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Voi.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11王岳宇，赵学增（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

2、了畸变。给出了迟滞和蠕变模型及参数的在线辨识方法。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

3、滞；蠕变中图分类号：TP273+.2文献标识码：AInversecontrolalgorithmtocompensatethehysteresisandcreepeffectofpiezoceramicWANGYue-yu，ZHAOXue-zeng（1.SchoolofMechatronicsEngineering，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China）Abstract：Thehigh-precisionpositioningwithscannersinScanningProbeMicrosc

4、opesappiications，particu-iariyinatomicforcemicroscopes（AFM），wasstudied.Thepiezoceramicactuatorsareusuaiiyusedinthiskindofscanner，whichobviousiyexhibitsthehysteresisandcreepbetweentheinputvoitagesandtheoutputdispiacementsduringtheuncompensatedopen-ioopoperation.Thehysteresisand

5、creepreducethepositioningprecisionandproduceadistortioninscanningimages.Anoveihysteresisandcreepmodeiwasproposed，andthemethodthatcanon-iineidentifyparameterswasaisoprovided.Furthermore，themodei-basedinversecon-troiaigorithmwasusedtocompensatethehysteresisandcreepeffectofpiezoc

6、eramicduringAFMscanning.Intheanaiysis，thePreisachhysteresismodeiandiogarithmiccreepmodeiwereusedtocharacterizethenoniinearbehaviorofthepiezoceramicactuator.Thismethodiseasy-to-usebecauseitdoesnotneedsetparametersincontroiprocedure.Moreover，ithashighresoiutionasitisanopen-ioopc

7、ontroischeme.Ciosed-ioopoperationcanofferbetterhysteresisandcreepcompensation，butitcanreduceimageresoiutionforsmaiiscans/sampiefeaturesduetoiimiteddynamicrangeofsensorsathigherbandwidth.Simuiationresuitsoftrackingtrianguiar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

8、：补偿压电陶瓷迟滞和蠕变的逆控制算法1033wavetrajectoriesshowtrackingerrorisonth