Высокоточная надежная конструкция управления пьезоэлектрической платформой нанопозиционирования

Dec 05, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 10357 (2022) Цитировать эту статью

854 Доступа

1 Цитаты

Подробности о метриках

Пьезоэлектрическая платформа нанопозиционирования требует чрезвычайно точного отслеживания во время выполнения задачи, в то время как неопределенность модели, вызванная изменениями нагрузки, требует высокой надежности системы. Высокая точность и надежность конструкции управления связаны друг с другом, что затрудняет одновременное достижение оптимального результата. Кроме того, сама система имеет слабозатухающую резонансную моду, что крайне затрудняет управление пьезоэлектрической платформой нанопозиционирования при подавлении собственного резонанса системы, а также отвечает требованиям по надежности и высокой точности. Для многопроизводительной интегрированной задачи управления пьезоэлектрической платформой нанопозиционирования в этой статье представлены два типа схем управления (интегральное резонансное управление (IRC) и управление H∞), удовлетворяющих требованиям точности и надежности, а также проведено моделирование и сравнительный анализ с положительным положением. управление с обратной связью (ППФ). Результаты моделирования показывают, что стратегия управления H∞, представленная в этой статье, имеет наименьшую ошибку отслеживания по сравнению со стратегиями PPF и IRC при входных сигналах сканирования решетки 5, 10 и 20 Гц, хотя она имеет более высокий порядок, с большей устойчивостью к изменениям механической нагрузки и высокочастотные возмущения сигнала в диапазоне нагрузок 0–1000 г.

С появлением первого сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), атомно-силового микроскопа (АСМ) и сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) развитие нанотехнологий вступило в новую эру, и человечество начало постоянно исследовать и внедрять инновации в мир микроскопов. , и всё благодаря развитию пьезоэлектрических систем нанопозиционирования. В настоящее время эта система позиционирования широко используется в высокоточных областях, таких как микроробототехника, микросборка, микросборка, микролитография, микрообработка и микросканирование1,2,3,4,5. Пьезоэлектрическая керамика обычно используется для привода этих нанопозиционеров из-за ее преимуществ, заключающихся в быстрой кинетике, высокой выходной силе и высоком субнанометровом разрешении6. В предыдущих исследованиях управления системами нанопозиционирования с пьезоэлектрическим приводом рабочая полоса пропускания систем нанопозиционирования с пьезоэлектрическим приводом обычно ограничивалась до 10–100 раз ниже, чем самая низкая собственная резонансная частота системы, поскольку система имеет слабо затухающую резонансную моду. Однако с быстрым развитием нанотехнологий практические применения требуют все более высокой скорости и точности пьезоэлектрических систем нанопозиционирования. Как и в науках о жизни, некоторые биологические образцы, подлежащие сканированию, имеют очень легкое динамическое поведение, такое как белковые молекулы, живые клетки и т. д., которые обычно меняются в течение миллисекунд7, поэтому невозможно подавить резонансную вибрацию системы путем ограничение входного сигнала. Кроме того, при практическом моделировании и управлении системой существуют различные неопределенности, такие как внешние возмущения, изменения окружающей среды, временные задержки и другие факторы, которые могут серьезно повлиять на точность позиционирования системы, если с ними не справиться должным образом. Различные методы управления, основанные на кибернетике и теории моделирования, предложены для решения задач резонансной вибрации, широкополосного отслеживания и устойчивости пьезоэлектрических систем нанопозиционирования. Методы управления, основанные на архитектуре обратной связи, широко используются из-за их устойчивости к внешним возмущениям и неопределенностям модели8, такие как адаптивное управление9 и линейно-квадратичное гауссово управление10, предложенное для уменьшения ошибок отслеживания в задачах высокоскоростного сканирования. Однако эти методы позволяют найти контроллеры с хорошей надежностью только в том случае, если добротность системы (представляющая резонансную частоту системы относительно полосы пропускания) низка. Поскольку коэффициент демпфирования системы становится меньше, если добротность системы увеличивается, вышеуказанными методами трудно достичь высоких характеристик демпфирования контроллера, что не может гарантировать надежность и точность системы11. Чтобы уделить приоритетное внимание и решить проблему демпфирования пьезоэлектрических систем нанопозиционирования, предлагаются стратегии управления на основе моделей, такие как использование рекурсивной обратной связи по положению с задержкой12 для ослабления резонансных мод стадий нанопозиционирования во внутренней петле обратной связи, что приводит к нейтральному -типовая система запаздывания; использование надежных массовых демпферов13 для значительного улучшения демпфирования резонансного режима платформы при проектировании промышленных высокоточных платформ движения; и использование управления на основе модели14 в форме конфигураций полюсов в сочетании с эффектами интегратора и фильтрации для снижения чувствительности к помехам и неопределенностям для достижения хороших характеристик отслеживания и т. д.