[논문 리뷰] Commutation-Angle Iterative Learning Control for Intermittent Data: Enhancing Piezo-Stepper Actuator Waveforms

Leontine Aarnoudse, Nard Strijbosch외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 24.

Piezoelectric Actuators and Control참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비례 스테퍼 액추에이터에 대해 반복적으로 변하는 비등거리 샘플링을 다룰 수 있도록 반경 기저 함수 파arameterization을 사용한 교환각 도메인 반복학습제어(ILC) 프레임워크를 제안한다. 교환각 도메인에서 입력 및 오차 신호를 연속적으로 모델링함으로써, 보행 운동으로 인한 반복 가능한 간섭을 억제하여 15회 반복 동안 루트 평균 제곱(RMS) 오차를 35배 감소시키고, 위치 정확도 향상을 위한 선형 입력-출력 관계를 실현한다.

ABSTRACT

Piezo-stepper actuators are used in many nanopositioning systems due to their high resolution, high stiffness, fast response, and the ability to position a mover over an infinite stroke by means of motion reminiscent of walking. The aim of this paper is to develop a control approach for attenuating disturbances that are caused by the walking motion and are therefore repeating in the commutation-angle domain. A new iterative learning control approach is developed for the commutation-angle domain, that addresses the iteration-varying and non-equidistant sampling that occurs when the piezo-stepper actuator is driven at varying drive frequencies by parameterizing the input and error signals. Experimental validation of the framework on a piezo-stepper actuator leads to significant performance improvements.

연구 동기 및 목표

• 보행 운동으로 인해 교환각 도메인에서 주기적으로 반복되는 반복 가능한 간섭을 해결하기 위해.
• 변동하는 구동 주파수로 인해 일반적인 산업용 피에조 스테퍼 작동에서 흔한 반복 횟수에 따라 변하는 비등거리 샘플링에 적합한 ILC 프레임워크를 개발하기 위해.
• 반경 기저 함수를 사용해 입력 및 오차 신호를 파arameter화하여 연속적 표현을 가능하게 함으로써 교환각 도메인에서 효과적인 피드포워드 제어를 실현하기 위해.
• 실제 피에조 스테퍼 액추에이터에서 실험적으로 프레임워크를 검증하여 위치 선형성과 정확도 향상이 뚜렷하게 이루어졌음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 교환각 도메인에서 입력 및 오차 신호를 역제곱 반경 기저 함수(RBF)를 사용해 파arameter화하여, 비등거리 샘플링에도 불구하고 연속적 표현이 가능하도록 한다.
• 오차, 입력 크기, 입력 변화에 가중치를 부여한 비용 함수를 설정함으로써 반복 횟수에 걸쳐 추적 오차를 최소화하는 최적의 ILC 업데이트 법칙을 도출한다.
• ILC 업데이트 법칙을 반복적으로 적용하여 입력 웨이브폼을 정밀화함으로써 교환각과 함께 반복되는 간섭을 보완한다.
• 다양한 구동 주파수(20–35 Hz)를 사용한 오픈 루프 보행 실험에서 프레임워크를 구현하며, 측정된 오차 프로파일에 기반해 입력을 업데이트한다.
• 파arameter화된 신호를 사용해 향상된 전단파형을 생성하고, 표준 파형에 더하여 이동자 위치 추적 성능을 향상시킨다.
• 비등거리이고 반복 횟수에 따라 달라지는 샘플링 조건에서도 RBF 피팅을 통해 연속시간 유사 행동을 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비등거리 및 반복 횟수에 따라 변하는 샘플링 조건을 가진 피에조 스테퍼 액추에이터에 대해 교환각 도메인에서 반복학습제어(ILC)를 효과적으로 적용할 수 있는가?
• RQ2 비등거리 샘플링 조건이 존재할 때 기저 함수를 어떻게 사용해 입력 및 오차 신호를 파arameter화하여 연속 도메인 ILC를 실현할 수 있는가?
• RQ3 제안된 ILC 프레임워크는 교환각 도메인에서 반복 가능한 간섭을 어느 정도 감소시키며, 교환각과 이동자 위치 사이의 선형성은 얼마나 향상되는가?
• RQ4 구동 주파수가 변화함에 따라 반복 횟수에 따라 샘플링 간격이 변하는 조건에서도 프레임워크의 성능이 유지되는가?

주요 결과

• 다양한 구동 주파수를 가진 오픈 루프 보행 실험에서 15회 반복 동안 위치 추적 오차의 RMS 오차가 35배 감소하였다.
• 구동 주파수 변화에도 불구하고 오차 RMS가 유한한 영역로 수렴하여 반복 횟수에 따라 변화하는 동역학에 대한 강건성을 보였다.
• 기저 함수 파arameterization은 고정밀 신호 복원을 달성하였으며, 1000개와 50개의 샘플을 사용한 피팅 간 RMS 차이가 약 8.6×10⁻¹⁰으로 매우 작았다.
• 향상된 파형은 반복 가능한 간섭을 효과적으로 보완하여 교환각과 이동자 위치 사이에 거의 선형적인 관계를 형성하였다.
• 피드포워드 보완을 통해 피에조 전단 요소의 속도 의존적 거동을 효과적으로 완화하여 전체적인 선형성을 향상시켰다.
• 반복 횟수 17에서는 반복 횟수 0에 비해 거의 이상적인 추적 성능을 보이며 교환각 도메인과 시간 도메인 양쪽에서 뚜렷한 성능 향상을 보였다.