Contribution à la conception et au développement d'un capteur de force piézoélectrique sans fil pour la direction assistée électrique

Contribution to the design and development of a wireless piezoelectric force sensor for Electric Power Steering system

• Auteur / Autrice : Salaheddine Safour
• Direction : Yves Bernard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Luc Chassagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Bernard, Luc Chassagne, Jean-Paul Ferrieux, Lionel Petit
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Paul Ferrieux, Lionel Petit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expériences

Sciences

Piézoélectricité

Capteurs de force

Mots clés libres

Capteur de force

Piézoélectricité

Couplage magnétique résonant

Modélisation

Expérimentation

Force sensor

Piezoelectricity

Resonant magnetic coupling

Modeling

Experimentation

Résumé

Les équipementiers automobiles d’organes à hautes exigences sécuritaires travaillent sans cesse sur l’amélioration de la sûreté de fonctionnement de leurs systèmes et préparent leur insertion dans l’air du véhicule autonome. Dans ce cadre, nous avons travaillé sur la conception et le développement d’un capteur de force pour la direction à assistance électrique (DAE) avec le défi de proposer une solution sans fil, facile à fabriquer et à intégrer au système. Dans cette thèse, des travaux de modélisation et d’expérimentation ont porté principalement sur deux aspects : le capteur de force et son alimentation sans fil. Pour la mesure de force, une solution basée sur l'utilisation d'un matériau piézoélectrique a été proposée. L’utilisation d’un tel matériau pour la mesure de la composante dynamique de la force est largement répandu, cependant la mesure statique reste extrêmement réduite aux applications MEMS (mesure de pression). La technique repose sur l’onde acoustique de volume (Bulk Acoustic Wave). Un échantillon piézoélectrique inséré dans une structure, soumis à une force voit sa fréquence de résonance varier. Des travaux de modélisation analytique, éléments finis et multi-échelle ainsi que de l’expérimentation ont permis de comprendre les phénomènes physiques mis en jeux dans ce type de transducteur et de proposer des orientations pour la conception du transducteur de force optimal. Un démonstrateur a été mis en place permettant la mesure d’une force statique maximale de 1500 N. L'alimentation sans fil du capteur est assurée par la technique du couplage magnétique résonant. Vu le caractère conducteur et ferromagnétique de l’environnement du système de direction, une approche de modélisation basée sur la méthode des éléments finis et la méthode des constantes localisées a été mise en place afin d’étudier le comportement d’une telle technique dans cet environnement. Par la suite, une conception a été proposée et un prototype a été réalisé. Des mesures expérimentales ont montré que la conception répond au cahier des charges imposé par l’entreprise.

Original equipment manufacturer for automotive components with high safety requirements are continually working to improve the system safety and prepare their integration to the driverless car. Within this context, we worked on the design and development of a force sensor for the electric power steering (EPS) system with the challenge of providing a wireless solution, easy to manufacture and to integrate to the system. In this thesis, modeling and experimental activities have focused mainly on two aspects: the force sensor and its wireless power supply system. For force measurement, a solution based on piezoelectric material was proposed. The use of such material to measure the dynamic component of the force is widespread; however, static force measurement remains extremely limited to MEMS applications (pressure measurement). The technic utilizes the bulk acoustic wave (BAW). The resonance frequency of a piezoelectric specimen positioned within a mechanical structure varies with an externally applied force. Analytic modeling activities, finite element method based and multi-scale approach with experimentation activities allow the understanding of the physical mechanisms behind the observed behavior of the transducer and to propose guidance for optimal design of the force transducer. A demonstrator was set up and showed a static force measurement capability up to 1500N.The wireless power supply is achieved by the resonant magnetic coupling technique. In order to analyze the effect of the environment of the electric power steering system characterized by conductive and ferromagnetic parts, a modeling approach based on the finite element method and the lumped-element method was adopted. Afterwards, a design was proposed and a prototype was carried out. The experimental measurement shows that the design meets the company requirements.