요약본 (Summary):
This paper presents a Non-Minimum-Phase Resonant Controller (NRC) for active damping control in nanopositioning systems using piezo-actuated stages. These systems are used in high-resolution positioning tasks, such as scanning probe microscopy and atomic force microscopy. The NRC aims to address the limitations of lightly damped resonance behavior in these systems, which can result in reduced control bandwidth.
The controller is designed to work within dual closed-loop architectures, combining a constant-gain design with tunable phase variation. It utilizes non-minimum-phase characteristics to achieve complete damping and bifurcate double resonant poles at the primary resonance peak. The NRC demonstrates robustness against frequency variations of the resonance due to load changes and can also damp higher-order flexural modes simultaneously.
The performance of the NRC is confirmed through an experimental setup using an industrial nanopositioning system, with dual closed-loop bandwidths exceeding the first resonance frequency. The controller significantly reduces the impact of low-frequency reference signals on real feedback errors while effectively rejecting disturbances near the resonance frequency.
Overall, this paper outlines the contributions made in developing a Non-Minimum-Phase Resonant Controller for active damping control in nanopositioning systems, addressing challenges related to system dynamics and control bandwidth limitations.
이 논문은 piezo-actuated 스테이지를 사용하여 나노화 시스템에서 활성 댐핑 제어를위한 비상 위상 공진 제어기 (NRC)를 제시한다. 이 시스템은 스캐닝 프로브 현미경 및 원자력 현미경과 같은 고해상도 포지셔닝 작업에 사용됩니다. NRC는이 시스템에서 가볍게 감쇠 된 공명 동작의 한계를 해결하여 제어 대역폭을 줄일 수 있습니다.
컨트롤러는 듀얼 폐쇄 루프 아키텍처 내에서 작동하도록 설계되어 일정한 이득 디자인과 조정 가능한 위상 변화를 결합합니다. 1 차 공명 피크에서 완전한 댐핑을 달성하고 이중 공명 극을 확대하고 이중 공명 극을 달성하기 위해 비상 위상 특성을 사용합니다. NRC는 하중 변화로 인한 공명의 주파수 변화에 대한 견고성을 보여 주며 동시에 고차 굴곡 모드를 축축 할 수도 있습니다.
NRC의 성능은 산업 나노 가로지는 시스템을 사용한 실험 설정을 통해 확인되며, 이중 폐쇄 루프 대역폭이 첫 번째 공명 주파수를 초과합니다. 컨트롤러는 저주파 참조 신호가 실제 피드백 오류에 미치는 영향을 크게 줄이고 공명 주파수 근처의 교란을 효과적으로 거부합니다.
전반적으로,이 논문은 나노 가로지는 시스템에서 활성 감쇠 제어를위한 비상 위상 공명 컨트롤러를 개발하는 데있어 기여한 것을 간략하게 설명하며, 시스템 역학 및 제어 대역폭 제한과 관련된 과제를 해결합니다.
Excerpt from PDF:
NON-MINIMUM-PHASE RESONANT CONTROLLER (NRC) 1 Non-Minimum-Phase Resonant Controller for Active Damping Control: Application to Piezo-Actuated Nanopositioning System Aditya M. Natu, Student Member, IEEE, S. Hassan HosseinNia, Senior Member, IEEE Abstract—Nanopositioning systems frequently encounter lim- itations in control bandwidth due to their lightly damped res- onance behavior. This paper presents a novel Non-Minimum- Phase Resonant Controller (NRC) aimed at active damping control within dual closed-loop architectures, specifically applied to piezo-actuated nanopositioning systems. The control strategy is structured around formulated objectives for shaping sensitivity functions to meet predetermined system performance criteria. Leveraging non-minimum-phase characteristics, the proposed NRC accomplishes complete damping and the bifurcation of double resonant poles at the primary resonance peak through a constant-gain design accompanied by tunable phase variation. The NRC demonstrates robustness against frequency variations of the resonance arising from load changes and is also ca- pable of damping higher-order flexural modes simultaneously. Furthermore, by establishing high gains at low frequencies within the inner closed-loop and integrating it with a con- ventional PI tracking controller, the NRC achieves substantial dual closed-loop bandwidths that can exceed the first resonance frequency. Moreover, the NRC significantly diminishes the effect of low-frequency reference signals on real feedback errors while effectively rejecting disturbances proximate to the resonance frequency. All contributions are thoroughly formulated and exemplified mathematically, with the controller’s performance confirmed through an experimental setup utilizing an industrial nanopositioning system. The experimental results indicate dual closed-loop bandwidths of 895 Hz and 845 Hz, characterized by ±3 dB and ±1 dB bounds, respectively, that surpass the resonance frequency of 739 Hz. Index Terms—Nanopositioning, Piezo-Actuated, Active Damp- ing Control, Non-Minimum-Phase, Resonant Control, Dual Closed-Loop. I. INTRODUCTION N ANOPOSITIONING stages are employed for high- resolution positioning tasks, ranging from subnanometers to a few hundred micrometers [1]. These systems find appli- cations in various fields, including scanning probe microscopy (SPM) [2]–[4], imaging using atomic force microscopy (AFM) [5]–[7], wafer and mask alignment in lithography [8], [9], and even micro/nano-manipulation in biological processes such as DNA sequencing [10]. This work was financed by Physik Instrumente (PI) SE & Co. KG and co-financed by Holland High Tech with PPS Project supplement for research and development in the field of High Tech Systems and Materials. Aditya M. Natu, and S. Hassan HosseinNia are with the Department of Precision and Microsystems Engineering, Delft University of Technology, Mekelweg 2, 2628 CD Delft, The Netherlands (e-mail: a.m.natu@tudelft.nl; s.h.hosseinniakani@tudelft.nl) Fig. 1. A system design schematic of piezo-actuated nanopositioners. Depending on the specific task within an application, nanopositioning systems are required to track various types of references, such as periodic or arbitrary signals. However, all require a fast response to the controlled inputs. To ensure accurate reference tracking, these systems typically employ sensor-based feedback control architectures that mitigate errors arising from excited system dynamics or external distur- bances [11]. In response to the growing demands for higher throughput and resolution, often exceeding the sub-nanometer level, considerable emphasis has been placed over the past two decades on designing optimized systems and closed-loop control architectures to maximize control …더보기
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번역 (Translation):
비소 위상 공진 컨트롤러 (NRC) 1 활성 댐핑 제어를위한 비 미니 니움 공진 제어기 : Piezo-Actuated Nanopositing System Aditya M. Natu, IEEE, IEEE, S. Hassseinnia, S. Hassseinnia, IEEE, IEEE 초록-제어 시스템에 대한 논란의 여지가있는 밴드 밴드에 대한 논쟁의 여지가 있습니다. 온난스 행동. 이 논문은 듀얼 폐쇄 루프 아키텍처 내에서 활성 감쇠 제어를 목표로하는 새로운 비 미니 니율 공진 제어기 (NRC)를 제시한다. 제어 전략은 미리 정해진 시스템 성능 기준을 충족시키기 위해 감도 기능을 형성하기위한 공식화 된 목표를 중심으로 구성됩니다. 비상 위상 특성을 활용하여 제안 된 NRC는 조정 가능한 위상 변화와 함께 일정한 이득 설계를 통해 1 차 공명 피크에서 이중 공명 기둥의 완전한 댐핑 및 분기를 달성합니다. NRC는 하중 변화로 인한 공명의 주파수 변화에 대한 견고성을 보여 주며 동시에 고차 굴곡 모드를 감쇠시키는 것도 가능합니다. 또한 내부 폐쇄 루프 내의 저주파에서 높은 이득을 확립하고이를 전통적인 PI 추적 컨트롤러와 통합함으로써 NRC는 첫 번째 공명 주파수를 초과 할 수있는 실질적인 듀얼 폐쇄 루프 대역폭을 달성합니다. 더욱이, NRC는 실제 피드백 오류에 대한 저주파 기준 신호의 효과를 크게 감소시키면서 공명 주파수에 근접한 교란을 효과적으로 거부합니다. 모든 기여는 수학적으로 철저하게 공식화되고 예시되며, 컨트롤러의 성능은 산업 나노 가로지는 시스템을 사용하는 실험 설정을 통해 확인됩니다. 실험 결과는 각각 ± 3 dB 및 ± 1 dB 경계를 특징으로하는 895Hz 및 845Hz의 이중 폐쇄 루프 대역폭을 나타내며, 이는 739Hz의 공명 주파수를 능가합니다. 인덱스 용어-신경화, piezo-actuatuated, 활성 댐핑 제어, 비-위상, 공진 제어, 듀얼 폐쇄 루프. I. 서론 n- 혐오 단계에서 수백 마이크로 미터에서 수백 마이크로 미터에 이르는 고해상도 포지셔닝 작업에 사용됩니다 [1]. 이 시스템은 스캐닝 프로브 현미경 (SPM) [2]- [4], 원자력 현미경 (AFM) [5]- [7], 리소그래피에서의 웨이퍼 및 마스크 정렬을 포함한 이미징 [8], [9], 심지어 DNA 시퀀싱과 같은 생물학적 과정에서 미세/나노 수동화 [10]를 포함하여 다양한 분야에서 적용을 발견한다. 이 작업은 Physik Instrumente (PI) SE & Co. KG에 의해 자금을 조달했으며 Holland High Tech가 첨단 기술 시스템 및 자료 분야의 연구 및 개발을위한 PPS 프로젝트 보충제와 공동 자금을 조달했습니다. Aditya M. Natu, and S. Hassan HosseinNia are with the Department of Precision and Microsystems Engineering, Delft University of Technology, Mekelweg 2, 2628 CD Delft, The Netherlands (e-mail: a.m.natu@tudelft.nl; s.h.hosseinniakani@tudelft.nl) Fig. 1. A system design schematic of piezo-actuated 나노 의식자. 애플리케이션 내의 특정 작업에 따라 나노 처리 시스템은 주기적 또는 임의의 신호와 같은 다양한 유형의 참조를 추적해야합니다. 그러나 모두 제어 된 입력에 대한 빠른 응답이 필요합니다. 정확한 참조 추적을 보장하기 위해,이 시스템은 일반적으로 흥분된 시스템 역학 또는 외부 지배 금전으로 인해 발생하는 오류를 완화하는 센서 기반 피드백 제어 아키텍처를 사용합니다 [11]. 더 높은 처리량 및 해상도에 대한 수요가 증가함에 따라, 하위 나노 미터 수준을 초과하는 경우가 많았을 때, 지난 20 년 동안 최적화 된 시스템 설계 및 폐쇄 루프 제어 아키텍처를 제어를 극대화하는 데 상당한 강조가 이루어졌습니다.
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