Convertisseurs statiques dédiés aux mini-actionneurs : du convertisseur au réseau

Static converters dedicated to micro-actuators : from the converter to the network

• Auteur / Autrice : Zhongtian Ye
• Direction : Nicolas Patin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Électrique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 19/04/2022
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande automatique

Modulation par impulsions

Modulateurs (électronique)

Circuits intégrés tridimensionnels

Régime transitoire (électricité)

Réseaux électriques (circuits)

Courants électriques

Convertisseurs continu-continu

Convertisseurs électriques

Microactionneurs

Actionneurs

Mots clés libres

Actionneur électromagnétique (EMA)

Structure de pont en H

Commande entrelacée

Contrôle rapide du courant

Intégration 3D

Electromagnetic actuator (EMA)

Full-bridge converter

Interleaved control

Fast current control

3D-integration

Micro-actuators

DC-to-DC converters

Automatic control

Electric current converters

Electric currents

Electric networks

Three-dimensional integrated circuits

Pulse modulation

Modulation

Résumé

Ce mémoire traite de la conception de convertisseurs électroniques de puissance DC/DC dédiés à un micro-actionneur électromagnétique (EMA) puis à un réseau de ces micro-actionneurs. Le principal objectif est de réaliser un contrôle autonome des EMA ainsi qu'une intégration compacte des actionneurs avec les convertisseurs associés. Différentes topologies de convertisseurs sont analysées pour satisfaire les exigences des actionneurs. La structure de pont en H a finalement été retenue pour réaliser cette fonction et deux prototypes ont été réalisés. L'un d'eux intègre un double pont en H est un actionneur unitaire (EMA à deux axes) et l'autre est une extension à un réseau à 2x2 actionneurs. Pour ce deuxième prototype, une conception multi-cartes en 3 dimensions s'est révélée nécessaire. Différentes stratégies de contrôle ont ensuite été testées et une stratégie de modulation de largeur d'impulsions (MLI) différentielle (i.e. MLI entrelacée) a été retenue pour un fonctionnement en régime établi tandis qu'une commande ''pleine onde'' de durée réglable a été utilisée pour une montée rapide du courant à l'activation de l'actionneur (régime transitoire) dans le but d'obtenir un temps de réponse optimal de celui-ci et potentiellement accélérer la fréquence de son pilotage. Le contrôle stable en boucle fermée tant en régime établi (entrelacement dynamique) d qu'en régime transitoire (durée de pleine onde) nécessite une mesure du courant dans l'actionneur mais pour des raisons d'intégration et de miniaturisation du système, une solution basée sur une mesure indirecte (en entrée des convertisseurs DC/DC) a été employée. La validation expérimentale de l'efficacité de ces techniques de commande a été effectuée à l'aide d'un circuit de type FPGA complétant logiciellement une conception pensée pour être adaptable à la taille de la matrice d'actionneurs.

This dissertation deals with the converter design dedicated to the elec-tromagnetic micro-actuator (EMA) and its array. The main objective is to realize the autonomous control of EMAs and the compact integration of converters and EMAs. Different converter topologies are investigated to meet challenges proposed by the EMA. The full-bridge converter is finally chosen to be fabricated. There are two fabricated prototypes. One is the full-bridge converter integrated with an EMA unit, the other is the converter network integrated with a 2 × 2 EMA array. These prototypes validate the compact 3D-integration of converters and EMAs. Different control strategies are also investigated to realize the autonomous control of EMA. Differential PWM control is proposed to drive the EMA bidirectionally. Fast current control based on the initial full-wave is studied to ensure the timely drive of EMA. The closed-loop control using indirect current sensing is established to ensure the full-wave control stability. Interleaved control strategy is analyzed both with balanced and unbalanced branches. The dynamic interleaved control is proposed for the converter network in order to minimize the current ripple. Experimental results validate the effectiveness of these proposed control strategies. In general, this dissertation presents a scalable converter design for the EMA array and studies the global control of the converter network.