KR20240086547A - 구성가능한 피드포워드 제어를 갖는 모션 시스템 - Google Patents

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바실 르나우드 그라프
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에텔 쏘시에떼 아노님
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Abstract

본 발명은 모션 하드웨어 시스템(100)과, 모션 하드웨어 시스템(100)의 운동을 제어하도록 구성된 모션 제어 시스템(200)을 포함하는 모션 시스템(10)에 관한 것이다. 하드웨어 시스템(100)은 모션 스테이지(102), 모션 스테이지(102)를 지지하는 플랫폼(110), 지면(300)에 안착되는 기계 프레임(116)을 포함한다. 플랫폼(110)은 베이스(112)와, 상기 베이스(112)와 기계 프레임(116) 사이에 배열된 능동형 방진 시스템(114)을 포함한다. 능동형 방진 시스템(114)은 베이스(12)의 적어도 3개의 자유도(DOF) 작동을 함께 제공하는 액추에이터를 포함한다. 모션 제어 시스템(200)은, 베이스(112)에 반작용력(F)을 가함으로써, 작동 시에 모션 스테이지(102)에 의해 베이스(112)에 가해진 예상된 반력을 보상하기 위해 능동형 방진 시스템(114)의 적어도 3개의 자유도(DOF) 작동을 제어하는 방진 시스템 컨트롤러(230)를 포함하는 피드포워드 제어(210)를 포함한다. 피드포워드 제어(210)는 모션 스테이지(102)의 토폴로지에 기초하여 모션 방정식을 정의하는 문자열을 저장하기 위한 메모리(224)와, 상기 문자열을 처리하여 상기 반작용력(F)을 연산하는 처리 유닛(222)을 포함한다.

Description

구성가능한 피드포워드 제어를 갖는 모션 시스템{MOTION SYSTEM WITH A CONFIGURABLE FEEDFORWARD CONTROL}
본 발명은 장비, 특히 반도체 처리 장비에 운동을 부여하기 위한 모션 스테이지를 포함하는 모션 시스템에 관한 것이다. 모션 스테이지는 능동형 방진 시스템(active vibration isolation system)에 안착된 베이스에 장착된다. 능동형 방진 시스템은 작동 시에 베이스의 모션 스테이지에 의해 가해지는 예상된 반력(reactions force)을 보상하기 위해 구성가능한 피드포워드 제어로 제어된다.
정밀 모션 시스템, 특히 위치설정 장치, 좌표 측정 기계 또는 로봇과 같은 반도체 처리 장비는 US 6'021'991호에 개시된 바와 같이 지면 진동으로부터 정밀 모션 시스템을 격리하기 위한 소위 능동형 격리 시스템(active isolation systems)을 포함한다. 능동형 격리 시스템은 일반적으로 정밀 모션 시스템이 장착될 수 있는 화강암 베이스와 바닥에 놓이는 기계 프레임 사이에 조립되는 몇개의 능동형 베어링을 포함한다. 따라서, 능동형 격리 시스템은 가능한 적은 기생 운동으로 정말 모션 시스템의 작동을 보장하며, 그 결과 높은 위치설정 또는 측정 정확도가 얻어진다.
정밀 모션 시스템에 의해 생성된 반력을 보상하기 위해 피드포워드 제어를 사용하는 것이 알려져 있다. 이러한 보상 체계는 공지된 스테이지 모션을 사용하여 액추에이터에 의해 베이스에 가해지는 힘 및 토크를 연산하여 반력을 보상하고, 그에 따라 원치 않는 베이스 모션을 방지한다.
EP0502578호는 장치의 기계 프레임에 고정된 렌즈 시스템을 갖는 광학 리소그래피 장치에서의 피드포워드 제어의 구현례를 개시한다. 광학 리소그래피 장치는 렌즈 시스템 아래에 위치된 모션 스테이지를 포함하며, 그에 의해 대물 테이블(object table)이 모션 스테이지에 결합된 지지 부재의 가이드 표면 위에서 렌즈 시스템에 대해 변위될 수 있다. 광학 리소그래피 장치에는 장치의 기준 프레임에 고정되고 피드포워드 제어에 의해 제어되는 힘 액추에이터 시스템(force actuator system)을 구비한다. 힘 액추에이터 시스템은 작동 중에 모션 스테이지에 의해 지지 부재에 동시에 가해지는 반력의 방향과 반대되는 방향으로, 그리고 반력의 값과 실질적으로 동일한 값으로 기계 프레임에 보상력을 가한다. 또한, 상기 장치는 광학 리소그래피 장치가 장착된 지면으로부터 전달되는 지진력(seismic forces)과 같이 대물 테이블 상의 위치설정 장치에 의해 가해지는 구동력 이외의 힘에 의해 발생되는 기계 프레임의 운동을 방지하기 위한 피드백 댐핑 시스템을 구비한다.
EP1803969호는 모션 스테이지, 피드포워드 제어 및 피드백 댐핑 시스템을 포함하는 또 다른 모션 시스템을 개시한다. 피드포워드 제어는 모션 스테이지에 의해 발생된 관성력의 영향을 보상하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 모션 스테이지 역학을 고려하기 위해 준연속 힘(quasi-continuous forces)을 적절하게 필터링하기 위한 모션 스테이지의 가동 부품의 전달 함수와, 갑자기 발생할 수 있는 힘의 모델을 수반하는 메모리를 포함한다.
전술한 종래 기술의 모션 시스템의 피드포워드 제어는 모션 스테이지 자유도의 특정 토폴로지에 의존하는 것이 불편하다. 이러한 점에서, EP0502578호는 평면에서 X 및 Y 방향으로 이동할 수 있고 평면 내 반력의 보상을 요구하는 모션 스테이지를 개시하는 반면, EP1803969호는 단지 1개의 자유도를 갖는 모션 스테이지를 개시한다. 그러나, 상이한 유형과 자유도를 갖는 매우 다양한 모션 스테이지 토폴로지가 있다. 모션 스테이지 운동에 기초하여 보상할 반작용력의 연산은 모션 방정식을 사용하여 피드포워드 제어 내에서 수행된다. 반작용력을 연산하려면 각 동작 단계 토폴로지 유형에 맞게 조정해야 한다.
모션 스테이지 토폴로지에 기초한 반작용력의 연산은 현장에서 수행될 수 없는 프로그래밍 언어의 프로그래밍 및 컴필레이션을 의미한다. 개발 단계 동안 모션 스테이지 토폴로지가 변경되는 경우, 피드포워드 제어를 위한 새로운 프로그램을 컴파일해야 하는데, 이는 번거롭고 느리다. 또한, 상이한 모션 스테이지 토폴로지를 지원하기 위해, 모션 시스템은 각 토폴로지에 해당하는 모션 방정식을 실행하기 위해 다양한 프로그램의 라이브러리를 저장해야 하며, 이로 인해 이전 버전과의 호환성이 깨지는 것을 방지하기 위해 이러한 프로그램 중 어느 것도 라이브러리에서 제거될 수 없다. 시간이 지남에 따라 더 이상 사용되지 않는 항목이 많은 라이브러리를 유지 관리하는 것은 심각한 부담이 되고 비용이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 모션 스테이지의 특정 토폴로지에 쉽게 적응할 수 있는 피드포워드 제어를 갖는 모션 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 현장에서 직접 임의의 새로운 모션 스테이지 토폴로지에 적응될 수 있는 모션 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 특히 하드웨어 시스템과, 하드웨어 시스템의 운동을 제어하도록 구성된 모션 제어 시스템을 포함하는 모션 시스템에 의해 달성된다. 하드웨어 시스템은 모션 스테이지, 모션 스테이지를 지지하는 플랫폼, 및 지면에 놓인 기계 프레임을 포함한다. 상기 플랫폼은 베이스와, 상기 베이스와 기계 프레임 사이에 배열된 능동형 방진 시스템을 포함한다. 상기 능동형 방진 시스템은 베이스의 적어도 3개의 자유도(DOF) 작동을 함께 제공하는 액추에이터를 포함한다. 모션 제어 시스템은, 베이스에 반작용력을 가함으로써, 작동 시에 모션 스테이지에 의해 베이스에 가해지는 예상 반력을 보상하기 위해 능동형 방진 시스템의 적어도 3개의 자유도 작동을 제어하는 방진 시스템 컨트롤러를 포함하는 피드포워드 제어를 포함한다. 상기 피드포워드 제어는 조작자에 의해 입력된 문자열을 저장하고 모션 스테이지의 토폴로지에 기초하여 모션 방정식을 정의하는 메모리와, 상기 문자열을 처리하여 상기 반작용력을 연산하는 처리 유닛을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 모션 제어 시스템은 모션 스테이지의 모션 축의 위치 및 가속도를 획득하도록 구성된 적어도 하나의 위치 컨트롤러, 마스터 컨트롤러 및 디지털 버스를 더 포함한다. 상기 마스터 컨트롤러는 모션 방정식에 대응되는 모션 스테이지의 모션 축의 위치 및 가속도에 대한 데이터를 수신하여 처리하도록 구성된다. 상기 디지털 버스는 적어도 하나의 위치 컨트롤러를 마스터 컨트롤러에 연결하고, 마스터 컨트롤러를 능동형 방진 시스템 컨트롤러에 연결한다. 상기 마스터 컨트롤러는 문자열에 기초하여 반작용력을 실시간으로 연산하고, 연산된 반력을 능동 방진 시스템 컨트롤러로 전송하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 마스터 컨트롤러는 저장된 문자열을 편집하기 위한 사용자 인터페이스를 제공하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 사용자 인터페이스는 유선 또는 무선 네트워크를 통해 마스터 컨트롤러에 연결된다.
일 실시예에서, 상기 사용자 인터페이스는 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰 및/또는 터치 스크린을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 모션 시스템은 모션 스테이지의 상이한 토폴로지에 대응하는 모션 스테이지의 모션 방정식을 정의하는 사전결정된 문자열을 저장하기 위한 또 다른 메모리, 예를 들어 하드 드라이브를 더 포함하며, 이는 전용 소프트웨어를 사용하여 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 문자열은 하기 형식의 방정식에 대한 수학적 표현을 포함한다.
여기서,
는 적어도 3개의 자유도에서의 상기 반작용력의 벡터
는 각각의 모션 스테이지 축 위치 및 가속도의 벡터
는 조정가능한 매개변수의 벡터
는 주어진 모션 스테이지 토폴로지에 대한 모션 방정식을 정의하는 함수
일 실시예에서, 조정가능한 매개변수는 질량, 치수, 각운동량 및/또는 관성을 나타내는 항목을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 모션 시스템은 베이스의 운동에 대한 3개 또는 6개의 자유도 측정값을 함께 제공하기 위한 능동형 방진 시스템 내의 센서와, 상기 지면으로부터 전달된 지진력에 의해 발생되는 임의의 진동을 댐핑하기 위해 상기 센서의 출력에 기초하여 능동형 방진 시스템의 3개 또는 6개의 자유도 액추에이터를 제어하는 댐핑 컨트롤러를 더 포함한다.
하는
일 실시예에서, 상기 조정가능한 매개변수의 벡터()의 조정은 상기 댐핑 컨트롤러에 의해 생성된 출력 신호의 에너지를 감소시키는 매개변수 세트를 찾기 위해 상기 조정가능한 매개변수의 벡터의 그리드 탐색 조정(grid search tuning)을 실행하는 소프트웨어에 의해 수행된다.
일 실시예에서, 상기 조정가능한 매개변수 벡터()의 조정은 상기 댐핑 컨트롤러에 의해 생성된 출력 신호의 에너지를 감소시키는 상기 모션 방정식의 도함수에 기초하여 상기 조정가능한 매개변수 벡터의 모델 기반 감도 분석 조정(model-based sensitivity analysis tuning)을 실행하는 소프트웨어에 의해 수행된다.
본 발명은 예로서 제공되고 도면에 도시된 몇 가지의 실시예의 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이다.
- 도 1은 모션 하드웨어 시스템과, 모션 스테이지의 예상된 운동의 함수로서 하드웨어 시스템을 제어하도록 구성된 모션 제어 시스템을 포함하는 모션 시스템의 블록도를 도시한다.
- 도 2는 제1 토폴로지의 모션 스테이지를 포함하는 도 1의 모션 시스템의 개략도를 도시한다.
- 도 3은 도 2의 모션 제어 시스템의 피드포워드 제어 및 피드백 댐핑 시스템의 블록도를 도시한다.
- 도 4는 다른 토폴로지를 갖는 모션 스테이지를 포함하는 도 2의 하드웨어 시스템과 유사한 모션 하드웨어 시스템의 개략도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 모션 시스템(10)은 모션 하드웨어 시스템(100)과, 모션 하드웨어 시스템(100)의 모션 스테이지(102)를 제어하고 디지털 버스(260)를 통해 능동형 방진 시스템(114)를 제어함으로써 모션 스테이지(102)에 의해 베이스(112) 상에 가해지는 예상된 반력을 보상하도록 구성된 모션 제어 시스템(200)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 모션 하드웨어 시스템(100)은 특정 토폴로지의 모션 스테이지(102), 모션 스테이지(102)를 지지하는 지지 조립체(110), 지지 조립체(110)를 지지하고 지면(300)에 안착되는 기계 프레임(116)을 포함한다. 지지 조립체(110)는 베이스(112), 예컨대 화강암 슬래브, 및 베이스(112)와 기계 프레임(116) 사이에 장착된 능동형 방진 시스템(114)을 포함한다.
모션 스테이지(102)의 고정 부분은 베이스(112)에 고정된다. 능동형 방진 시스템(114)은 베이스(112)의 적어도 3개의 자유도(DOF) 작동을 함께 제공하는 액추에이터(미도시)를 포함한다. 도 2의 예시된 실시예에서, 모션 스테이지(102)는 좌표계(x, y, z)에서 2개의 직교 축(x, y)을 따라 그 캐리지를 이동하도록 배열된 제1 및 제2 선형 모션 축(103a, 103b)을 포함한다. 도 2의 실시예에서, 제2 선형 모션 축(103b)은 제1 선형 모션 축(103a)의 캐리지에 부착됨으로써 제1 선형 모션 축(103a) 상에 적층된다. 따라서, 제1 선형 모션 축(103a)으로 운동을 수행할 때, 이동 질량은 제1 선형 모션 축(103a)의 캐리지 질량과 제2 선형 모션 축(103b)의 전체 질량의 합이 된다. 모션 방정식은 반작용력을 연산하기 위해 이를 고려해야 한다. 토폴로지가 반전되어 제1 선형 모션 축(103a)이 제2 선형 모션 축(103b) 위에 적층되는 경우, 이러한 토폴로지에 대응하는 다른 모션 방정식이 필요할 것이다.
도 3을 참조하면, 모션 제어 시스템은 능동형 진동 방진 시스템(114)의 적어도 3개의 자유도 작동을 제어하기 위한 방진 시스템 컨트롤러(230)를 포함하는 피드포워드 제어(210)를 포함하여, 베이스(112) 상에 반작용력(F)을 가함으로써, 모션 스테이지(102)가 장비, 특히 반도체 처리 장비를 특정 위치로 이동하는 작동 하에 있을 때 베이스(112) 상의 모션 스테이지(102)의 제1 및 제2 선형 모션 축(103a, 103b)의 운동에 의해 가해지는 예상된 반력을 보상하여, 베이스 상의 모션 스테이지에서 발생되는 반력에 영향을 받지 않는 정확한 위치 결정 시스템을 제공한다.
피드포워드 제어(210)는 모션 스테이지(102)의 토폴로지에 기초하여 모션 방정식을 정의하는 문자열을 저장하기 위한 메모리(224)와, 반작용력 벡터(F)를 연산하기 위해 문자열을 처리하는 처리 유닛(222)을 포함한다.
유리하게는, 반작용력 벡터(F)를 결정하는 문자열은 사용 전에 컴파일될 필요가 없기 때문에 특정 프로그래밍 언어로 제공될 필요가 없다. 이러한 특징은 모션 스테이지의 토폴로지와 관련하여 중요한 수준의 유연성을 허용한다.
일 실시예에서, 사용자는 반작용력(F)을 연산하기 위해 처리 유닛(222)에 의해 해석될 문자열을 포함하는 텍스트 파일을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 사용자는 반작용력(F)을 연산하기 위해 처리 유닛(222)에 의해 해석될 문자열을 생성하기 위해 그래픽 프로그래밍 언어 또는 그래픽 시스템 모델링을 사용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 모션 제어 시스템은 모션 스테이지(102)의 제1 및 제2 위치 컨트롤러(250a, 250b)를 포함한다. 제2 위치 컨트롤러(250b)는 y 축을 따라 제1 선형 모션 축(103a)을 구동하고, 제2 선형 모션 축(103b)이 부착된 그 캐리지의 운동의 위치(y) 및 가속도()를 획득하도록 구성된다. 제1 위치 컨트롤러(250a)는 x 축을 따라 제2 선형 모션 축(103b)을 구동하고, 그 캐리지의 운동에 대한 위치(x) 및 가속도()를 획득하도록 구성된다. 모션 제어 시스템(200)은 마스터 컨트롤러(220)와, 제1 및 제2 위치 컨트롤러(250a, 250b)를 마스터 컨트롤러(220)에 연결하고, 마스터 컨트롤러(220)를 능동형 방진 시스템 컨트롤러(230)에 연결하는 디지털 버스(260)를 더 포함한다.
마스터 컨트롤러(220)는 디지털 버스(260)를 이용하여 트랜스미션 수단으로서 작동할 때 그리고 반작용력 벡터(F)를 연산하는 문자열에 따라서 모션 스테이지(102)의 제1 및 제2 선형 모션 축(103a, 103b)의 위치(x, y) 및 가속도()에 대한 데이터를 수신하여 처리하도록 구성된다. 마스터 컨트롤러(220)의 연산 능력은 문자열이 사용자에 의해 수정될 때마다 문자열의 해석을 통해 수학적 표현과 일련의 수학적 연산을 유도할 수 있게 해준다. 마스터 컨트롤러(220)의 연산 능력은 또한 상기 수학적 연산 시퀀스를 사용하여 반작용력 벡터(F)를 거의 실시간으로 연산할 수 있게 해준다. 연산된 반작용력 벡터(F)는 모션 하드웨어 스테이지(100)의 지지 조립체(110)의 액추에이터를 제어하여 모션 스테이지에 의해 생성된 반력에 대응하도록 디지털 버스(260)를 사용하여 능동형 방진 시스템 컨트롤러(230)로 전송된다.
유리하게는, 마스터 컨트롤러(220)는 조작자가 반작용력(F)을 결정하는 모션 방정식을 입력 및/또는 편집할 수 있게 하는 사용자 인터페이스를 포함한다. 일 실시예에서, 사용자 인터페이스는 사용자가 모션 스테이지의 토폴로지에 대응하는 문자열을 입력할 수 있게 해준다.
일 실시예에서, 사용자 인터페이스는 마스터 컨트롤러에 통합되거나 또는 유선 네트워크를 통해 마스터 컨트롤러에 연결될 수 있다. 대안적으로, 사용자 인터페이스는 무선 네트워크를 통해 마스터 컨트롤러에 연결되어 원격 장치에서 사용할 수 있다.
사용자 인터페이스는 예를 들어 사용자가 문자열을 포함하는 파일을 전송할 수 있게 해주는 USB 포트와 같은 데이터 전송을 위한 간단한 버스일 수 있다. 대안적으로 또는 보완적으로, 사용자 인터페이스는 사용자가 문자열을 마스터 컨트롤러(220)에 직접 입력(쓰기)하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스는 컴퓨터, 원격 연결된 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰 또는 임의의 다른 전자 장치를 구비하여 마스터 컨트롤러와 데이터를 공유할 수 있다.
제1 및 제2 위치 컨트롤러(250a, 250b)는 마스터 컨트롤러의 컴퓨팅 시간과 디지털 버스 대기시간을 고려하기 위해 모션 스테이지(102)의 제1 및 제2 선형 모션 축(103a, 103b)을 구동하기 위한 신호를 수 밀리초만큼 지연시키는 지연 회로(delayed circuit)를 각각 포함한다. 이는 능동형 방진 시스템(114)의 액추에이터가 모션 스테이지(102)에 의해 베이스(112)에 가해지는 반력과 동기화되어 능동형 방진 시스템 컨트롤러(230)에 의해 제어되는 것을 보장한다.
유리한 실시예에서, 능동형 방진 시스템(114)은 베이스(112)의 운동에 대한 3개 또는 6개의 작유도(DOF) 측정값을 함께 제공하기 위한 관성 센서, 예를 들어 지진 센서(미도시)를 더 포함한다. 지지 조립체는, 각각의 샘플링 주기에서, 예를 들어 지면(300)으로부터 전달되는 지진력에 의해 야기되는 임의의 진동을 댐핑하도록 관성 센서의 출력에 기초하여 능동형 방진 시스템(114)의 액추에이터를을 제어하기 위해 관성 센서로부터 댐핑 컨트롤러(245)로 측정값을 전달하는 피드백 댐핑 시스템(240)을 포함한다. 댐핑 컨트롤러(245)의 힘 벡터 출력은 연산된 반작용력(F)에 추가되고, 베이스(112)의 적어도 3개의 자유도(DOF) 작동을 제공하는 액추에이터(미도시)에 대한 힘 기준으로 사용된다. 따라서, 모션 시스템(10)은 지면(300)으로부터의 진동으로부터 격리되면서 모션 스테이지의 반력에 대응할 수 있다.
문자열은 상이한 사전 정의된 모션 스테이지 토폴로지에 대응하는 구성가능한 모션 방정식 세트를 포함할 수 있는 구성 파일로부터 검색될 수 있다. 이러한 파일은 마스터 컨트롤러(220)의 메모리(224)에 다운로드될 수 있다.
반작용력(F)을 연산하기 위해 마스터 컨트롤러(220)에 의해 사용되는 방정식은 으로 표현될 수 있으며, 여기서
는 적어도 3개의 자유도에서의 상기 반작용력의 벡터이고,
는 각각의 모션 스테이지 축 위치 및 가속도의 벡터이고,
는 조정가능한 매개변수의 벡터이고,
는 주어진 모션 스테이지 토폴로지에 대한 모션 방정식을 정의하는 함수이다.
모션 방정식은, 각각의 샘플링 주기에서, 모션 스테이지 반력을 보상하기 위한 6개의 자유도 시스템에 대한 3개의 힘() 및 3개의 토크()를 연산하기 위해 적어도 3개의 표현 형태로 제공된다. 힘의 연산은 뉴턴의 제2 운동 법칙 및 이에 상응하는 회전 운동을 이용한다. 토크 값의 표현에는 모션 스테이지가 평면 내에서 이동할 때 베이스를 수평으로 유지하기 위한 중력 보상이 포함될 수 있다.
조정가능한 매개변수의 벡터()는 모션 스테이지의 질량, 길이, 폭, 높이, 직경과 같은 치수, 각운동량 및 관성을 나타내는 항목을 포함한다. 반작용력(F)을 결정하는데 필요한 임의의 다른 관련 물리량이 조정가능한 매개변수의 벡터에 포함될 수 있다.
모션 제어 시스템은 이러한 조정가능한 매개변수의 값을 편집하기 위한 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.
조정가능한 매개변수의 벡터()의 하나 이상의 매개변수는 제어 모션 시스템의 성능을 향상시키기 위해 전용 소프트웨어를 사용하여 조정될 수 있다. 문자열은 소프트웨어에 제공되어 매개변수-조정 실험을 실행할 수 있는 반작용력을 결정하는 방정식을 평가할 수 있다.
일 실시예에서, 하나 이상의 매개변수를 동시에 최적화하기 위해 그리드 탐색 매개변수 조정(grid search parameter tuning)이 소프트웨어에 의해 수행될 수 있다. 일반적으로, 조정가능한 매개변수 벡터()의 두 매개변수()가 동시에 조정되어야 한다. 각 테스트 매개변수 쌍()에 대해, 모션 스테이지의 스테이지 모션을 반복한다. 각 실험에 대해, 베이스(112)의 모션을 측정한다. 그런 다음, PCA(주성분 분석)와 같은 차원 축소 알고리즘을 사용하여 비용 함수를 정의할 수 있다. 이러한 비용 함수의 최소값은 반작용력(F)을 연산하는데 사용할 수 있는 최상의 매개변수 쌍을 제공한다. 비용 함수는 상기 댐핑 컨트롤러에 의해 생성된 출력 신호의 에너지로 정의될 수 있다.
다른 실시예에서, 신속-수렴 조정 방식을 허용하는 모델 기반 민감도 분석 조정이 수행된다. 여기서, 표현 "모델 기반"이란 분석이 동작 단계의 토폴로지에 해당하는 특정 동작 방정식과, 그에 따른 반작용 힘을 고려한다는 것을 의미한다. 도 3을 참조하면, 댐핑 컨트롤러(245)와 지지 조립체(110)를 포함하는 하부 부분은 선형 시스템에 의해 잘 근사될 수 있다. 더욱이, 모든 구성요소가 사용자에 의해 선택되고 정의될 수 있으므로 모션 스테이지 동역학은 일반적으로 높은 정확도로 모델링될 수 있다. 따라서, 반작용력(F)으로부터 측정 출력 으로의 전달 함수는 전용 소프트웨어를 사용하여 모델링하고 시뮬레이션할 수 있다. 상부, 즉 반작용력(F)을 연산하는 역할을 하는 피드포워드 제어(210)는 비선형적일 수 있다.
모델 기반 민감도 분석은 주어진 시작점 주위에서 조정가능한 매개변수의 벡터()를 형성하는 매개변수()에 대한 의 변화 추정에 의존한다. 즉, 측정 신호를 중심으로 에 대한 의 편미분을 추정한다. 그런 다음, 신호 로부터 유도된 비용 함수를 줄이기 위해 의 성분에 대한 업데이트가 연산된다. 이러한 방법은 온라인 매개변수 조정, 최적 제어, 반복 제어 및 반복 학습 제어에 대한 잘 정립된 이론을 기반으로 한다.
대안적으로 또는 보완적으로, 통신-버스 전송 시간 및/또는 전체 제어 루프 내의 다양한 누적 위상-지연을 보상하기 위한 지연 조정이 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 적용되는 이러한 지연은 모든 동작 스테이지 축에 대해 하나의 추가 매개변수(τ)로 간주된다. 그 감도는 이러한 매개변수(τ)에 대한 출력 신호 의 변화로 정의되며, 약간 상이한 단계 지연으로 수행된 추가 측정을 사용하여 유한 차이(finite differences)로 추정할 수 있다. 이러한 접근 방식은 설명된 양자의 조정 기술과 함께 사용할 수 있다.
도 4는 3개의 자유도, 즉 축(x, y)을 따른 2개의 직교 선형 운동 및 축(z)을 중심으로 한 하나의 회전 운동을 갖는 다른 토폴로지를 갖는 모션 스테이지(102)를 구비하는 모션 하드웨어 시스템(100)을 도시한다. 모션 방정식을 정의하는 이러한 레벨의 유연성은 지지 조립체(110)에 장착된 모션 스테이지의 사실상 모든 토폴로지의 반력 보상을 허용한다. 모션 스테이지는 적층된 선형 및 회전 시스템, 평행 기구학 시스템, 임의 개수의 자유도를 갖는 시스템 등일 수 있다.
더 복잡한 예에서, 사용자는 전체 작업 수를 줄이기 위해 중간 임시 변수를 도입할 수 있다. 모션 스테이지의 강체 모델에 해당하는 상기한 모션 방정식은 입력 또는 출력 필터의 일부 내부 동역학으로 확장될 수 있으므로, 모션 스테이지 및 모션 스테이지 제어에 대한 보다 자세한 모델링을 다룰 수 있다.
10: 모션 시스템
100: 모션 하드웨어 시스템
102: 모션 스테이지
103a, 103b: 제1 및 제2 선형 모션 축
110: 지지 조립체
112: 베이스(예컨대, 화강암 슬래브)
114: 능동형 방진 시스템
116: 기계 프레임
200: 모션 제어 시스템
210: 피드포워드 제어
220: 마스터 컨트롤러
222: 처리 장치
224: 메모리
230: 방진 시스템 컨트롤러
240: 피드백 댐핑 시스템
245: 댐핑 컨트롤러
250a, 250b: 위치 컨트롤러
252: 지연 타이머
260: 디지털 버스
300: 지면

Claims (12)

  1. 모션 하드웨어 시스템(100)(motion hardware system)과, 상기 모션 하드웨어 시스템(100)의 운동을 제어하도록 구성된 모션 제어 시스템(200)(motion control system)을 포함하는 모션 시스템(10)으로서, 상기 모션 하드웨어 시스템(100)은 모션 스테이지(102), 상기 모션 스테이지(102)를 지지하는 지지 조립체(110), 지면(300)에 안착되는 기계 프레임(116)을 포함하며, 상기 지지 조립체(110)는 베이스(112)와, 상기 베이스(112)와 상기 기계 프레임(116) 사이에 배치된 능동형 방진 시스템(114)(active vibration isolation system)을 포함하고, 상기 능동형 방진 시스템(114)은 상기 베이스(112)의 적어도 3개의 자유도(DOF) 작동을 함께 제공하는 액추에이터를 포함하고, 상기 모션 제어 시스템(200)은, 상기 베이스(112)에 반작용력(F)을 가함으로써, 작동시에 상기 모션 스테이지(102)에 의해 상기 베이스(112)에 가해지는 예상된 반력을 보상하기 위해 상기 능동형 방진 시스템(114)의 적어도 3개의 자유도(DOF) 작동을 제어하기 위한 방진 시스템 컨트롤러(230)를 포함하는 피드포워드 제어(210)(feedforward control)를 포함하는, 상기 모션 시스템(10)에 있어서,
    상기 피드포워드 제어(210)는 상기 모션 스테이지(102)의 토폴로지(topology)에 기초하여 모션 방정식을 정의하는 문자열(string of characters)을 저장하기 위한 메모리(224)와, 상기 반작용력(F)을 연산하기 위해 상기 문자열을 처리하는 처리 유닛(222)을 포함하는
    것을 특징으로 하는,
    모션 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모션 제어 시스템(200)은, 상기 모션 스테이지(102)의 모션 축의 위치(x; y) 및 가속도()를 획득하도록 구성된 적어도 하나의 위치 컨트롤러(250a, 250b)와, 상기 모션 방정식에 대응하는 상기 모션 스테이지(102)의 모션 축의 위치(x; y) 및 가속도()에 대한 데이터를 수신 및 처리하도록 구성된 마스터 컨트롤러(220), 및 상기 적어도 하나의 위치 컨트롤러(250a, 250b)를 상기 마스터 컨트롤러(220)에 연결하고 상기 마스터 컨트롤러(220)를 능동형 방진 시스템 컨트롤러(230)에 연결하는 디지털 버스(260)를 더 포함하고, 상기 마스터 컨트롤러(220)는 상기 문자열에 기초하여 반작용력(F)을 실시간으로 연산하고, 연산된 반작용력(F)을 상기 능동형 방진 시스템 컨트롤러(230)로 전송하도록 구성되는,
    모션 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마스터 컨트롤러(220)는 저장된 문자열을 입력 및/또는 편집하기 위한 사용자 인터페이스를 제공하도록 구성되는,
    모션 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스는 유선 또는 무선 네트워크를 통해 상기 마스터 컨트롤러에 연결되는,
    모션 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스는 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰 및/또는 터치 스크린을 포함하는,
    모션 시스템.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모션 스테이지의 다른 토폴로지에 대응하는 상기 모션 스테이지(102)의 모션 방정식을 정의하는 사전결정된 문자열을 저장하기 위한 다른 메모리를 더 포함하며, 이는 전용 소프트웨어를 사용하여 선택될 수 있는,
    모션 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 문자열은 하기 형식의 방정식에 대한 수학적 표현을 포함하는,
    모션 시스템.

    여기서,
    는 적어도 3개의 자유도에서의 상기 반작용력의 벡터
    는 각각의 모션 스테이지 축 위치 및 가속도의 벡터
    는 조정가능한 매개변수의 벡터
    는 주어진 모션 스테이지 토폴로지에 대한 모션 방정식을 정의하는 함수
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정가능한 매개변수의 벡터()는 질량, 치수, 각운동량 및/또는 관성을 나타내는 구성요소를 포함하는,
    모션 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 모션 제어 시스템(200)은 상기 조정가능한 매개변수의 벡터()의 값을 편집하기 위한 사용자 인터페이스를 제공하도록 구성되는,
    모션 시스템.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스(112)의 운동에 대한 3개 또는 6개의 자유도 측정값을 함께 제공하기 위한 상기 능동형 방진 시스템(114) 내의 센서와, 상기 지면(300)으로부터 전달된 지진력(seismic forces)에 의해 발생되는 임의의 진동을 댐핑하기 위해 상기 센서의 출력에 기초하여 상기 능동형 방진 시스템(114)의 3개 또는 6개의 자유도 액추에이터를 제어하는 댐핑 컨트롤러(245)를 포함하는 피드백 댐핑 시스템(240)을 더 포함하는,
    모션 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 조정가능한 매개변수의 벡터()의 조정은 상기 댐핑 컨트롤러(245)에 의해 생성된 출력 신호의 에너지를 감소시키는 매개변수 세트를 찾기 위해 상기 조정가능한 매개변수의 벡터의 그리드 탐색 조정(grid search tuning)을 실행하는 소프트웨어에 의해 수행되는,
    모션 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 조정가능한 매개변수 벡터()의 조정은 상기 댐핑 컨트롤러(245)에 의해 생성된 출력 신호의 에너지를 감소시키는 상기 모션 방정식의 도함수에 기초하여 상기 조정가능한 매개변수 벡터의 모델 기반 감도 분석 조정(model-based sensitivity analysis tuning)을 실행하는 소프트웨어에 의해 수행되는,
    모션 시스템.
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