Contribution à l'application des capteurs en technologie MEMS pour la commande sans fils des actionneurs électriques

Contribution to MEMS Technology sensors for wireless controls of electrical actuators

• Auteur / Autrice : Ibtissem Akacha Helal
• Direction : Maria Pietrzak-David, Najiba Mrabet-Bellaj
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 08/12/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT en cotutelle avec École nationale d'ingénieurs de Tunis (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Ilhem Slama-Belkhodja
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Pietrzak-David, Najiba Mrabet-Bellaj, Fethi Choubani, Mohamed Benbouzid, Tân-Hoa Vuong, Mohamed Bousalem, Jacques David
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fethi Choubani, Mohamed Benbouzid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces utilisateur (informatique)

Actionneurs

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Mems

Commande

Sans fils

Actionneurs électriques

Vitesse

Surveillance

Mems

Control

Electrical actuators

Wireless

Velocity

Monitoring

Résumé

Ces travaux de recherche s’inscrivent dans le cadre d’une coopération scientifique entre le Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie(LAPLACE) à l’Institut National Polytechnique de Toulouse en France et le Laboratoire des Systèmes Electriques (LSE) de l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis en Tunisie. L’objectif principal de cette étude consiste à proposer une structure de « smart-machines » en vue de l’intégrer dans un réseau de systèmes supervisés et pilotés à distance. A cette fin, nous développons de nouveaux types de capteurs embarqués intelligents et autonomes pour assurer à la fois la supervision et le contrôle des actionneurs électriques tournants. Les différentes contraintes, comme les dimensions, la mesure in situ (directement sur le rotor de ces machines), la robustesse de ces capteurs en milieu à forts champs électromagnétiques, et aussi le faible coût du produit ont orienté notre choix vers les accéléromètres en technologie MEMS (Micro Système Electro Mécanique). Ces composants présentent plusieurs avantages, d’une part par leurs faibles dimensions, et d’autre part par leurs faibles consommations d’énergie. De plus, de par leurs conceptions, les tensions électriques issues des différentes sorties de ces composants sont proportionnelles à des déplacements de petites masses, qui nécessitent la mise en place de différents algorithmes de traitement du signal afin d’extraire la vitesse de rotation à partir ces actionneurs. Cela nous a conduits à employer la variance d’Allan et des algorithmes génétiques pour obtenir la meilleure qualité des mesures données par ces capteurs. Dans la première partie, nous développons une maquette de mesure de la vitesse de rotation d’un moteur en utilisant un système de balais donc une transmission filaire. Ensuite dans la deuxième partie un système sans fils a été mis en place à la fois sur une machine à courant continu et sur une machine asynchrone de 1,5 kW. Ces études nous ont permis d’obtenir, en plus d‘une mesure de la vitesse de rotation et de l’accélération du moteur, une méthode fiable et apte à déceler les défauts de désalignement de l’axe de rotation du moteur ainsi que les vibrations de ce dernier. Enfin, une IHM (Interface Homme Machine) a été conçue, afin de rendre, quasi-transparents vis-à-vis de l’utilisateur les différents post-traitements. Globalement, notre approche permet d’obtenir un système de capteur de vitesse de rotation aussi fiable que ceux existants, avec l’avantage d’être intégré au sein du rotor avec la possibilité de superviser les défauts de désalignement ou de vibration d’un actionneur et ensuite de les transmettre à distance sans fils.

These research works join within the framework of scientific cooperation between two laboratories: LAPLACE at National Polytechnic Institute of Toulouse in France and LSE at National School of Engineers from Tunis in Tunisia. The main objective of this study consists in proposing a structure of “smart-machines” to introduce them in a network of systems supervised and remote controlled. Consequently, we develop new type of intelligent and autonomous embedded sensors to guarantee simultaneously the supervision and the control of the rotating electrical actuators. The several constraints such as : the dimensions, the measure in situ (directly on the rotor of these machines), the robustness of these sensors in very strong electromagnetic field environment, and also the low cost of the product, have oriented our choice to accelerometers in technology MEMS (Micro Electro Mechanical System). These components present different advantages, on one hand by their low dimensions, and on the other hand by their low energy consumption. Moreover, because of their designs, the electrical voltages obtained from the various outputs of these components are proportional to the small masses movement. The using of them requires the implementation of several signal processing algorithms to extract the rotation speed from these actuators. This led us to use the Variance of Allan and the Genetic Algorithms, to obtain the best certainty of measurements given by these sensors. So, in the first part of this study we develop a measurement device of the rotation speed of an actuator by using a system of brooms thus a wired transmission. Then, in the second part a wireless system was set up at the simultaneously on a direct current (DC) machine and on an induction machine of 1,5 kW. These studies allowed proposing, besides a measure of the electrical actuator rotation speed and its acceleration, the reliable method able to determine the fault of misalignment of the actuator rotation axis as well as its vibrations. Finally, an MMI (Man Machine Interface) was designed, to make quasi-transparent according to the user, the different post signal processing’s. Globally, our approach allows obtaining rotation speed sensor system as reliable as those existing, with the advantage to be integrated within the rotor with the possibility to supervise the actuator axis misalignment fault or its vibration and then to transmit them remote by wireless.