用于AFM高速成像和力学性能测量的自阻尼超快Z轴系统设计与控制
批准号:
52105581
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李琳琳
依托单位:
学科分类:
微纳及原子级制造
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李琳琳
中文摘要
为实现深层次微纳力学性能研究,本项目针对AFM在面向高效力学性能测量时面临的Z轴微力控制带宽有限、高频探针加载位置精度不足及多轴复杂动态交叉耦合特性难题开展关键技术研究,从驱动传感控制整体系统设计出发,构建自阻尼超快Z轴系统,辅以多轴解耦控制思路形成面向“AFM高速成像”+“AFM高效力学性能测量”的超快高精度扫描新方法。具体内容包括:(1)自感知超快Z轴设计与集成;(2)宽频域Z轴自阻尼微力/探针位置控制方法;(3)鲁棒多轴动态交叉耦合补偿方法;(4)面向高效AFM成像及力学性能测量实验研究。预期建立宽频域内多控制参数综合方法,研制自阻尼超快Z轴,设计三轴鲁棒交叉耦合控制新方法,实现频带内多频段力学性能研究,完成近万线/s超快力曲线高精度测量。项目研究成果对推动AFM技术创新,微纳米操作、快刀伺服等超精密测量和加工装置及相关交叉学科的发展具有重要科学价值和广阔的应用前景。
英文摘要
To achieve deeper mechanical properties characterization, this project focuses on developing the key technologies to address the challenges, which are the limited force bandwidth of Z-axis, insufficient precision for high-frequency loading, and the complex multi-axes dynamic cross-coupling characteristics. This technical research aims to form an ultra-fast and high precision scanning module for “high-speed AFM imaging” and “high-performance mechanical properties characterization”, which starts from the design of a driving-sensing-control integrated system, constructs a self-damping ultra-fast Z-axis control scheme, and finally supplements a multi-axis decoupling control approach. The specific research content includes: (1) Design and integration of the self-sensing ultra-fast Z-axis; (2) Self-damping force control/probe position control schemes for wider frequencies; (3) Robust multi-axis dynamic cross-coupling compensation method; (4) The experimental studies of high-speed AFM imaging and mechanical properties characterization. The expected goals of this project are establishing a comprehensive solution for multiple control parameters calculation in the frequency domain, developing a self-damping ultrafast Z-axis system, proposing a three-axis robust cross-coupling compensation method, and realizing the multi-band mechanical performance investigation and up to 10k lines/s force-displacement curve measurement. The outcomes would boost the innovation and development of AFM, ultra-precision measurement and machining devices such as micro-nano manipulating and fast tool servo, and other interdisciplinary subjects.
项目聚焦原子显微镜(AFM)高效力学性能测量与AFM高速成像应用需求,围绕自感知压电驱动扫描器的机构设计、先进跟踪控制方法、鲁棒解耦控制方法研究及AFM实验验证四个方面展开,具体研究内容包括:(1)自感知压电驱动扫描器的机构设计方面:设计研制了逾20 kHz一阶谐振频率自感知超快Z轴;(2)先进跟踪控制方法研究与AFM集成应用研究:提出了基于IIR滤波器通用参数化重复控制的跟踪控制设计新方法,解决了传统重置控制方法由于其特定的频率窄带陷波及对非特定频率信号的放大问题;提出了基于分数阶无模型重复控制的跟踪控制方法,提升了重复控制类方法的鲁棒性;构建了仅基于频响曲线的控制参数综合求解法,实现了双环控制器同步优化设计,解决了系统复杂动力学特性引入模型构建与分析困难问题;(3)先进鲁棒解耦控制方法研究与AFM集成应用研究方面:提出了基于无模型重复控制的多轴鲁棒解耦控制新方法,提升了解耦控制方法因系统动力学模型变动等带来的鲁棒性差的问题;提出了用于交叉耦合补偿的周期扰动观测器设计方法,在不干涉原方法跟踪性能的基础上,实现了耦合误差实时补偿;提出了基于比例谐振控制器的轴间交叉耦合补偿控制方法,实现了用于正弦扫描的最简耦合控制与实现方法;提出了基于双陷波重复控制的交叉耦合控制方法,实现了用于李萨如扫描的跟踪与解耦控制。扫描器轨迹跟踪与AFM集成应用研究实验结果验证了所提出方法的正确性、可行性和实用性。相关研究成果亦可为微纳米操作、快刀伺服等超精密测量和加工装置等的发展提供基础理论和关键技术支撑,具有重要科学价值和广阔的应用前景。..研究成果在IEEE会刊(11 篇)、Mechanical Systems and Signal Processing(1篇)等国际学术期刊发表SCI 源刊论文16 篇,其中IEEE Trans. on Industrial Electronics 论文3篇,IEEE Trans. on Automation Science and Engineering论文4篇, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 3 篇。申请发明专利3件。
国内基金
海外基金