Design di controllo robusto e ad alta precisione della piattaforma di nanoposizionamento piezoelettrico

Dec 05, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10357 (2022) Citare questo articolo

854 accessi

1 Citazioni

Dettagli sulle metriche

La piattaforma di nanoposizionamento piezoelettrico richiede un tracciamento estremamente accurato durante l'attività, mentre l'incertezza del modello causata dalle variazioni di carico richiede una forte robustezza del sistema. L'elevata precisione e la robustezza della progettazione del controllo sono accoppiate tra loro, rendendo difficile ottenerle entrambe in modo ottimale allo stesso tempo. Inoltre, il sistema stesso ha una modalità di risonanza debolmente smorzata, che rende estremamente difficile il controllo della piattaforma di nanoposizionamento piezoelettrico sopprimendo al contempo la risonanza intrinseca del sistema e soddisfacendo i requisiti di robustezza ed elevata precisione. Per il problema del controllo integrato multi-prestazione della piattaforma di nanoposizionamento piezoelettrico, questo documento fornisce due tipi di progetti di controllo (controllo della risonanza integrale (IRC) e controllo H∞) che soddisfano i requisiti di precisione e robustezza e svolge studi di simulazione e analisi comparative con posizione positiva controllo del feedback (PPF). I risultati della simulazione mostrano che la strategia di controllo H∞ fornita in questo documento ha l'errore di tracciamento più piccolo rispetto a PPF e IRC con segnali di scansione a reticolo di ingresso a 5, 10 e 20 Hz, sebbene abbia un ordine superiore, con una migliore robustezza alle variazioni di carico meccanico e perturbazioni del segnale ad alta frequenza nell'intervallo di carico 0–1000 g.

Con l'introduzione del primo microscopio a effetto tunnel (STM), del microscopio a forza atomica (AFM) e del microscopio a sonda a scansione (SPM), lo sviluppo della nanotecnologia è entrato in una nuova era e l'umanità ha iniziato a esplorare e innovare continuamente nel mondo microscopico. , tutto grazie allo sviluppo di sistemi di nanoposizionamento piezoelettrici. Al giorno d'oggi, questo sistema di posizionamento è stato ampiamente utilizzato in campi di alta precisione come la microrobotica, il microassemblaggio, il microassemblaggio, la microlitografia, la microlavorazione e la microscansione1,2,3,4,5. Le ceramiche piezoelettriche sono comunemente utilizzate per azionare questi nanoposizionatori grazie ai vantaggi di cinetica veloce, elevata forza di uscita ed elevata risoluzione sub-nanometrica6. In precedenti studi di controllo per sistemi di nanoposizionamento azionati da piezoelettrico, la larghezza di banda operativa dei sistemi di nanoposizionamento azionati da piezoelettrico era solitamente limitata a 10-100 volte inferiore alla frequenza di risonanza intrinseca più bassa del sistema perché il sistema ha una modalità di risonanza debolmente smorzata. Tuttavia, con il rapido sviluppo della nanotecnologia, le applicazioni pratiche richiedono velocità e precisione sempre maggiori per i sistemi di nanoposizionamento piezoelettrici. Come nelle scienze della vita, alcuni campioni biologici da scansionare hanno comportamenti dinamici molto leggeri, come molecole proteiche, cellule viventi e così via, che tipicamente cambiano entro millisecondi7, quindi non è possibile sopprimere la vibrazione risonante del sistema mediante limitazione del segnale in ingresso. Inoltre, nella modellazione e nel controllo pratico del sistema, esistono varie incertezze come disturbi esterni, cambiamenti ambientali, ritardi temporali e altri fattori che possono influenzare seriamente la precisione di posizionamento del sistema se non adeguatamente gestiti. Vengono proposti diversi metodi di controllo basati sulla cibernetica e sulla teoria della modellazione per la vibrazione risonante, il tracciamento a larghezza di banda elevata e i problemi di robustezza dei sistemi di nanoposizionamento piezoelettrici. I metodi di controllo basati su architetture di feedback sono ampiamente utilizzati a causa della loro robustezza ai disturbi esterni e alle incertezze del modello8, come il controllo adattivo9 e il controllo gaussiano quadratico lineare10 proposti per ridurre gli errori di tracciamento nelle attività di scansione ad alta velocità. Tuttavia, questi metodi possono trovare controller con una buona robustezza solo quando il fattore Q (rappresenta la frequenza di risonanza del sistema rispetto alla larghezza di banda) del sistema è basso. Poiché il rapporto di smorzamento del sistema diminuisce se il fattore Q del sistema aumenta, è difficile per i metodi sopra indicati ottenere elevate prestazioni di smorzamento del controller, che non possono garantire la robustezza e la precisione del sistema11. Per dare priorità all'attenzione e risolvere il problema dello smorzamento dei sistemi di nanoposizionamento azionati da piezoelettrici, vengono proposte strategie di controllo basate su modelli, come l'uso del feedback di posizione ritardato ricorsivo12 per attenuare le modalità di risonanza degli stadi di nanoposizionamento nel circuito di feedback interno, risultando in un feedback neutro -sistema di tipo time-lag; utilizzo di robusti smorzatori di massa13 per migliorare significativamente lo smorzamento della modalità risonante della piattaforma nella progettazione di piattaforme di movimento industriali ad alta precisione; e utilizzo del controllo basato sul modello14 sotto forma di configurazioni dei poli, combinato con effetti di integratore e filtraggio per ridurre la sensibilità ai disturbi e alle incertezze per ottenere buone prestazioni di tracciamento, ecc.