위치 피드백의 획기적 성능을 구현하는 앱솔루트 엔코더 시스템, RESOLUTE™

RENISHAW

정밀 모션 스테이지 설계에서 불안정과 오류 원인을 완화하는 방법에는 여러 가지가 있다. 그중 제어 루프 아키텍처는 전체 설계의 맥락에서 엔코더 성능을 평가할 때 중요한 사항이다. 본문에서는 1nm 범위의 주기적 오류가 있는 미세 피치 증분형 엔코더를 요구하는 애플리케이션을 위한 Renishaw RESOLUTE™ 앱솔루트 엔코더 시스템을 소개한다.

표준 PID(Proportional Integral-derivative) 제어는 거의 90년 전에 발명됐다. 오늘날 까다로운 모션 제어 애플리케이션을 충족하기에는 부족한 경우가 많다. 최근 제어 기술은 마이크로 컨트롤러 처리 능력이 발전하면서 성장했다. 이들은 기능적 옵저버(observer)를 사용하여 시스템을 정밀하게 모델링한다. 사용자는 플랜트(모션 또는 기타)의 매개 변수와 함께 입력 전류와 위치 정보를 사용하고 시스템의 속도, 가속도 및 오류 정보를 추정할 수 있다.

RESOLUTE 인코더에 대한 ACS의 연구 결과

ACS의 ServoBoost™의 최신 서보 제어 알고리즘은 부하, 교란, 공진, 축간 상호 작용 및 코깅의 변화에 대해 실시간 자동 보상을 제공한다. 이를 통해보다 빠른 안정화 시간, 나노 미터 미만의 정지 위치 오류(지터)와 후속 오류를 줄일 수 있다. ServoBoost™의 유사한 알고리즘은 반도체 검사, 디스플레이 패널 검사, 전자 조립 및 의료 진단 산업의 고성능 서보 제어 애플리케이션을 위해 설계되었다.

예를 들어, 전자빔 리소그래피를 위한 나노 포지셔닝 스테이지는 일반적으로 1nm의 최소 스텝 크기와 불과 몇 마이크로 초의 안정화 시간이 가능하다. 모션 스테이지 성능에 영향을 미치는 요소에는 재료 강성, 베어링, 직진도, 축 직교성, 모터 유형과 엔코더 오류와 같은 스테이지 역학이 포함된다.

글로벌 머신 컨트롤러 제조업체인 ACS는 Renishaw와 협력하여 ServoBoost™ 제어 알고리즘으로 RESOLUTE 엔코더 시스템의 성능을 평가하도록 설계된 테스트 스테이지(그림 1)를 구축했다.

RESOLUTE with BiSS?는 개방형 BiSS 직렬 통신 프로토콜을 포함하라는 고객의 요청과 Renishaw의 조언에 따라 ACS 제어 알고리즘 제품군을 보완했다. 테스트 스테이지는 단일 1nm 분해능 RESOLUTE 엔코더와 대체 초 미세 피치(400nm) 레이저 회절 기반 시스템이 장착된 크로스 롤러 베어링이 적용된 선형 서보 스테이지였다. 테스트에서는 제어 알고리즘이 '켜짐’ 상태 일 때마다 표준 PID 제어에 비해 스테이지 성능이 현저하게 개선된 것으로 나타났다.

그림 2는 RESOLUTE 인코더와 대체 초 미세 피치 시스템의 피드백과 지터 성능을 비교한 것이다. 표준 PID 제어는 RESOLUTE 인코더의 경우 6.84nm RMS(노란색), 대체 인코더의 경우 3.98nm RMS(빨간색)의 측정된 지터 값으로 초 미세 피치 시스템의 낮은 지터 성능을 명확하게 강조한다. ServoBoost™의 순 효과는 이러한 값의 차이와 크기를 각각 1.91nm RMS(녹색) 및 1.46nm RMS(파란색)로 크게 줄이는 것이다. 강력한 제어 알고리즘은이 두 인코더 시스템 간의 지터 성능 차이를 상당 부분 보완한다.

그림 3은 이동과 정착 시간 또는 추적 오류 측면에서도 상당한 개선이 있음을 보여준다. 노란색 프로필은 서보 스테이지가 위치를 변경하고 유지하도록 명령하는 데 필요한 속도 프로필(구간당 100mm/초) 입력을 제공하는 반면, 녹색 및 빨간색 그래프는 표준 PID, ServoBoost™ 제어, 고급 제어 알고리즘은 안정화 오류와 성능을 크게 개선하고 PID 제어기에서 위치를 유지하라는 명령 직후에 나타나는 감쇠 진동을 없앤다.

정밀 모션 스테이지의 성능은 인코더 정확도, 제어 시스템 설계, 스테이지 하드웨어 자체의 조합으로 정의된다. Renishaw는 ACS와 협력하여 ServoBoost™와 같은 고기능 컨트롤러 소프트웨어가 우수하고 일관된 서보 성능을 제공하며 표준 PID(Proportional Integral-derivative) 제어 알고리즘과 비교할 때 안정화 위치 오류를 크게 줄일 수 있음을 보여준다.

Renishaw와 협력하여 1nm 분해능 RESOLUTE 엔코더 및 초 미세 피치 대체 제품이 장착된 크로스 롤러 베어링 리니어 스테이지에서 ACS가 테스트한 결과 RESOLUTE 엔코더 피드백이 ServoBoost™ 제어와 결합되면 효과적인 지터가 나타난다. 고급 미세 피치 인코더와 동일한 2nm RMS 아래로 낮아진다.

자료 제공: RENISHAW(www.renishaw.com)