Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut de production et robotique IPR (Laboratoire d'actionneurs intégrés LAI)

Modélisation et commande du moteur piézoélectrique à onde progressive

Bullo, Matteo ; Perriard, Yves (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3348.

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    Summary
    Piezoelectric motors are resonant vibromotors. They represent a new actuator generation in the field of servo-drives. In particular, the travelling wave ultrasonic motor presents a high torque at low speed, a zero speed torque without feeding, low sensitivity to electromagnetic disturbances as well as being a more compact solution if compared to conventional electromagnetic motors. Much researches has been performed by others to determine an analytical model based on the identification of an electromagnetic equivalent circuit or on exploitation of a theoretical model based on numerical approaches, which use finite elements methods. While leading to satisfactory analysis, these modeling methods can hardly be exploited in the design of control algorithms. Indeed, they require considerable processing resources to generate and visualize the results. For this reason, we introduce in this thesis, an analytical model that is easily adaptable to operational applications and control techniques. The proposed analytical model has been validated by comparing measured characteristics with those obtained in simulations, which was possible thanks to the realization of a modular test bench. The travelling wave ultrasonic motor is characterized by strong non-linearity. It also depends highly on the wear state of the materials, which is difficult to model, and on the contact surface between stator and rotor. In addition, the mechanical resonance frequency experiences drift due to the variations of temperature. These considerations of strong non-linearities and parameter sensitivities of the motor represent a challenge for the study and design of an efficient and robust control strategy. We introduce with this thesis a new control approach that guarantees a closed loop response which is independent of the motor operating point. Moreover, the proposed control method allows to avoid the discontinuities typically present with this type of actuator with a very reasonnable hardware requierments. Finally, an important extension in the product range of the piezoelectric actuators is proposed in the last part of this thesis. It acts to develop an fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging) compatible haptic interface with one degree of freedom. The use of a robotic interface in conjunction with an fMRI environment would enable neuroscientists to investigate the brain mechanism used to perform tasks with arbitrary dynamics, and could become a critical tool in neuroscience and rehabilitaiton. There is, however, a major problem for robot working within an fMRI environment : conventional actuators and materials interfere with the strong permanent magnetic field and the fast switching magnetic field gradients. Consequently, non-ferromagnetic materials must be used to avoid forces on the device itself, that can compromise its performance and may result in hazardous conditions for the patient or the medical staff. In addition, the materials should be non-conducting to avoid the generation of eddy currents. The travelling wave ultrasonic motor was used because it provides benefits compared to the conventional electromagnetic actuators. Non-ferromagnetic piezoelectric ceramic material is used and as a result motor operation is not affected by the presence of the strong magnetic fields ecountered in the clinical scanners.
    Résumé
    Le moteur piézoélectrique à onde progressive possède d'excellentes caractéristiques. Le fort couple de maintient sans alimentation, le couple élevé à basse vitesse (favorisant les entraînement directs), l'absence de champs magnétiques parasites, ainsi que son fonctionnement silencieux et sa petite taille font de ce moteur un actionneur idéal. La diversité des phénomènes physiques mis en jeu a conduit, dans des recherches précédentes, au développement de nombreux modèles, reposants notamment sur l'identification de schémas électromagnétiques équivalents ou sur l'exploitation de modèles théoriques basés sur des approches numériques de type éléments finis. Ces méthodes de modélisation demeurent peu pratiques pour l'exploitation du modèle dans la conception d'algorithmes de commande optimaux. Dans cette optique, nous proposons dans cette thèse une modélisation efficace du moteur piézoélectrique à onde progressive avec des hypothèses simplificatrices pertinentes garantes de résultats utilisables et de temps de calcul raisonnables. L'identification et la validation du modèle analytique a été effectuée en comparant les caractéristiques mesurées (par rapport aux trois grandeurs de commande possibles : amplitude, fréquence et déphasage des deux tensions de phase) avec celles obtenues en simulation dans le cas particulier du moteur SHINSEI USR60. Cela a été possible grâce à la réalisation d'une plate-forme d'essai modulaire. Des caractéristiques de contrôle fortement non-linéaires et des paramètres du moteur variants avec le temps dues aux dérives thermiques, comme par exemple la fréquence de résonance, rendent difficile la conception d'un algorithme de commande capable d'exploiter, dans différentes conditions de fonctionnement, le potentiel du moteur. Nous introduisons dans cette thèse un contrôle inédit garantissant une réponse en boucle fermée indépendante du point de fonctionnement du moteur. De plus l'algorithme de contrôle proposé permet de contourner les discontinuités de comportement typiques de ces moteurs avec une puissance informatique très raisonnable. Une extension importante dans la gamme des applications des actionneurs piézoélectriques est enfin proposée dans la dernière partie de cette thèse. Il s'agit de la réalisation d'une interface haptique à retour d'effort à un degré de liberté compatible aux environnement IRMf (imagérie par résonance magnétique fonctionnelle). La possibilité d'utiliser une interface robotique dans un environnement IRMf, permettra aux neurologues d'étudier le fonctionnement du cerveau lorsque le patient interagit avec des environnements dynamiques virtuels. Dès lors, un tel système pourrait devenir un outil important dans la recherche neurologique et la rééducation. Il y a cependant un problème important pour des systèmes mécatroniques fonctionnant dans un environnement IRMf : les actionneurs couramment utilisés en robotique ainsi que les matériaux conventionnels interfèrent avec le champ magnétique présent à l'intérieur du scanner IRMf. La perturbation des images et un mal fonctionnement de l'équipement seront des conséquences non tolérables. Chaque composant du prototype développé a été conçu et optimisé dans l'optique de compatibilité à l'environnement IRMf. En particulier le moteur piézoélectrique, grâce à ses caractéristiques intrinsèques (immunité aux champs magnétiques élevées et absence de champs magnétiques parasites), a été retenu comme l'actionneur optimal pour notre application.