75ms 이다.

도 10은 본 시스템 적용을 위해 개발된 모니터링 프로그램을 나타내는 도면의 예시이다.

도시된 바와 같이, 통합제진 시스템을 적용할 장비의 특성에 따라 석정반 크기, 마운트의 하중, 동적 거동 등의 세부적인 정적/동적 파라미터를 관리하고, 해당 파라미터를 제어 알고리즘에 반영해야 한다.

이러한 자료관리와 MMI(Man Machine Interface)를 위해 이 모니터링 프로그램을 사용한다.

모니터링 프로그램의 기능은 다음과 같다.

- QT Base Program

- operation Mode 설정 ( 운전 Mode / 설치 Mode )

- 구성품 상태 실시간 전시

- 동특성 Data 저장/관리

- System Parameter 설정 (UDP Protocol 이용)

이 모니터링 프로그램은 QT로 개발되어 소스코드 재작성을 하지않고 크로스 컴파일을 통해 다양한 데스크탑 및 임베디드 운영체제에 적용이 가능하다.

도 11은 본 발명에 따른 제진 마운트 장치(400)를 도시한 도면이고, 도 12는 제진 마운트 장치(400)에서 케이지(cage)(450)의 원통형 측면부(452)의 2가지 실시예를 나타내는 사진이다. 이하에서 설명하는 제진 마운트 장치(400)는 하중판(20) 아래의 다수의 위치에 설치될 수 있다. 도 11에 도시된 제진 마운트 장치(400)는 도 1의 통합제진 시스템에서 통합 마운트(30)를 나타내는 것으로, 이에 대해서는 하기에서 상세하게 설명하기로 한다.

하중판(20) 위에는 반도체 장비, 정밀 검사 장비 등, 진동에 민감한 장비가 놓여진다. 하중판(20)은 진동에 최대한 영향받지 않도록 무거운 재질로 구성되는 것이 바람직한데, 예를 들어 석정반 형태로 구성될 수 있다. 이러한 하중판(20) 하부에는 하중판 연결로드(21)를 통해 에어스프링(410)이 연결된다. 에어스프링(410)은 하중판을 통해 하부로 가해지는 진동을 일차적으로 전달받아 상쇄하는 역할을 수행한다. 에어스프링(410)은 바닥면(411)과, 원통형의 측벽(412)을 구비한다. 또한 상판(414)을 구비하는데, 이러한 측벽(412)와 상판(414)는 탄성부재(413)를 통해 연결된다. 하중지지부(415)는 한쪽이 상판(414)과 연결되고 다른 쪽은 하중판 연결로드(21)와 연결된다. 즉 하중판(20)의 진동에 따라 탄성부재(413) 및 이에 연결된 상판(414)과 하중지지부(415)는 이러한 진동을 수용하면서 일차적으로 상쇄하는 역할을 수행한다.

댐퍼(420)는 에어스프링(410)의 측벽(412) 내부에 설치된다. 댐퍼(420)는 바닥면(422) 및 측면에 원통 형상의 하우징(421)을 구비하고 그 내부에 MR유체(430)가 충진된다. 또한 그러한 댐퍼 하우징(421) 내부의 MR유체 안에는, 코어(441)가 댐퍼 바닥면(422)에 고정되어 설치되고, 코어 주위에 코일(442)이 감기게 되며, 코일(442)에 흐르는 전류에 의해 자기장이 발생하고, 이러한 자기장 발생에 의해 MR유체의 점성이 더욱 높아지게 되어 댐핑력을 강화할 수 있게 된다.

코일이 감긴 코어는 피스톤으로서 상하운동을 하지 않고 바닥면에 고정된다. 즉 본 발명에 따른 도 11과 같은 구조에서는 코어(441)가 바닥에 고정된다.

또한 에어스프링의 하중지지부(415) 하부에는 케이지(cage)(450)가 설치되어 하중판(20)의 진동에 따라 케이지(450)가 MR유체 내부에서 진동하게 된다. 케이지(450)는 하중에 따라 아래로 이동할 경우 상기 MR유체면과 평행하게 접촉하는 상부의 멤브레인(mebrane)(451) 및, 댐퍼 하우징 내부에서 상기 코어를 감싸는 형태로 위치하는 측면부(452)를 구비하는데, 이러한 측면부(452)가 MR유체(430) 내에서 댐핑력을 받게 된다. 이러한 케이지 측면부(452)가 MR유체로부터 받는 힘은 상대적으로 작게 되나, 하부의 MR유체로부터 받는 충격을 훨씬 감소시킴으로써 좀더 안정적인 댐핑을 가능하게 한다. 멤브레인(451)은, MR유체와 접촉할 경우 MR유체가 넘치지 않게 하며 수용할 수 있도록 탄성재질로 구성되는 것이 바람직하다.

또한 케이지 측면부(452)에는 다수의 구멍(453)을 구비한다. 이러한 구명(453)들은 코일(442)에서 발생하는 자기장의 전달을 제어할 수 있다. 즉, 케이지 측면부(452)는 자기장의 흐름을 차단하는 재질로 구성되는데, 이러한 케이지 측면부(452)에 다수의 구멍을 구비함으로써, 구멍을 통하여 발생하는 자기장을 일부 통과시키게 된다. 구멍을 통하여 일부 자기장을 통과시켜 MR유체가 전체적으로 점성이 높아지도록 하는 동시에, 케이지 측면부(452)의 구멍 아닌 부분을 통해 자기장을 차단함으로 케이지(450) 내부의 MR유체의 점성이 상대적으로 더 크게 된다. 이를 통해 케이지(450)의 수평방향 진동을 방지하는 역할을 하게 되어 전체적으로 볼 때 수직방향 뿐 아니라 수평방향의 방진특성도 향상되게 된다. 구멍의 수, 위치 및 넓이는 요청되는 방진특성에 맞추어 실험을 거쳐 다양한 형태로 정할 수 있게 된다.

도 13은 MR유체를 파라핀으로 사용한 경우 제진 특성의 일 실시예를 도시한 그래프이고. 도 14는 MR유체를 실리콘으로 사용한 경우 제진 특성의 일 실시예를 도시한 그래프이다. 전류를 가했을 때, 도 14의 경우가 더욱 진동을 줄이고 안정적인 제진 효과를 내는 것을 확인할 수 있다.

도 13 및 도 14에서, 위 그래프는 가로축은 진동 주파수, 세로축은 진동 속도(좌측 축) 및 변위(우측 축)이며, 아래 그래프는 가로축은 시간, 세로축은 진동 가속도를 의미한다.

도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변위 검출 장치를 나타낸 도면으로, 본 발명에 따른 변위 검출 장치는 신호 발생부(200)와, 신호 변환부(300)와, 신호 처리부(400)와, 표시부(500)로 구성된다. 도 15에 도시된 변위 검출 장치는 도 1의 통합제진 시스템에서 갭 센서(Gap Sensor)(40)를 나타내는 것으로, 이에 대해서는 하기에서 상세하게 설명하기로 한다.

상기 신호 발생부(200)는 도시된 바와 같이 검출 대상물(100)에 근접하여 위치하며, 코일 센서(210)와, 발진기(220)와, 파형 변환기(230)로 구성된다.

상기 코일 센서(210)는, 검출 대상물(100)에 근접하여 상기 코일 센서(210)에 전원이 인가되면, 인가된 전원에 의해 와전류가 발생하고 발생한 와전류에 의해 검출 대상물(100)과 코일 센서(210)의 고주파 자계는 서로 상쇄하는 방향으로 작용하므로 고주파 임피던스가 변하게 되는데, 이와 같은 내용은 도 16을 참조한다.

도 17은 본 발명을 설명하기 위한 코일과 검출 대상물 사이의 전자기적 관계를 나타낸 등가회로도로, 코일 센서(210)와 금속물체 즉 검출 대상물(100) 사이의 전자기적 관계는 변압기(Transformer)로 생각할 수 있다. 1차 코일은 권선저항과 자기인덕턴스(Self Inductance)로 나타낼 수 있고, 검출 대상물(100) 또한 적절한 저항과 자기 인터턱스로 표현할 수 있다. 또한 이 둘은 전자기적으로 결합되므로, 상호 인덕터스가 작용한다. 이러한 관계는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

1차 (코일 센서 부분) :

--- (1)

2차 (검출 대상물 부분) :

--- (2)

(1),(2) 식을 Matrix 형태로 표현하면 다음과 같다.

--- (3)

--- (4)

이므로,

을 구하면 다음과 같다.

--- (5)

1차측에서 바라본 등가 임피던스를 Z라고 하면

,

--- (7)

로 나타낼 수 있다.

따라서,

과

은 다음과 같다.

*

--- (8)

--- (9)

또한

--- (10)

여기서

,

은 1차 코일의 구조와 물성에 의해 결정되는 저항과 자기 인덕턴스(self-inductance)이고,

,

는 와전류경로, 비저항

, 투자율

에 의해 결정되는 저항과 자기 인던턱스이다. 또한

은 센서코일과 금속체 사이의 거리

에 의존하는 상호 인덕턴스(Mutual inductance)이다.

즉, 1차측에서 바라본 등가 임피던스는 주파수

, 비저항

, 투자율

, 거리

의 함수이며, 내부온도

의 영향을 포함한 함수

로 나타낼 수 있다.

이중에서 주파수

, 비저항

, 투자율

의 변동폭이 매우 작다면 다음과 같이 적절한 함수관계로 간소화할 수 있다.

이어서, 상기 신호 발생부(200)의 발진기(220)는 상기 코일센서(210)로부터 감지된 변위 신호에 고주파 전류를 발생시키는 것으로 상기 발진기(220)의 개념은 도 18과 같다.

도 18에 도시된 바와 같이,

이므로, 정궤환에 의해 안정적인 발진이 가능하려면 외부입력

가 없어도 출력신호가 생성되어야 하므로,

을 만족해야 한다.

따라서, 본 발명에서는 정궤환(Positive Feedback)에 의해 공진회로의 공진주파수로 발진하고, DC 부궤환(Negative Feedback)을 이용한 저주파 안정성 향상을 도모한다.

상기 신호 발생부(200)의 파형 변환기(230)는 상기 검출 대상물(100)의 거리에 따라 변하는 변위 신호, 즉 사인파형 신호를 구형파 신호로 변환하여 출력한다.

이어서, 상기 신호 변환부(300)는 위치 카운터기(320)와, 속도 카운터기(330), 그리고 상기 위치 카운터기(320)와 속도 카운터기(330)를 제어하는 제어기(310)로 구성된다.

상기 위치 카운터기(320)는, 상기 신호 발생부(200)에서 발생된 변위 신호에 임의의 주기적인 신호를 인가해 클럭당 변환되는 펄스 신호를 카운트 한다.

예를 들면, 임의의 주기적인 신호가 20MHs 이고 상기 변위 신호의 한 클럭이 1ms 일 경우, 상기 한 클럭에서 변환된 펄스 신호를 카운트하는 것이다.

상기 속도 카운터기(330)는 상기 위치 카운터기(320)에서 카운트된 펄스 신호의 클럭을 임의의 클럭으로 나누어, 이 나누어진 클럭에서의 펄스 신호를 카운트 한다.

예를 들면, 상기 변위 신호의 클럭이 1ms 일 경우, 이 1ms의 클럭을 0.2ms로 나누어, 이 나누어진 0.2ms의 클럭에서 변환된 펄스 신호를 카운트하는 것이다.

여기서, 주파수 변화와 위치 카운터의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

이고,

여기서,

= 기준 Crystal 주파수 ( 20 MHz 부근)

= Tuned Oscillator 주파수 ( 300 KHz 부근)

= 계측 주기 주파수 ( 200 Hz 부근)

=

보다 크지 않은 최대 정수 (gauss function) 이다.

예를 들어,

센서에 물체가 접근하여 주파수가 변할 때,

= 주파수 변화율

= 20MHz,

= 200Hz,

=0.01 인 경우

,

=

보다 크지 않은 최대 정수

이다.

그리고, 상기 신호 처리부(400)는 상기 신호 변환부(300)에서 변환된 펄스 신호에 대응하는 변위값을 얻어내는데, 상기 신호 변환부(300)에서 카운트된, 한 클럭당 발생한 펄스 신호의 개수에 대응하는 값으로 상기 검출 대상물(100)의 변위 및 속도를 검출한다. 즉, 상기 신호 변환부(300)의 위치 카운터기(320)에서 카운트된 펄스 신호의 개수에 의하여 변위값을 측정할 수 있고, 속도 카운터기(330)에 의해서 카운트된 펄스 신호에 의하여 변위 속도를 측정할 수 있다.

또한, 상기 신호 처리부(400)는 다수개로 구성된 신호 변환부(3000에서의 변환된 신호도 처리 가능하고, 상기 검출 대상물(100)의 내부 온도에 대응하는 값을 테이블화시켜 상기 변위값의 보정 처리도 가능하다.

상기 표시부(500)는 상기 신호 처리부(400)로부터 얻어낸 상기 검출 대상물의 변위값을 표시한다.

도 19는 본 발명에 따른 변위 검출 장치의 특성 곡선을 나타낸 그래프로, 변위 검출 장치를 250Hz의 샘플링 주파수에서 동작시켰을 때, 변위에 따른 변위 검출 장치의 출력을 측정하였다. 변위 검출 장치(센서)의 동작범위는 약 0~9mm 이고, 기준 동작위치 2mm를 기준으로 +/-2mm 진폭에 대해 변위 검출 장치의 분해능은 0.09~0.23um (@0~4mm)로 확인되었다.

도 20은 본 발명에 따른 변위 검출 장치의 커브 피팅(Cruve Fitting)을 나타낸 그래프로,

이다.

여기서, y=변위 검출 장치의 출력 (Count), x=변위 (mm)

도 21은 본 발명에 따른 변위 검출 장치의 감도 곡선을 나타낸 그래프이다.

감도는 변위 검출 장치의 출력 1Count 변화당 거리를 나타낸다.

상기 커브 피팅(Curve Fitting) 결과에서 얻은 변위-변위 검출 장치의 출력 관계식은 다음과 같다.

여기서, y=센서출력 (Count), x=변위 (mm)

이다.

거리에 따른 센서감도 S(x)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는

의 역함수이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

30 : 마운트(Mount)
40 : 센서
50 : DSP 제어기
91: 이동체(Moving Mass)
92 : 석정반

Claims

제진 마운트 장치로서,
상부에서 가해지는 하중을 상쇄하는 에어스프링; 및
밑면이 개방되고 내부가 빈 통 형상으로서 상기 에어스프링의 하중지지부의 하부에 연결되어, 상기 에어스프링의 진동에 따라 MR 유체 내에서 진동하면서 상기 하중에 따른 진동을 감소시키는 케이지
를 포함하는 제진 마운트 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 에어스프링은,
내부에 공간을 가지는 통 형상의 측벽과, 상기 측벽 상단과 탄성부재를 통해 연결된 상판과, 일측은 상기 상판과 연결되고 타측은 상부의 하중판 연결로드와 연결된 하중 지지부를 구비하는 것
을 특징으로 하는 제진 마운트 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 에어스프링 내부에 설치되며, 바닥이 있고 윗면이 개방된 통 형상의 댐퍼 하우징;
상기 댐퍼 하우징 내부에 충진되는 MR유체;
상기 댐퍼 하우징 내부 바닥면에 고정되어 설치되는 원기둥 형상의 코어; 및
상기 코어 주위에 감기는 코일
을 더 포함하고,
상기 케이지는,
상기 하중 지지부의 하부에 연결되어, 상기 댐퍼 하우징 내부에서 상기 코어를 감싸는 형태로 위치하는 것
을 특징으로 하는 제진 마운트 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 케이지는,
상기 MR유체면과 평행한 상태로 형성되어, 하중에 따라 아래로 이동하는 멤브레인; 및
상기 멤브레인 하부에 연결되며, 밑면이 개방되고 내부가 빈 통 형상인 케이지 측면부
를 구비하는 것을 특징으로 하는 제진 마운트 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 케이지 측면부는,
자기장의 흐름을 차단하는 재질로 구성되는 것
을 특징으로 하는 제진 마운트 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 케이지 측면부는,
상기 코일에 전류가 흐름에 따라 발생하는 자기장을 통과시키는 다수의 구멍을 구비하는 것
을 특징으로 하는 제진 마운트 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 멤브레인은,
탄성 재질로 구성되는 것
을 특징으로 하는 제진 마운트 장치.