补偿压电陶瓷迟滞和蠕变的逆控制算法

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1、第１４卷第６期光学精密工程Ｖｏｌ．１４Ｎｏ．６２００６年１２月ＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｃ．２００６文章编号１００４９２４Ｘ（２００６）０６１０３２０９补偿压电陶瓷迟滞和蠕变的逆控制算法王岳宇１，赵学增１（１．哈尔滨工业大学机械电子工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）摘要：研究了用于扫描探针显微镜，特别是原子力显微镜（ＡＦＭ）中的扫描器高精度定位问题。压电陶瓷驱动器通常用于这种扫描器中，在无补偿的开环控制期间，它在输入电压和输出位移之间表现出明显的迟滞和蠕变。迟滞和蠕变降低了扫描器的定位精度并使扫描图像出现了畸变。给出了迟滞和蠕变模型及参数的在线辨识

2、方法。在ＡＦＭ的扫描控制中，使用基于该模型的逆控制算法补偿了压电陶瓷的迟滞和蠕变。在分析中，Ｐｒｅｉｓａｃｈ迟滞模型和对数蠕变模型被用于描述压电陶瓷驱动器的非线性。由于该方法不需要在控制过程中进行参数设置，因此很容易使用。此外由于是开环控制方法，可以具有更好的分辨率。闭环操作能够给出较好的迟滞和蠕变补偿，但由于在高带宽情况下传感器动态范围的限制，对于小扫描区域或样本特征，它减小了成像的分辨率。三角波轨迹跟踪的仿真结果说明轨迹误差在传感器噪声量级上，证明了这个方法的有效性。关键词：原子力显微镜；压电陶瓷；迟滞；蠕变中图分类号：ＴＰ２７３＋．２文献标识码：Ａ犐狀狏犲狉狊犲犮狅狀狋狉狅犾犪犾犵狅狉

3、犻狋犺犿狋狅犮狅犿狆犲狀狊犪狋犲狋犺犲犺狔狊狋犲狉犲狊犻狊犪狀犱犮狉犲犲狆犲犳犳犲犮狋狅犳狆犻犲狕狅犮犲狉犪犿犻犮ＷＡＮＧＹｕｅｙｕ，ＺＨＡＯＸｕｅｚｅｎｇ（１．犛犮犺狅狅犾狅犳犕犲犮犺犪狋狉狅狀犻犮狊犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犎犪狉犫犻狀犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犎犪狉犫犻狀１５０００１，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＴｈｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｗｉｔｈｓｃａｎｎｅｒｓｉｎＳｃａｎｎｉｎｇＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｉｎａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓ（ＡＦＭ），ｗａｓｓｔｕｄ

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5、ａｎｄｃｒｅｅｐｍｏｄｅｌｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｈａｔｃａｎｏｎｌｉｎｅｉｄｅｎｔｉｆｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗａｓａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｉｎｖｅｒｓｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓａｎｄｃｒｅｅｐｅｆｆｅｃｔｏｆｐｉｅｚｏｃｅｒａｍｉｃｄｕｒｉｎｇＡＦＭｓｃａｎｎｉｎｇ．Ｉｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅＰｒｅｉｓａｃｈｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｍｏｄｅｌａｎｄｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃｃｒｅｅｐｍｏｄｅｌｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔ

6、ｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅｐｉｅｚｏｃｅｒａｍｉｃａｃｔｕａｔｏｒ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｅａｓｙｔｏｕｓｅｂｅｃａｕｓｅｉｔｄｏｅｓｎｏｔｎｅｅｄｓｅｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｉｔｈａｓｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｓｉｔｉｓａｎｏｐｅｎｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅ．Ｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｏｐｅｒａｔｉｏｎｃａｎｏｆｆｅｒｂｅｔｔｅｒｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓａｎｄｃｒｅｅｐｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｂｕｔｉｔｃａｎｒｅｄｕｃｅｉｍａｇｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒｓｍａｌｌｓｃａｎｓ／ｓａｍｐｌｅｆｅａｔｕ

7、ｒｅｓｄｕｅｔｏ收稿日期：２００６０７０３；修订日期：２００６０９２８．基金项目：教育部留学回国基金第６期王岳宇，等：补偿压电陶瓷迟滞和蠕变的逆控制算法１０３３ｌｉｍｉｔｅｄｄｙｎａｍｉｃｒａｎｇｅｏｆｓｅｎｓｏｒｓａｔｈｉｇｈｅｒｂａｎｄｗｉｄｔｈ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｒａｃｋｉｎｇｔｒｉａｎｇｕｌａｒｗａｖｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓｓｈｏｗｔｒａｃｋｉｎｇｅｒｒｏｒｉｓｏｎｔｈ