微定位系统中压电驱动器建模与控制器设计

摘要

原子力显微镜是微显微成像和微纳米操控的主要设备，目前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。但是压电陶瓷材料固有的迟滞非线性特性及谐振特性等，致使微定位系统的带宽较窄，成像速率不高，无法获得生物样本或者化学反应过程的全部瞬态信息。因此，本文从系统和控制的角度在不降低原子力显微镜成像精度的前提下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： ◆分析了压电陶瓷驱动器的伸缩机理，介绍了堆栈式压电陶瓷驱动器的构造以及柔性铰链的特性，并详细介绍了压电陶瓷堆栈式驱动器作为微定位驱动器影响纳米级精确定位的因素，如迟滞特性、蠕变特性、谐振特性等； ◆针对原子力显微镜中压电陶瓷堆栈式驱动器X轴向，设计了基于PI迟滞模型的前馈控制器来补偿迟滞特性，并根据三角波的特点，采用其傅立叶级数形式来取代三角波，避免三角波的高频分量引发X轴向的谐振； ◆针对原子力显微镜压电陶瓷堆栈式驱动器Z轴向伸缩反映样品表面形貌的特点，建立了Z轴向的线性谐振模型，并基于该模型设计了传统PID控制器、参数自调节PID控制器和积分谐振控制器，最后通过实验结果比较了三种控制效果； ◆介绍了本实验室组建的三自由度微定位平台，对该平台各个组成部分的功能和性能做简要介绍；分析了各个组成部分对系统定位精度的影响，并针对X轴向的前馈控制器和Z轴向的积分谐振控制器进行实验验证，并取得了较好的效果； ◆最后，对本文所做的工作，以及所获得的成果及经验进行了简单总结，分析本文的不足之处以及有待进一步解决的问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2研究现状

1.3论文结构

第二章微定位系统

2.1压电陶瓷驱动器

2.1.1 压电效应

2.1.2微定位平台设计

2.1.3柔性铰链导向机构

2.1.4微定位系统中定位信号

2.2影响定位精度的因素

2.2.1 迟滞特性

2.2.2蠕变特性

2.2.3谐振特性

2.2.4 温漂特性

2.2.5耦合效应

2.2.6刚度

2.3补偿方法

2.3.1 电荷驱动方法

2.3.2 皆振特性补偿

2.3.3 自适应逆控制

2.3.4 PID控制

2.3.5神经网络

2.4本章小结

第三章压电驱动器X轴向模型及控制器设计

3.1引言

3.2控制器设计思想

3.3迟滞建模

3.3.1 Preisach迟滞模型

3.3.2 Prandtl-Ishlinskii迟滞模型

3.3.3参数辨识

3.3.4建模仿真研究

3.4 X轴向PI模型逆控制

3.4.1迟滞的可逆性证明

3.4.2 PI迟滞模型的逆推导

3.4.3基于PI模型逆控制实现

3.4.4控制实验研究

3.5本章小结

第四章压电驱动器Z轴向模型及控制器设计

4.1 引言

4.2 Z轴向驱动器模型

4.3常规数字PID控制

4.4参数自调节PID控制

4.5积分谐振控制器

4.6实验结果分析

4.7本章小结

第五章三自由度压电驱动微定位实验平台

5.1 引言

5.2微位移平台

5.2.1微位移驱动器

5.2.2微位移传感器

5.3驱动器电源

5.4数字采集卡

5.5信号处理电路

5.6实验平台说明

5.7本章小结

第六章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文及参加的科研工作