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

Design and control of a piezoelectric positioning systems, with high resolution, multiple degrees of freedom and an embedded measurement by self-sensing

• Auteur / Autrice : Joël Bafumba Liseli
• Direction : Micky Rakotondrabe, Philippe Lutz, Joël 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
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de prépartation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Chaillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Micky Rakotondrabe, Philippe Lutz, Joël Agnus, Nicolas Chaillet, Skandar Basrour, Mathieu Grossard, Rudolf Seethaler, Adrien Badel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Skandar Basrour, Mathieu Grossard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs piézoélectriques

Mots clés libres

Conception

Commande

Piézoélectrique

Self-Sensing

Design

Control

Piezoelectric actuators

Self-Sensing

Impedance

Sensors

Piezoelectric materials

Automation at micro nano scales

Motion control

Force control

Self sensing

Résumé

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.

Currently, systems integrate more and more functionalities into smaller volumes thanks to embedded micro-components. The assembly of those components requires precise and repeatable systems of manipulation. Substantial amounts of research have been carried out for developing actuators and microrobots to perform positioning or manipulation with micron- or even submicron accuracies. Piezoelectric technologies play a fundamental role in positioning applications with nanoscale or even lower resolution. These materials make possible the design and development of positioning systems with high resolution and bandwidth. However, nonlinear effects such as hysteresis and creep affect the position accuracy of piezoelectric-based systems if not controlled. Often, position sensors are mounted to these systems to permit a feedback control and the elimination of the hysteresis and creep effects. Nonetheless, the integration of sensors to enable quality and robust servo control poses specific problems for microrobots. This is especially true when the number of degrees of freedom (DOF) increases. Precision position sensors are usually very bulky and expensive. Alternative solutions to the integration of external position sensors can be grouped into two categories: either by open-loop control, also called feedforward control schemes or by Self-Sensing Actuation (SSA) control-based techniques, that is, a feedback control that uses the piezoelectric actuator as its own sensor.In this thesis, the objective is to design and control a piezoelectric-based positioning system with an embedded measurement by SSA method and having several degrees of freedom. To this end, the two classes of SSA, namely SSA based on the piezoelectric direct effect and the SSA based on the change of electrical properties of the piezoelectric actuator (PEAs), are studied in depth to determine the more adequate for force and position control in piezoelectric actuators typified by creep and hysteresis nonlinearities and devoted to precise operations. Additionally, from this study, an improved constitutive model and parameter identification technique are presented which includes the electromechanical coupling effect on the piezoelectric material properties (elastic and dielectric constants).A novel technique for real-time evaluation of the PEA's electrical properties is developed. This evaluation is based on the measurement of the amplitude of the detection current that results from the application of high-frequency low amplitude input voltage that is superimposed to the control input voltage which actuates the PEA. Then an estimator that uses the detection current to estimate the PEA's position is designed. Finally, a microrobotics platform for planar positioning with high resolution and the developed embedded measurement by SSA is presented.