Recherche, développement et réalisation d'un contrôleur de Fabry-Perot de nouvelle génération

Research, development and realization of a new generation Fabry-Perot controller

• Auteur / Autrice : Issa Ouattara
• Direction : Philippe Amram, Jean-Luc Gach
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation
• Date : Soutenance le 25/06/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Layet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Carignan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Étienne Le Coarer, Philippe Feautrier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique -- Instruments

Astronomie -- Instruments

Kalman, Filtrage de

Capteurs piézoélectriques

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Mots clés libres

Interféromètre de Fabry-Perot

Actionneur piézoélectrique

Capteur capacitif

Amplificateur de charge

Amplificateur hybride

Co-Design

Zynq

Asservissement PID

Filtre de Kalman

Commande LQG

Fabry-Perot interferometer

Piezoelectric actuator

Capacitive sensor

Charge amplifier

Hybrid amplifier

Co-Design

Zynq

PID control

Kalman filter

LQG control

Résumé

L’équipe Physique des Galaxies du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille a développé un nouveau type d'interféromètre de Fabry-Perot, équipé de trois actionneurs piézoélectriques amplifiés et de trois capteurs capacitifs permettant le contrôle de l'espacement et du parallélisme des lames de verres de l'ordre de 200 µm avec une précision de positionnement du nm.L'objectif visé de ce manuscrit, composé de 3 parties, est le pilotage de cet interféromètre. La première partie, composée des chapitres 1 et 2, présente les généralités sur l'interférométrie de Fabry-Perot puis décrit les instruments 3DNTT et BTFI où seront installés l'interféromètre de nouvelle génération et son contrôleur associé. La conception et la réalisation d'un amplificateur hybride en vue de la réduction des non-linéarités des actionneurs piézoélectriques mettent fin à cette partie.La deuxième partie, chapitres 3 et 4, décrit le développement et la réalisation du contrôleur. Pour cela, une démarche basée sur le concept du Co-design a été adoptée.Le contrôleur ainsi réalisé est composé d'une carte de développement Microzed dont le cœur est un système sur puce de la série Zynq 7000 EPP et d'une carte d'interfaçage comportant des convertisseurs 3 ADC et 3 DAC et des circuits d'alimentation. La troisième et dernière partie, chapitres 5 et 6, traite de la modélisation d'état de l’interféromètre de Fabry-Perot et de son contrôle : un contrôle classique basé sur la régulation PID et un contrôle robuste et optimal basé sur le filtrage de KALMAN. Cette dernière partie conclut sur les perspectives pouvant découler des contributions de ce travail sur le contrôle et la commande Fabry-Perot.

The Physics of Galaxies Team of Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM) has developed a new type of Fabry-Perot, with three amplified piezoelectric actuators and three capacitive sensors to control the spacing and parallelism of mirror plates of approximately 200 µm with a positioning accuracy of 3 nm.The purpose of this manuscript, consisting of 3 parts is the control of this interferometer.The first part, consisting of Chapters 1 and 2 presents the general interferometry Fabry-Perot and then describes 3DNTT and BTFI instruments which will be installed the next generation interferometer and its associated controller. The design and implementation of a hybrid amplifier to reduce non-linearities of the piezoelectric actuators (hysteresis and creep) end this first part.The second part, Chapters 3 and 4, describes the development and implementation of the controller.For this, an approach based on codesign concept was adopted. The thus achieved controller consists of a Microzed development board whose heart is a system on chip of the 7000 series Zynq EPP (FPGA + Dual-Core ARM Cortex A9) and an interface card with converters (3 ADC and 3 DAC) and power supply circuits.For the finalization of the controller, two steps are necessary: hardware design in Xilinx Vivado and software design in Xilinx SDK.The third and final section, chapters 5 and 6 deals with the Fabry-Perot space-state modeling and its control: a classic control based on PID control and a robust and optimal control based on KALMAN filtering. This last part concludes the outlook may result from contributions of this work on the monitoring and control of the Fabry-Perot.