AFM压电驱动器建模与控制研究

论文摘要

在人类探究微观世界的过程中,微定位技术逐步发展起来。原子力显微镜作为一种微显微成像与微纳米操控的设备,其原子级的分辨率使得纳米科技获得了蓬勃发展。目前的商用原子力显微镜多采用压电陶瓷驱动器作为三自由度微定位器。但压电材料固有的迟滞非线性特性及振动特性等,限制了原子力显微镜的成像速率,使其不能满足对动态样本实时观察、操作的要求,原子力显微镜的适用性受到了极大的限制。因此本文将从系统和控制的角度出发,在不降低原子力显微镜成像精度的前提下,实现压电陶瓷驱动器的快速扫描控制,提高原子力显微镜的成像速率。本文以山东省科技攻关项目“微系统可靠智能原子成像及操控关键技术”为背景,主要工作如下：Ⅰ.压电陶瓷驱动器性能分析分析压电陶瓷材料的伸缩机理,介绍了压电效应与逆压电效应；探讨了压电陶瓷堆栈式驱动器作为微定位驱动器时,影响纳米定位精度的因素,如蠕变特性、迟滞特性、振动特性等。Ⅱ.迟滞非线性特性补偿针对压电陶瓷驱动器在大范围扫描下影响明显的迟滞特性,指出了经典PI迟滞模型的不足之处,并利用改进的PI模型,设计前馈控制器来补偿迟滞非线性特性。Ⅲ.振动特性补偿建立了微位移平台线性振动模型,并分别设计了基于多项式的极点配置控制器,正位置反馈控制器,谐振控制器对系统第一谐振模态点进行抑制,从而达到削弱振动特性影响的目的。Ⅳ.高速微定位系统控制根据压电陶瓷驱动器的机理构造,将基于改进PI模型的迟滞补偿器与抑制系统谐振模态的振动控制器相结合,对压电陶瓷驱动器进行综合控制,实现压电陶瓷扫描器的大范围快速扫描。并进行了仿真实验验证,对三种不同控制策略进行性能分析比较,并取得了良好的效果。最后,对本文所做的工作以及获得的成果经验进行了简单总结,并且分析了本文的不足之处以及有待进一步解决的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.3 研究现状
• 1.4 论文结构
• 第二章 原子力显微镜与压电陶瓷驱动器
• 2.1 原子力显微镜的工作原理
• 2.2 原子力显微镜的硬件架构
• 2.2.1 力检测部分
• 2.2.2 位置检测部分
• 2.2.3 反馈系统
• 2.3 原子力显微镜的操作模式
• 2.3.1 接触模式
• 2.3.2 非接触模式
• 2.3.3 轻敲模式
• 2.4 压电陶瓷驱动器性能分析
• 2.4.1 压电效应与逆压电效应
• 2.4.2 压电陶瓷驱动器特性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 改进的PI迟滞非线性建模
• 3.1 迟滞特性介绍
• 3.2 PI模型和迟滞非线性特性补偿
• 3.2.1 PI迟滞非线性建模
• 3.2.2 PI迟滞模型逆模型求解
• 3.2.3 PI建模法的特点和局限性
• 3.3 无记忆非线性特性补偿
• 3.3.1 无记忆非线性特性建模
• 3.3.2 无记忆非线性特性的逆模型求解
• 3.4 改进的PI模型与补偿器设计
• 3.4.1 建模与补偿器设计
• 3.4.2 模型辨识
• 3.5 建模仿真研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 振动特性补偿
• 4.1 振动特性介绍
• 4.2 控制器设计思想
• 4.3 动态模型辨识
• 4.4 抑制谐振模态点的控制器设计
• 4.4.1 基于多项式的控制器设计
• 4.4.2 正位置反馈控制器
• 4.4.3 谐振控制器
• 4.5 实验结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 高速微定位系统控制
• 5.1 理论基础
• 5.2 仿真实验结果
• 5.3 传感器噪声影响
• 5.4 实验设备介绍
• 5.4.1 微位移平台
• 5.4.2 压电陶瓷控制器
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士研究生期间发表（录用）论文与参与项目
• 学位论文评阅及答辩情况表