超高带宽AFM纳米定位平台的主动阻尼与动态磁滞补偿控制技术研究

This project proposes a novel control scheme with the negative derivative feedback active damping and dynamic Prandtl-Ishlinskii model based inverse hysteresis compensation for ultrahigh-bandwidth AFM piezo-actuated scanners. This project will address fundamental researches on mechanical design, precise actuation, vibration suppression, nanopositioning control and experimental verification. The research contents consist of: (1) mechanical design and optimization of the high-stiffness three-dimensional piezo-actuated scanner, (2) nonlinear electromechanical dynamics modeling and dynamic Prandtl-Ishlinskii model based inverse hysteresis compensation, (3) fractional-order filter based negative derivative feedback active damping controller design, (4) development of the high-bandwidth nanopositioning control strategies with active damping and dynamic hysteresis compensation, (5) design of the novel scanning signals and high-speed imaging experiments of AFM. This project aims to develop the prototype system with the high-speed piezo-actuated nanopositioning stage and form the design theory and methodology of the piezo-actuated ultrahigh-bandwidth nanopostioning control for the high-speed AFM. The results of this project will extend the applications of the scanning probe microscopes and ultra-precision equipment, and enrich the innovative achievements and key techniques with independent intellectual properties.

本项目以用于原子力显微镜(AFM)的压电驱动扫描器为研究对象，提出一种综合负微分反馈主动阻尼与动态Prandtl-Ishlinskii模型逆磁滞补偿的超高带宽纳米精度运动控制新方法，围绕机构设计、精密驱动、振动抑制、纳米定位和实验验证五方面开展应用基础研究，具体研究内容包括：(1) 三维高刚度压电驱动扫描器的机构设计与优化，(2) 非线性机电动力学建模与动态Prandtl-Ishlinskii逆磁滞补偿控制，(3) 基于分数阶滤波技术的负微分反馈主动阻尼控制器设计，(4) 综合主动阻尼与动态磁滞补偿的高带宽纳米精度运动控制算法设计，(5) AFM扫描信号设计与高速成像实验，研制具有关键单元技术突破的高速压电驱动纳米定位平台原型系统，形成以AFM压电驱动扫描器为代表的高速纳米定位平台的超高带宽纳米精度运动控制的设计理论和方法，为扫描探针显微镜和超精密测控装置的自主研发提供理论与技术支撑。

本项目针对原子显微镜（AFM）的压电驱动扫描器本身存在的低阻尼谐振振动、动态磁滞非线性，开展了应用基础性研究。主要围绕压电驱动扫描器的机构设计，非线性动力学系统建模，高带宽纳米定位控制器设计和AFM扫描实验验证四个方面展开，建立了压电陶瓷驱动器+柔性铰链机构的三维XYZ扫描器，构建了描述压电驱动扫描器动态特性的综合机电非线性动力学模型，提出了基于分数阶控制、递归时滞位移反馈、正加速度-速度-位置反馈、改进型重复控制等的三级结构高带宽纳米定位控制方法，并构建了用于AFM扫描验证原型控制系统，实现了扫描器对目标路径的高精度跟踪控制，实现了AFM的高速扫描成像验证。本项目提供了用于AFM压电驱动扫描器的超高带宽纳米精度运动控制的设计理论和方法，为扫描探针显微镜和超精密测控装置的自主研发提供理论与技术支撑。研究成果在IEEE/ASME 会刊、APL、SMS等国内外学术期刊和会议发表论文17篇，其中SCI收录13篇（包含ESI热点1篇），获国际会议“3M-NANO 2015”最佳学生论文提名奖和“ICIRA 2016”最佳论文奖各1项；申请发明专利2项，其中授权1项。项目组成员在有重要影响的国际会议上作特邀和口头报告 6 次。项目负责人获得2016年国家优秀青年科学基金获得者和2017年教育部青年长江学者（公示中）。研究成果获2017年教育部自然科学一等奖1项（公示中）。