CN101551318A - 柔性铰链位移台耦合振动主动补偿系统 - Google Patents
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Abstract
一种柔性铰链位移台耦合振动位移主动补偿系统，其耦合振动控制器(1)分析柔性铰链位移台Y和Z方向的耦合振动幅值，发出抑制Y方向和Z方向振动的指令。Y耦合振动检测装置(2)和Z耦合振动检测装置(3)检测在Y和Z方向产生的耦合振动幅值。行扫信号发生模块(4)、帧扫信号补偿模块(5)和高度动态补偿模块(6)分别产生X方向、Y方向和Z方向特定频率和幅值的波形信号。帧扫高压放大模块(7)产生柔性铰链Y方向运动的驱动信号；行扫高压放大模块(8)产生柔性铰链X方向运动的驱动信号；Z向高压放大模块(9)产生柔性铰链Z方向运动的驱动信号；柔性铰链位移台(10)实现行扫和帧扫的位移动作。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于微纳米领域，由压电陶瓷电机驱动的柔性铰链位移台耦合振动补偿系统。
背景技术
压电陶瓷电机驱动的柔性铰链位移机构被广泛应用在需要纳米精密定位的微小位移中。柔性铰链结构是一种新型的弹性导轨形式，具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高、加工简单等优点，尤其适合纳米定位技术领域。在结构上，柔性铰链位移台一般是在完整的金属板上切割出特定方向的狭窄缝隙，使得金属板在指定方向的局部刚度被削弱。这样就获得了在此方向上依靠弹性变形获得移动的可能。在压电陶瓷致动器的推拉作用下，依靠金属的弹性变形实现柔性铰链XYZ方向微位移的往复运动。柔性铰链本体、压电陶瓷致动器、电容位移传感器装配后形成了可以控制和操作的XYZ三维柔性铰链位移台。柔性铰链结构安装在扫描探针显微镜中作为样品台使用可以实现大范围的扫描成像。扫描探针显微镜在0.1HZ以下极低速扫描运动过程中，柔性铰链位移台表现出比较好的运动稳定性。如果扫描探针显微镜进行高速扫描成像时，要求柔性铰链位移台的行扫方向即X方向高速往复运动，由于机械上连接的原因，会导致在柔性铰链位移台的Y方向和Z方向产生周期性耦合振动的现象。此耦合振动严重影响位移台的Y方向和Z方向的定位精度。通常为了提高柔性铰链位移台的定位精度，采用驱动电压和位移的线性化补偿的办法。这种办法只能适合极低速的柔性铰链位移控制。而采用比例-积分-微分(PID)控制方法，由于压电陶瓷迟滞特性的原因，导致其动态响应特性不理想。试验表明柔性铰链高速运动过程中，PID控制方法只能减少小部分位置误差，不能满足高精度定位的要求，而且随着扫描速度的提高，PID控制的效果越差。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，本发明提出一种高速柔性铰链位移台耦合振动位移主动实时补偿系统和控制方法，可以有效地补偿压电陶瓷驱动的柔性铰链位移台高速运动过程中耦合振动位移误差。
本发明基于以下工作原理：
当柔性铰链位移台做高速扫描运动时，X方向执行高速往复运动，Y轴和Z按照步进方式低速移动。耦合振动主要来源于X方向的高速往复运动。因为X方向的往复运动是一种固定频率的周期性运动，所以X方向运动导致在Y和Z方向产生了同样频率的耦合振动位移误差。在柔性铰链位移台的Y方向和Z方向分别加入一个与X方向驱动信号的频率相同，相位相关，幅值恰好能够抵消耦合振动的主动控制驱动信号。这样在Y方向和Z方向上各自合成出一种耦合振动与主动控制的复合运动，达到稳定Y方向和Z方向定位精度的作用。由于本方法是通过主动控制实现对耦合振动的补偿，不存在普通控制方法的滞后现象。
以在Z方向产生的耦合振动位移的补偿为例做如下说明。柔性铰链位移台的X方向压电陶瓷电机加入的驱动信号可以是正弦波驱动信号V1或者其它周期性信号。正弦波驱动信号V1如公式(1)所示：
V1＝A·sin(ωt)+B1 (1)
其中：V1柔性铰链位移台X方向电机驱动电压；
A柔性铰链位移台X方向电机驱动电压幅值；
ω柔性铰链位移台X方向电机驱动电压的角频率；
B1柔性铰链位移台X方向电机驱动的偏置电压；
t时间变量。
这样由于X方向的高速往复运动在Z方向产生了耦合振动现象。测量并处理Z方向在X轴高速运动时的耦合振动信息后，在Z方向的压电电机驱动器加入与耦合振动位移信号有一定幅值和相位关系的正弦驱动信号V2。正弦驱动信号V2如公式(2)所示。
其中：V2柔性铰链位移台Y方向电机驱动电压；
A柔性铰链位移台Y方向电机驱动电压幅值；
ω柔性铰链位移台Y方向电机驱动电压的角频率；
B1柔性铰链位移台Y方向电机驱动的偏置电压；
K比例系数；
t时间变量；
在柔性铰链位移台Z方向加入的正弦驱动信号V2对耦合振动运动进行主动反向补偿，即在自动探测柔性铰链耦合振动的基础上，由控制器在柔性铰链位移台的Z方向驱动器输出一个与X方向驱动信号的频率相同，相位相关，幅值恰好能够抵消耦合振动的主动控制驱动信号。因此实现动态补偿耦合振动在Z方向造成的耦合振动定位误差。这种主动加入的驱动位移和耦合振动位移复合后，使得柔性铰链位移台Z方向的运动达到一种动态稳定平衡，从而消除了Z方向的耦合振动位移。
本发明采用的技术方案如下述：
本发明由耦合振动控制器、Y耦合振动检测模块、Z耦合振动检测模块、行扫信号发生模块、帧扫补偿模块、高度动态补偿模块、帧扫高压放大模块、行扫高压放大模块、Z向高压放大模块和柔性铰链位移台组成。其中Y耦合振动检测模块和Z耦合振动检测模块实现对由于X方向高速运动导致在Y方向和Z方向产生的耦合振动位移的电压信号的实时检测；而行扫信号发生模块、帧扫信号补偿模块、高度动态补偿模块、帧扫高压放大模块、行扫高压放大模块和Z向高压放大模块负责实现补偿耦合振动位移所需的驱动波形信号。
柔性铰链位移台的Y向电容位移传感器输出的位移信号输入Y耦合振动检测模块，柔性铰链位移台的Z向电容位移传感器输出的位移信号输入Z耦合振动检测模块；Y耦合振动检测模块的输出端口与耦合振动控制器的第一输入端口连接，Z耦合振动检测模块的输出端与耦合振动控制器第二输入端口连接。耦合振动控制器第一输出端口与行扫信号发生模块连接，耦合振动控制器第二输出端口与帧扫信号补偿模块连接，耦合振动控制器的第三输出端口与高度动态补偿模块连接；行扫信号发生模块输出端口与行扫高压放大模块的输入端口连接，帧扫信号补偿模块的输出端口与帧扫高压放大模块的输入端口连接，高度动态补偿模块的输出端口与Z向高压放大模块的输入端口连接；行扫高压放大模块的输出接柔性铰链位移台的X向压电陶瓷电机的输入口，帧扫高压放大模块的输出与柔性铰链位移台的Y向压电陶瓷电机的输入口连接，Z向高压放大模块的输出端口与柔性铰链位移台的Z向压电陶瓷电机的输入口连接。
附图说明
图1耦合振动补偿原理图；
图2耦合振动位移的检测过程图；
图3耦合振动补偿的输出控制过程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明具体实施方式由耦合振动控制器1、Y耦合振动检测模块2、Z耦合振动检测模块3、行扫信号发生模块4、帧扫补偿模块5、高度动态补偿模块6、帧扫高压放大模块7、行扫高压放大模块8、Z向高压放大模块9和柔性铰链位移台10组成。其中耦合振动控制器1采用FPGA芯片EP1C6；Y耦合振动检测模块2和Z耦合振动检测模块3采用高速高精度模数芯片ADS1606；行扫信号发生模块4、帧扫补偿模块5和高度动态补偿模块6采用直接数字合成器芯片AD9832。帧扫高压放大模块7、行扫高压放大模块8和Z向高压放大模块9采用AD171高压运放芯片
柔性铰链位移台的Y向电容位移传感器输出的位移信号通过Y坐标信号线YPA与Y耦合振动检测模块的输入端口连接，柔性铰链位移台的Z向电容位移传感器输出的位移信号通过Z坐标信号线ZPA与Z耦合振动检测模块的输入端口连接；Y耦合振动检测模块的输出端口通过Y向16位并行数据线YPD与耦合振动控制器的第一接收端口YR连接，Z耦合振动检测模块的输出端通过Z向16位并行数据线ZPD与耦合振动控制器第一输入端口ZR连接。耦合振动控制器第一输出端口XOUT通过X向SPI串行数据线XL与行扫信号发生模块连接，耦合振动控制器第二输出端口YOUT通过Y向SPI串行数据线YOC与帧扫信号补偿模块连接，耦合振动控制器第三输出端口ZOUT通过Z向SPI串行数据线ZOC与高度动态补偿模块连接；行扫信号发生模块输出端口通过行扫模拟信号线XWAVE与行扫高压放大模块的输入端口连接，帧扫信号补偿模块的输出端口通过帧扫模拟信号线YWAVE与帧扫高压放大模块的输入端口连接，高度动态补偿模块的输出端口通过Z向模拟信号线ZWAVE与Z向高压放大模块的输入端口连接；行扫高压放大模块的输出端口通过行扫高压信号线XHV与柔性铰链位移台的X向压电陶瓷电机输入口连接，帧扫高压放大模块的输出端口通过帧扫高压信号线YHV与柔性铰链位移台的Y向压电陶瓷电机的输入口连接，Z向高压放大模块的输出端口通过Z向高压信号线ZHV与柔性铰链位移台的Z向压电陶瓷电机的输入口连接。
为了有效补偿柔性铰链位移台的X方向高速往复扫描移动过程中对Y及Z方向的耦合振动，在柔性铰链位移台工作过程中需要实时检测耦合振动的位移数据，如图2所示。扫描探针显微镜在进行高速扫描过程中，X方向的高速往复运动引起了柔性铰链位移台在Y方向和Z方向的周期性耦合振动位移。这种耦合振动位移能够被柔性铰链位移台的Y方向和Z方向电容位移传感器捕获，并以电压信号的方式实时地通过Y坐标信号线YPA和Z坐标信号线ZPA分别传送到Y耦合振动检测模块2以及Z耦合振动检测模块3的输入端口。在Y耦合振动检测模块2和Z耦合振动检测模块3中通过模数转换后，产生柔性铰链位移台的Y方向和Z方向耦合振动位移的16位数字量信号。这两路数字信号分别经过Y向16位并行数据线YPD和Z向16位并行数据线ZPD传输给耦合振动控制器1的第一输入端口YR和第二输入端口ZR。这样就完成了耦合振动位移的检测过程。
图3所示是主动补偿耦合振动的控制过程。根据高速扫描探针显微镜的扫描速度要求，耦合振动控制器1的第一输出端口XOUT首先通过X向SPI串行数据线XL给行扫信号发生模块4发送启动X方向扫描信号的参数。在行扫信号发生模块4中生成所需要的扫描波形，可以是正弦波或三角波。扫描波形通过行扫模拟信号线XWAVE传输给行扫高压放大模块8的输入端口。在行扫高压放大模块8中扫描信号被放大成能够驱动柔性铰链位移台压电陶瓷电机工作的高压信号；此高压信号通过行扫高压信号线XHV直接输出到柔性铰链位移台的X向压电陶瓷电机，驱动位移台在X方向高速往复运动，实现扫描探针显微镜的高速行扫动作。
在高速行扫进行过程中，分别经过Y向16位并行数据线YPD和Z向16位并行数据线ZPD反馈给耦合振动控制器1第一输入端口YR和第二输入端口ZR的耦合振动幅值数据，在耦合振动控制器1中进行分析运算，获得为了实现对Y方向和Z方向耦合振动的补偿应在柔性铰链位移台的Y方向和Z方向加入的主动控制需要的位移运动参数。根据计算结果耦合振动控制器1的第二输出端口YOUT通过Y向SPI串行数据线YOC向帧扫信号补偿模块5发送帧扫信号的控制参数。在帧扫信号发生模块5中生成所需要的输出波形，可以是正弦波或三角波；该波形信号通过帧扫模拟信号线YWAVE被传输给帧扫高压放大模块7的输入端口。在帧扫高压放大模块8中，此帧扫信号被放大成能够驱动柔性铰链位移台Y向压电陶瓷电机工作的高压信号；此高压信号通过帧扫高压信号线YHV直接输出到压电陶瓷电机驱动的柔性铰链位移台Y向压电陶瓷电机上，驱动柔性铰链位移台在Y方向形成一个和X方向行扫频率相同，相位相关，但振幅不同的往复运动，使这个往复运动恰好抵消来自X方向的耦合振动。
对于由于X方向高速行扫在Z方向引起的耦合振动，根据计算结果，耦合振动控制器1的第三输出端口ZOUT通过Z向SPI串行数据线ZOC给高度动态补偿模块6发送高度信号的控制参数。在高度动态模块6中生成所需要的输出波形，可以是正弦波或三角波；该波形信号通过Z向模拟信号线ZWAVE被传输给Z向高压放大模块9的输入端口。在Z向高压放大模块9中此信号被放大成可以驱动柔性铰链位移台Z向压电陶瓷电机工作的高压信号；此高压信号通过Z向高压信号线ZHV直接输出到压电陶瓷电机驱动柔性铰链位移台Z向压电陶瓷电机上，驱动位移台在Z方向形成一个和X方向行扫频率相同，相位相关，但振幅不同的往复运动，使这个往复运动也恰好抵消来自X方向的耦合振动。
通过上述方法，可以实现在扫描探针显微镜高速扫描过程中，由于柔性铰链位移台X方向高速往复运动导致的Y方向和Z方向的耦合振动误差的有效主动实时补偿。
本发明可以应用于各种基于柔性铰链位移台的高速扫描探针显微镜系统，包括原子力显微镜、扫描隧道显微镜等。通过本发明装置的使用，在利用柔性铰链位移台作为扫描探针显微镜样品台时，可以实现高速大范围的扫描成像，同时避免因为耦合振动造成的扫描图像畸变。在扫描100微米范围内，可以实现行频为50到150Hz的扫描速度。同时，本发明亦可应用到其它需要三维柔性铰链做高速往复运动的使用环境。
Claims (5)
1、一种柔性铰链位移台耦合振动位移补偿系统，其特征在于所述补偿系统由耦合振动控制器(1)、Y耦合振动检测模块(2)、Z耦合振动检测模块(3)、行扫信号发生模块(4)、帧扫补偿模块(5)、高度动态补偿模块(6)、帧扫高压放大模块(7)、行扫高压放大模块(8)、Z向高压放大模块(9)和柔性铰链位移台(10)组成；所述的Y耦合振动检测模块(2)和Z耦合振动检测模块(3)用于检测由于柔性铰链位移台X方向高速往复运动，在Y方向和Z方向产生的耦合振动位移；其中的行扫信号发生模块(4)、帧扫补偿模块(5)、高度动态补偿模块(6)、帧扫高压放大模块(7)、行扫高压放大模块(8)和Z向高压放大模块(9)负责实现补偿耦合振动所需的驱动波形信号。
2、按照权利要求1所述柔性铰链位移台耦合振动位移补偿系统，其特征在于所述柔性铰链位移台(10)的Y向电容位移传感器电压信号通过Y坐标信号线(YPA)与Y耦合振动检测模块(2)的输入端口连接，柔性铰链位移台(10)的Z向电容位移传感器输出的位移信号通过Z坐标信号线(ZPA)与Z耦合振动检测模块(3)的输入端口连接；Y耦合振动检测模块(2)的输出端口通过Y向16位并行数据线(YPD)与耦合振动控制器(10)的第一输入端口(YR)连接，Z耦合振动检测模块(3)的输出端口通过Z向16位并行数据线(ZPD)与耦合振动控制器(1)的第二输入端口(ZR)连接。
3、按照权利要求1所述柔性铰链位移台耦合振动位移补偿系统，其特征在于所述耦合振动控制器(1)第一输出端口(XOUT)通过X向SPI串行数据线(XL)与行扫信号发生模块(4)输入端口连接，耦合振动控制器(1)第二输出端口(YOUT)通过Y向SPI串行数据线(YOC)与帧扫信号补偿模块(5)输入端口连接，耦合振动控制器(1)第三输出端口(ZOUT)通过Z向SPI串行数据线(ZOC)与高度动态补偿模块(6)输入端口连接；行扫信号发生模块(4)的行扫输出端口通过行扫模拟信号线(XWAVE)与行扫高压放大模块(8)的输入端口连接，帧扫信号补偿模块(5)的帧扫输出端口通过帧扫模拟信号线(YWAVE)与帧扫高压放大模块(7)的输入端口连接，高度动态补偿模块(6)的输出端口通过Z向模拟信号线(ZWAVE)与Z方向高压放大模块(9)的输入端口连接；行扫高压放大模块(8)的输出端口通过行扫高压信号线(XHV)与柔性铰链位移台的X向压电陶瓷电机的输入口连接，帧扫高压放大模块(7)的输出端口通过帧扫高压信号线(YHV)与柔性铰链位移台的Y向压电陶瓷电机的输入口连接，Z方向高压放大模块(9)的输出端口通过Z向高压信号线(ZHV)与柔性铰链位移台的Z向压电陶瓷电机的输入口连接。
4、按照权利要求1至3的任何一项所述的柔性铰链位移台耦合振动位移补偿系统，其特征在于，由耦合振动控制器(1)在所述柔性铰链位移台(10)的Y方向和Z方向分别加入一个与X方向驱动信号的频率相同，相位相关，幅值能够抵消耦合振动的主动控制驱动信号，在Y方向和Z方向上各自合成耦合振动与主动控制的复合运动，达到稳定Y方向和Z方向定位精度的作用。
5、按照权利要求4所述的柔性铰链位移台耦合振动位移补偿系统，其特征在于柔性铰链位移台(10)的Y方向和Z方向电容位移传感器捕获Y方向和Z方向的周期性耦合振动的位移数据，所述位移数据以电压信号的方式通过Y坐标信号线(YPA)和Z坐标信号线(ZPA)分别传送到Y耦合振动检测模块(2)和Z耦合振动检测模块(3)的输入端口，在Y耦合振动检测模块(2)和Z耦合振动检测模块(3)中通过模数转换后，产生柔性铰链位移台(10)的Y方向和Z方向耦合振动位移的16位数字量信号；所述数字量信号分别经过Y向16位并行数据线(YPD)和Z向16位并行数据线(ZPD)传输给耦合振动控制器(1)的第一输入端口(YR)和第二输入端口(ZR)，完成耦合振动位移数据的检测过程。
耦合振动控制器(1)的第二输出端口(YOUT)通过Y向SPI串行数据线(YOC)向帧扫信号补偿模块(5)发送帧扫信号的控制参数，在帧扫信号发生模块(5)中生成输出波形，所述波形信号通过帧扫模拟信号线(YWAVE)被传输给帧扫高压放大模块(7)的输入端口；在帧扫高压放大模块(8)中此帧扫信号被放大成能够驱动柔性铰链位移台Y方向压电陶瓷电机工作的高压信号，所述高压信号通过帧扫高压信号线(YHV)直接输出到压电陶瓷电机驱动的柔性铰链位移台(10)Y向压电陶瓷电机上，驱动柔性铰链位移台在Y方向形成一个和X方向行扫频率相同，相位相关但振幅不同的往复运动，使这个往复运动抵消来自X方向的耦合振动；
耦合振动控制器(1)的第三输出端口(ZOUT)通过Z向SPI串行数据线(ZOC)给高度动态补偿模块(6)发送高度信号的控制参数，在高度动态模块(6)中生成输出波形；所述波形信号通过Z向模拟信号线(ZWAVE)被传输给Z向高压放大模块(9)的输入端口，所述波形信号在Z向高压放大模块(9)中被放大成能够驱动柔性铰链位移台Z方向压电陶瓷电机工作的高压信号；所述高压信号通过Z向高压信号线(ZHV)直接输出到压电陶瓷电机驱动的柔性铰链位移台(10)Z向压电陶瓷电机上，驱动柔性铰链位移台(10)在Z方向形成一个和X方向扫描频率相同，相位相关，但振幅不同的往复运动，使这个往复运动抵消来自X方向的耦合振动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110413 Termination date: 20150512 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |