基于调频原子力显微镜的悬臂模型与控制系统仿真

摘要

针对调频原子力显微镜悬臂在工作状态下恒幅恒频振动控制问题，为进一步优化悬臂控制系统结构，根据探针的运动方程及相关结构参数，建立了悬臂的结构模型。在此模型基础上，设计了基于自激振荡、锁相环解调和自动增益控制技术的控制回路，该控制回路分为锁相控制回路和振幅驱动控制回路，并利用Simulink对悬臂模型及其控制系统进行了建模与仿真研究。结果表明，控制系统能在4 ms内将悬臂的振幅测量信号稳定在设定值5 nm，同时将悬臂振动频率稳定在160 kHz（即驱动模态的谐振频率）。此外，还研究了锁相控制回路中环路滤波器的参数C1、 C2对稳态相差和频率捕获的影响，为进一步改进调频原子力显微镜悬臂的控制系统奠定了基础。

关键词

调频原子力显微镜 / 恒幅恒频 / 悬臂模型 / Simulink模型

基金资助

国家重点研发计划资助项目（2022YFC2204104）; 国家自然科学基金国际合作与交流项目（62220106012）; 山西省杰出青年基金项目（202103021221007）