Thèse soutenue

Conception et commande de systèmes de positionnement piézoélectriques, de haute résolution, à multiples degrés de liberté avec une mesure embarquée par self-sensing

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Auteur / Autrice : Joël Bafumba Liseli
Direction : Micky RakotondrabePhilippe LutzJoël Agnus
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Automatique
Date : Soutenance le 02/07/2019
Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
Etablissement de prépartation : Université de Franche-Comté (1971-....)
Jury : Président / Présidente : Nicolas Chaillet
Examinateurs / Examinatrices : Micky Rakotondrabe, Philippe Lutz, Joël Agnus, Nicolas Chaillet, Skandar Basrour, Mathieu Grossard, Rudolf Seethaler, Adrien Badel
Rapporteurs / Rapporteuses : Skandar Basrour, Mathieu Grossard

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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De nos jours, les systèmes intègrent de plus en plus de fonctionnalités dans des volumes de plus en plus petits grâce aux microcomposants intégrés. L'assemblage de ces microcomposants nécessite des systèmes de manipulation précis et reproductibles. Un nombre considérable de recherches ont été menées afin de mettre au point des actionneurs et des microrobots capables d'effectuer des tâches de positionnement ou de manipulation avec des précisions microniques voire submicroniques. Les technologies piézoélectriques jouent un rôle fondamental dans les applications de positionnement à résolution nanométrique ou même inférieure. Ces matériaux permettent la conception et le développement de systèmes de positionnement avec résolution et bande passante élevées. Cependant, des effets non linéaires tels que l'hystérésis et la dérive lente affectent la précision de la position des systèmes à base piézoélectrique s'ils ne sont pas contrôlés. Souvent, des capteurs de position sont montés sur ces systèmes pour permettre un contrôle en boucle fermée et l'élimination des effets d'hystérésis et de dérive lente. Néanmoins, l'intégration de capteurs permettant un asservissement robuste et de qualité pose des problèmes spécifiques aux microrobots. Cela est particulièrement vrai lorsque le nombre de degrés de liberté augmente. En effet, les capteurs de position qui jouissent d'une bonne résolution et précision sont généralement très volumineux et coûteux. Les solutions alternatives à l’intégration de capteurs de position externes peuvent être regroupées en deux catégories: soit par contrôle en boucle ouverte, également appelé schémas de contrôle prédictifs, soit par des techniques basées sur le contrôle par auto-détection (Self-Sensing Actuation - SSA), c’est-à-dire un contrôle en boucle fermée utilisant l'actionneur piézoélectrique comme son propre capteur.Dans cette thèse, l'objectif est de concevoir et de contrôler un système de positionnement basé sur la technologie piézoélectrique avec une méthode de mesure intégrée par SSA et ayant plusieurs degrés de liberté. À cette fin, les deux classes de SSA, à savoir le SSA basé sur l’effet direct piézoélectrique et le SSA basé sur la modification des propriétés électriques de l'actionneur piézoélectrique (PEA), sont étudiées en profondeur afin de déterminer celle qui convient le mieux au contrôle de la force et de la position dans les actionneurs piézoélectriques caractérisés par le fluage et non-linéarités d'hystérésis et consacrés à des opérations précises. De plus, cette étude présente un modèle constitutif et une technique d’identification de paramètres améliorés, qui prend en compte l’effet de couplage électromécanique et les non linéarités sur les propriétés du matériau piézoélectrique (constantes élastiques et diélectriques).Une nouvelle technique d'évaluation en temps réel des propriétés électriques du PEA est développée. Cette évaluation est basée sur la mesure de l’amplitude du courant de détection résultant de l’application d’une tension d’entrée haute fréquence de faible amplitude superposée à la tension d’entrée de commande qui actionne le PEA. Ensuite, un estimateur qui utilise le courant de détection pour estimer la position du PEA est conçu. Enfin, une plate-forme microrobotique pour le positionnement planaire à haute résolution avec la mesure intégrée par SSA développée est présentée.