Modélisation et contrôle en position des moteurs piezoélectriques

Modeling and Position Control of Piezoelectric Motors

• Auteur / Autrice : Mouhanned Brahim
• Direction : Yves Bernard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 06/10/2017
• 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 : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Demba Diallo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Bernard, Demba Diallo, Mickaël Hilairet, Frédéric Giraud, Emanuele Grasso, Imen Bahri
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mickaël Hilairet, Frédéric Giraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécatronique

Commande non linéaire

Commande H-infini

Transducteurs piézoélectriques

Piézoélectricité

Mots clés libres

Moteurs piezoélectriques

Modélisation

Contrôle en position

H-infinis

RST

Robustesse

Piezoelectric motors

Modeling

Position control

H-infinity

RST

Robustness

Résumé

Pour des applications depositionnement, les moteurs piézoélectriquesprésentent aujourd’hui une alternativeintéressante aux moteurs électromagnétiquesclassiques en raison de leur forte précision del’ordre de quelques nanomètres ainsi que de leurfaible niveau de bruit électromagnétique. Dansce contexte, les travaux de cette thèse portent surla modélisation, la conception, et l’implantationen temps réel de contrôleurs en position pour desmoteurs piézoélectriques. L’objectif est deproposer un système de contrôle en positionrobuste pour des applications robotiques avecun cahier des charges prédéfini. Trois moteurspiézoélectriques avec des principes defonctionnement différents (USR60, PAD7220,N-310.13) ont été choisis. Leurs modèlesélectromécaniques ont été développés afin devalider leurs principes de fonctionnement etd’analyser leurs comportements dynamiquesface à des perturbations (variation de couple decharge, de température, etc…). Ensuite, cesmodèles sont utilisés pour simuler et valider lesperformances des algorithmes de contrôle enboucle fermée notamment en termes deprécision, de robustesse et de stabilité. Desbancs de test expérimentaux ont été mis enœuvre pour les trois moteurs, et des modèlesréduits reliant les positions des moteurs auxsignaux de commande correspondants ont étéidentifiés expérimentalement. Deux contrôleursde position de type H-infini (H∞) et RST sontensuite synthétisés et simulés. Ces contrôleurssont implantés en temps réel sur les bancs detests expérimentaux via un système dSPACE.Les performances de chaque moteur associé à sacommande sont évaluées. Une étudecomparative entre les résultats expérimentauxde ces deux contrôleurs et ceux d’un contrôleurPID classique est aussi présentée.

The Piezoelectric motors present aninteresting alternative to electromagneticsmotors for precise positioning systems. This ismainly due to their high accuracy in thenanometer scale, and to their very lowelectromagnetic noise levels. In this context, thework presented in this thesis deals with themodeling, design, and real time implementationof position controllers for piezoelectric motors.The objective is to propose robust closed loopposition controller of piezoelectric motors forrobotic applications. Based on the applicationspecification requirements, three motors withdifferent topologies (USR60, PAD7220, N-310.10) are selected. Their electro mechanicmodels are developed in order to validate theiroperating principle and to analyze theirdynamics.These models are also used to simulate thecontroller algorithms in closed loop.Experimental platforms based on the threemotors are designed, and the reduced modelslinking the motor positions to the correspondingcontrol signals are experimentally identified.Afterwards, two position controllers of type Hinfinity(H∞) and RST are synthesized andsimulated. These controllers are implemented inreal time via the experimental platformsequipped by dSPACE boards. The performancesof each motor in closed loop associated to theposition controllers are evaluated using theexperimental results. Comparative studybetween the experimental results of twoproposed controllers and conventional PIDcontroller is also presented.Université Paris-