액티브 제진대에 대해서 - 1

 이번에는 액티브 제진대에 대해서 이것저것 알아볼 텐데 인터넷에 공개되어 있는 자료를 참고하여 제진대의 구조나 작동 방식 등에 대해서 살펴보겠습니다. 액티브 제진대를 최초로 개발한 TableStable의 TS 제품의 내부 구조는 아래와 같습니다. 가속도 센서의 신호가 가운데에 있는 제어 기판에 전달되고, 제어 기판이 VCM을 제어하는 방식입니다. VCM은 수직 4개, 수평 4개가 있는데 가속도 센서도 똑같이 수직 4개, 수평 4개가 있습니다. 사진의 네 귀퉁이에 있는 황동색 구조물은 수직 방향 VCM이며, 바로 옆에는 가속도 센서인 스프링이 달린 피에조일렉트릭 디스크가 자리하고 있습니다. 수직 방향 VCM 사이에는 VCM을 옆으로 눕혀서 45도 방향으로 설치한 수평 방향 VCM이 있으며, 수평 방향 VCM 뒤에는 가속도 센서로 예상되는 은색 물체가 붙어 있습니다.

TableStable의 TS 및 AVI 시리즈 내부 구조

 TS 시리즈의 내부 구조는 액티브 제진 기술이 작동하는 방식에 대하여 설명한 Accurion의 그림과 서로 완벽하게 일치하는 것을 확인할 수 있습니다. 보시다시피 자석과 코일로 구성된 Force Transducer(VCM)가 있고, 그 위에 Piezoelectric Disc를 사용한 가속도계가 붙어 있습니다. 가속도계의 신호는 아날로그 제어 회로를 거쳐서 Force Transducer로 전달되고, Force Transducer는 힘을 발생시켜 진동을 상쇄시킵니다. 대부분의 액티브 제진대는 이러한 과정을 통해서 진동을 제어합니다.

Accurion의 액티브 제진 기술의 원리

 그렇다면 제진대 업체들이 이야기하는 6 자유도 제어는 어떻게 가능한 것일까요? 그에 대해서는 Kerkira J. S. Stockton의 Active Vibration Isolation Systems라는 문서에서 잘 설명하고 있는데, 문서에서 발췌한 아래의 그림을 보면 Z축 회전과 X, Y축 이동은 수평 방향 VCM을 통해서 가능하고, Z축 이동과 X, Y축 회전은 수직 방향 VCM을 통해서 가능한 것을 알 수 있습니다. 즉, X, Y, Z축 이동과 X, Y, Z축 회전을 모두 제어하는 것을 통틀어서 6 자유도 제어라고 합니다.

Herzan AVI-200M의 작동 방식

 아래 그림은 TOKKYOKIKI의 공압식 액티브 제진대의 작동 방식을 나타낸 것으로 앞에서 본 방식과는 형태가 조금 다릅니다. 하지만 수직 액추에이터가 Z축 이동 및 X, Y축 회전을 제어하고, 수평 액추에이터가 Z축 회전 및 X, Y축 이동을 제어하는 것은 VCM을 사용한 제어 방식과 동일하다는 것을 알 수 있습니다.

TOKKYOKIKI α2의 작동 방식

 탁상형 액티브 제진대는 주로 가속도나 속도 센서를 사용하며, 공압식 액티브 제진대는 가속도나 속도 센서와 함께 변위 센서를 사용합니다. 변위 센서만 사용하는 공압식 액티브 제진대는 Semi active라고 하며, 변위에 대한 피드백 제어만 하기 때문에 일반적인 액티브 제진대에 비해 성능이 조금 부족합니다. 공압식 액티브 제진대는 변위 센서 및 가속도나 속도 센서를 통해서 피드백, 피드 포워드 제어를 수행하며, 스테이지의 동작 신호(가속도 및 위치 신호)를 받아서 스테이지 피드 포워드 제어를 합니다. 스테이지 피드 포워드 제어는 스테이지가 움직이면서 발생하는 진동을 감소시키며, Settling time을 더욱 개선해야 하는 경우에 사용합니다.

 액티브 제진대 회사 중에서 TableStable은 추가적인 성능 향상을 위해서 LFS라는 저주파 센서를 바닥에 설치하고, 바닥의 피드 포워드 제어를 더할 수 있는 제품을 별도로 판매하고 있습니다. LFS 적용에 따른 성능 차이는 아래 그림과 같으며, 약 5~20dB 정도 성능이 향상하는 것을 확인할 수 있습니다.

AVI-200LP의 진동전달률 그래프 [파랑: 패시브, 빨강: 액티브, 초록: 액티브+LFS]

 지금까지 살펴본 바와 같이 액티브 제진대는 기본적으로 진동을 감지하는 센서와 진동을 발생시켜 센서로 감지한 진동을 상쇄시키는 액추에이터 그리고 제어 시스템으로 구성되어 있으며, 피드백 제어 및 피드 포워드 제어를 통해서 6 자유도 제어를 하는 전자기기입니다.