압전 나노포지셔닝 플랫폼의 고정밀 강인 제어 설계

Dec 05, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10357(2022) 이 기사 인용

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압전 나노포지셔닝 플랫폼은 작업 중에 매우 정확한 추적을 요구하는 반면, 부하 변동으로 인한 모델 불확실성은 시스템의 강력한 견고성을 요구합니다. 제어 설계의 높은 정확성과 견고성은 서로 결합되어 있어 두 가지를 동시에 최적으로 달성하기가 어렵습니다. 또한 시스템 자체에는 약하게 감쇠된 공진 모드가 있어 시스템의 고유한 공진을 억제하고 견고성과 높은 정확도에 대한 요구 사항을 충족하면서 압전 나노포지셔닝 플랫폼을 제어하기가 매우 어렵습니다. 압전 나노포지셔닝 플랫폼의 다중 성능 통합 제어 문제에 대해 본 논문에서는 정확도 요구사항과 견고성을 만족하는 두 가지 제어 설계(적분 공진 제어(IRC) 및 Hlimit 제어)를 제시하고 포지티브 위치에 대한 시뮬레이션 연구 및 비교 분석을 수행합니다. 피드백 제어(PPF). 시뮬레이션 결과는 본 논문에 제공된 H 제어 전략이 5, 10 및 20Hz 입력 격자 스캔 신호에서 PPF 및 IRC에 비해 추적 오류가 가장 작다는 것을 보여줍니다. 비록 차수가 더 높지만 기계적 부하 변화 및 0~1000g 부하 범위의 고주파수 신호 교란.

최초의 주사터널링현미경(STM), 원자간력현미경(AFM), 주사탐침현미경(SPM)의 등장으로 나노기술의 발전은 새로운 시대로 접어들었고 인류는 미시세계에서 끊임없는 탐구와 혁신을 시작했습니다. , 모두 압전 나노포지셔닝 시스템의 개발 덕분입니다. 오늘날 이 위치 확인 시스템은 마이크로 로봇 공학, 마이크로 어셈블리, 마이크로 어셈블리, 마이크로 리소그래피, 마이크로 가공 및 마이크로 스캐닝1,2,3,4,5과 같은 고정밀 분야에서 널리 사용되었습니다. 압전 세라믹은 빠른 동역학, 높은 출력 힘 및 높은 나노미터 이하 분해능6이라는 장점으로 인해 이러한 나노포지셔너를 구동하는 데 일반적으로 사용됩니다. 압전 구동 나노포지셔닝 시스템에 대한 이전 제어 연구에서 압전 구동 나노포지셔닝 시스템의 작동 대역폭은 일반적으로 시스템이 약하게 감쇠된 공진 모드를 갖기 때문에 시스템의 가장 낮은 고유 공진 주파수보다 10~100배 낮게 제한되었습니다. 그러나 나노기술의 급속한 발전으로 인해 실제 적용에는 압전 나노포지셔닝 시스템에 대한 더 높은 속도와 정확성이 필요합니다. 생명 과학에서와 마찬가지로 스캔할 일부 생물학적 샘플은 단백질 분자, 살아있는 세포 등과 같이 일반적으로 밀리초 내에 변화하는 매우 가벼운 동적 동작을 가지므로7 시스템의 공진 진동을 억제하는 것은 불가능합니다. 입력 신호를 제한합니다. 또한 실제 시스템 모델링 및 제어에는 적절하게 처리되지 않을 경우 시스템의 위치 정확도에 심각한 영향을 미칠 수 있는 외부 교란, 환경 변화, 시간 지연 및 기타 요인과 같은 다양한 불확실성이 있습니다. 압전 나노포지셔닝 시스템의 공진 진동, 고대역폭 추적 및 견고성 문제에 대해 사이버네틱스 및 모델링 이론을 기반으로 한 다양한 제어 방법이 제안되었습니다. 고속 스캐닝 작업에서 추적 오류를 줄이기 위해 제안된 적응형 제어9 및 선형 2차 가우스 제어10와 같은 피드백 아키텍처 기반 제어 방법은 외부 교란 및 모델 불확실성8에 대한 견고성으로 인해 널리 사용됩니다. 그러나 이러한 방법은 시스템의 Q 인자(대역폭에 대한 시스템의 공진 주파수를 나타냄)가 낮은 경우에만 견고성이 우수한 컨트롤러를 찾을 수 있습니다. 시스템의 Q-factor가 커지면 시스템의 감쇠비가 작아지기 때문에 위의 방법으로는 컨트롤러의 높은 감쇠 성능을 달성하기 어렵고 시스템의 견고성과 정확성을 보장할 수 없습니다11. 압전 구동 나노포지셔닝 시스템의 감쇠 문제에 우선적으로 주의를 기울이고 해결하기 위해 내부 피드백 루프에서 나노포지셔닝 단계의 공진 모드를 감쇠시키기 위해 반복적 지연 위치 피드백12을 사용하여 중립을 초래하는 모델 기반 제어 전략이 제안됩니다. - 유형의 시간 지연 시스템; 산업용 고정밀 모션 플랫폼 설계에서 플랫폼 공진 모드 감쇠를 크게 개선하기 위해 견고한 질량 감쇠기13를 사용합니다. 우수한 추적 성능 등을 달성하기 위해 교란 및 불확실성에 대한 민감도를 줄이기 위해 적분기 및 필터링 효과와 결합된 극 구성 형태의 모델 참조 제어14를 사용합니다.