Active Vibration Isolation Systems (엑티브 제진 시스템)

역사

피드백 제어 시스템은 수백 년 간 연구, 개발되었지만, 2차 세계 대전을 치르는 동안에 방어 시스템에 적용되면서 아주 크게 발전하였습니다.
액티브 제진 시스템은 방어를 위해 개발된 전기기계 제어 시스템의 일부였으며, 1950년대에는 헬리콥터의 의자에 적용하기 위해 개발하는 사례도 있었습니다.
대부분의 액티브 제진 시스템은 복잡하고 비싸며, 패시브 제진 방식에 비해 성능이 그리 뛰어나지 않아서 널리 사용되지 않았습니다. 그러나 최근에 반도체 산업이 발달하면서 반도체 장비에서 발생하는 스테이지 모션을 빠르게 감소시켜 생산성을 높이고자 하는 움직임과 디지털 신호 처리 기술의 발달에 의해 비용 절감이나 여러가지 장점이 생기면서 액티브 제진 시스템은 점점 여러 곳에서 사용되고 있습니다.

서보와 용어

액티브 시스템의 용어에 대해서 몇 가지 소개를 하고자 합니다. 먼저 액티브 시스템의 기본은 아래 그림 16과 같습니다.

“G”라고 표시된 블록은 플랜트라고 하며, 피드백 제어가 적용되기 전의 시스템의 동작을 나타냅니다. 이는 전달 함수로 표현이 가능한데, 블록의 입력과 출력의 비율을 주파수의 함수로 나타냅니다. 이 비율은 크기와 위상을 가지며, 단위가 있거나 없을 수도 있습니다. 예를 들어서 입력이 지반의 움직임이고, 출력이 테이블 상부의 움직임인 진동 전달 함수를 나타낼 수 있습니다.

“H”라고 표시된 블록은 보상이라고 하며, 일반적으로 서보를 나타냅니다. 이는 제진 시스템에서 플랜트의 출력을 모니터링하는 센서(가속도계)와 전자 필터, 증폭기, 하중에 힘을 가하는 액츄에이터의 전체적인 전달 함수를 나타냅니다.

동그란 원은 합산점입니다. 이것은 여러 개의 입력을 가질 수 있는데, 모든 입력을 합쳐서 하나의 출력을 만들어 냅니다. 모든 입력과 출력은 단위가 같습니다. 각각의 입력 옆에 있는 더하기나 빼기 부호는 가감 여부를 나타냅니다. H의 출력은 항상 이 교차점에서 빼기가 되는데, 이는 음의 피드백을 나타냅니다. 합산점의 출력은 회로의 오차 신호 또는 오차 지점이라고 합니다.

액티브 제진

액티브 제어는 일반적으로 3에서 6자유도(DOF) 제어를 사용하는데, 자유도에는 세 개의 병진 (X, Y, Z)과 세 개의 회전 (롤, 피치, 요)이 있습니다. 또한, 액티브 시스템은 수평을 조절하는 높이 센서나 하중의 움직임을 감지하는 가속도계와 같이 다양한 종류의 센서들을 사용합니다. 이들은 병렬 또는 중첩된 서보 루프를 통해 시스템에서 통합됩니다.

액티브 제진 시스템의 종류

가장 대중적인 액티브 제진 시스템은 다음 그림과 같은 관성 피드백 시스템입니다. 이 시스템의 성능은 서보의 대역폭에 의해 제한되며, 격리된 하중의 구조적 공진은 실제 시스템의 대역폭을 10-40 Hz로 제한합니다.

관성 피드백 시스템의 성능은 피드포워드 제어를 추가하여 향상시킬 수 있습니다. 피드포워드 제어는 피드백 제어보다 훨씬 어렵지만, 서보의 대역폭이 제한적일 때 지반 진동 센서나 하중에 가해지는 힘에 비례하는 신호를 전달하여 피드포워드 제어를 적용할 수 있습니다.
아래 그림은 TMC의 STACIS가 사용하는 PZT 방식의 제어 시스템입니다. 이 시스템은 압전 변환기(PZT)를 통해 바닥에 단단히 고정되어 있는 중간 질량으로 구성되어 있으며, 중간 질량에는 지오폰이 장착되어 있습니다. 지오폰의 신호는 서보 루프를 통해 PZT에 전달되며, 서보의 액티브 제어 영역을 벗어나는 주파수는 20Hz의 엘라스토머 마운트에 의해 제진이 됩니다. PZT의 가동 범위에는 제한이 (약 20~25μm) 있으며, 대부분의 바닥 진동은 이 진폭을 초과하지 않습니다. PZT 서보의 액티브 제어 영역은 0.6~200 Hz인데, 이는 제진대가 매우 단단한 바닥에 설치된 경우에만 달성할 수 있습니다.

적용 분야

액티브 제진 시스템의 적용 분야는 크게 두 가지가 있는데, 진동에 민감하거나 정착 시간에 민감한 분야입니다. 진동에 민감한 분야는 바닥이 연약한 건물이나 건물의 흔들림이 문제가 되는 고층 건물에 장비를 설치하는 경우, 그리고 AFM, STM 등과 같이 매우 높은 수준의 감도를 가지는 장비를 설치하는 경우가 있습니다. 정착 시간에 민감한 분야는 스테이지의 거동 이후에 하중이 안정된 상태에서만 정상적으로 작동하는 경우이며, 액티브 제진대의 피드포워드 기능을 통해 “시스템이 정지하는데 걸리는 시간”의 단축이 가능합니다. 액티브 제진 시스템의 필요성을 결정하기 위해서는 ‘진동에 민감한가’, ‘정착 시간에 민감한가’와 더불어 진동에 대한 시스템의 민감도를 알아야 합니다.