微定位系統(tǒng)中壓電驅(qū)動器建模與控制器設計.pdf

1、原子力顯微鏡是微顯微成像和微納米操控的主要設備，目前商用原子力顯微鏡多采用壓電陶瓷驅(qū)動器作為三自由度微定位器。但是壓電陶瓷材料固有的遲滯非線性特性及諧振特性等，致使微定位系統(tǒng)的帶寬較窄，成像速率不高，無法獲得生物樣本或者化學反應過程的全部瞬態(tài)信息。因此，本文從系統(tǒng)和控制的角度在不降低原子力顯微鏡成像精度的前提下提高原子力顯微鏡的成像速率。 本文以山東省科技攻關項目“微系統(tǒng)可靠智能原子成像及操控關鍵技術”為背景，主要工作如下：

2、 ◆分析了壓電陶瓷驅(qū)動器的伸縮機理，介紹了堆棧式壓電陶瓷驅(qū)動器的構(gòu)造以及柔性鉸鏈的特性，并詳細介紹了壓電陶瓷堆棧式驅(qū)動器作為微定位驅(qū)動器影響納米級精確定位的因素，如遲滯特性、蠕變特性、諧振特性等； ◆針對原子力顯微鏡中壓電陶瓷堆棧式驅(qū)動器X軸向，設計了基于PI遲滯模型的前饋控制器來補償遲滯特性，并根據(jù)三角波的特點，采用其傅立葉級數(shù)形式來取代三角波，避免三角波的高頻分量引發(fā)X軸向的諧振； ◆針對原子力顯微鏡壓電陶瓷堆棧

3、式驅(qū)動器Z軸向伸縮反映樣品表面形貌的特點，建立了Z軸向的線性諧振模型，并基于該模型設計了傳統(tǒng)PID控制器、參數(shù)自調(diào)節(jié)PID控制器和積分諧振控制器，最后通過實驗結(jié)果比較了三種控制效果； ◆介紹了本實驗室組建的三自由度微定位平臺，對該平臺各個組成部分的功能和性能做簡要介紹；分析了各個組成部分對系統(tǒng)定位精度的影響，并針對X軸向的前饋控制器和Z軸向的積分諧振控制器進行實驗驗證，并取得了較好的效果； ◆最后，對本文所做的工作，以及