APPLICATION DES SYSTEMES STRUCTURES A L’ETUDE DU

Marie-Therese

Description

Sujet de Thèse Lévitation à l’aide d’actionneurs hybrides magnéto-piézo-électriques Conception et commande d’un démonstrateur à 2 dimensions Responsables : Au Département Automatique : Suzanne LESECQ Email : [e-mail] Tel : [phone] Au G2E-lab : Equipe Microsystèmes magnétiques et hybrides Guylaine POULIN: [e-mail] 71 30 Jérôme DELAMARE Email : [e-mail] Tel : 04 76 82Site web du Département Automatique : http://www.lag.ensieg.inpg.fr G2E-lab : http://www.leg.ensieg.inpg.fr MOTS-CLES : Lévitation magnétique, actionneurs piézoélectriques, modélisation, commande. CADRE ET OBJECTIFS DU SUJET : Cadre du sujet Pour commander un actionneur électrique, la démarche habituelle consiste à utiliser des conducteurs parcourus par un courant. Cette solution a pour inconvénient d’engendrer des pertes par effet Joule. Habituellement, ces pertes sont faibles devant la puissance transmise. Cependant, quand l’actionneur exerce une force et reste dans une position d’équilibre, il dissipe de la puissance sans pour autant en fournir. Les actionneurs piézoélectriques sont quant à eux commandés en tension. En position fixe, ils sont donc capables d’exercer des forces sans consommation de courant (aux pertes diélectriques près, et celles-ci sont très faibles en comparaison de pertes par effet Joule, et pour une même configuration effort-position). Ces actionneurs sont généralement limités en ...

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• Langue: Français

Extrait

Département Automatique – GIPSA-lab, B.P. 46, 38402 Saint Martin d’Hères cedex

Sujet de Thèse

Lévitation à l’aide d’actionneurs hybrides magnéto-piézo-électriques

Conception et commande d’un démonstrateur à 2 dimensions

Responsables :

Au Département Automatique :

Suzanne LESECQ

Email :

[e-mail]

Tel : [phone]

Au G2E-lab :

Equipe Microsystèmes magnétiques et hybrides

Guylaine POULIN

Email :

[e-mail]

Tel : [phone]

Jérôme DELAMARE

Email :

[e-mail]

Tel : [phone]

Site web du Département Automatique :

http://www.lag.ensieg.inpg.fr

Site web du G2E-lab :

http://www.leg.ensieg.inpg.fr

MOTS-CLES :

Lévitation magnétique, actionneurs piézoélectriques, modélisation, commande.

CADRE ET OBJECTIFS DU SUJET :

Cadre du sujet

Pour commander un actionneur électrique, la démarche habituelle consiste à utiliser des

conducteurs parcourus par un courant. Cette solution a pour inconvénient d’engendrer des pertes par

effet Joule. Habituellement, ces pertes sont faibles devant la puissance transmise. Cependant, quand

l’actionneur exerce une force et reste dans une position d’équilibre, il dissipe de la puissance sans

pour autant en fournir.

Les actionneurs piézoélectriques sont quant à eux commandés en

tension. En position fixe, ils sont donc capables d’exercer des forces

sans consommation de courant (aux pertes diélectriques près, et

celles-ci sont très faibles en comparaison de pertes par effet Joule,

et pour une même configuration effort-position). Ces actionneurs

sont généralement limités en déplacement (typiquement inférieur au

mm). Pour des matériaux récents appelés composites à fibres

piézoélectriques (MFC ou Macro Fiber Composite), les amplitudes

de déplacement peuvent atteindre le centimètre ce qui rend leur

utilisation tout à fait adaptée à l’application visée.

En couplant MFC et aimant permanent, nous avons réalisé un champ magnétique variable commandé

par une tension. L’actionneur hybride ainsi constitué offre des perspectives intéressantes, tant à

l’échelle centimétrique que pour les microsystèmes électromécaniques (MEMS).

Pour démontrer la validité de ce principe, l’actionneur hybride est intégré dans la chaîne de

contrôle d’une sphère en lévitation. Ce travail est en cours, dans le cadre d’un stage de Master

Recherche co-encadré par le LAG et le LEG. Un asservissement de position est nécessaire afin de

maintenir la sphère à la hauteur souhaitée. La commande est effectuée à partir de la mesure fournie

par un capteur de position sans contact. Ce 1

er

démonstrateur à une dimension est destiné à mettre

en évidence les avantages et les inconvénients de la structure hybride à actionneur magnéto-piézo-

électrique.

Département Automatique – GIPSA-lab, B.P. 46, 38402 Saint Martin d’Hères cedex

Objectifs du sujet

Les résultats obtenus lors de cette pré-étude montrent qu’il est tout à fait réaliste d’envisager

d’utiliser ces actionneurs hybrides pour appliquer des forces de suspension en 3 dimensions et

d’asservir la position de la sphère dans l’espace. Néanmoins, avant d’aborder le problème à 3

dimensions, le candidat devra valider pleinement le prototype en 2 dimensions (asservissement de la

position de la sphère suivant l’axe vertical) en cours de développement.

Dans ce cadre, nous proposons un sujet de thèse dont les objectifs sont les suivants :

•

Modélisation du système instable.

Une attention particulière sera portée aux actionneurs, dont le comportement est non linéaire

pour des amplitudes de tension élevées.

•

Conception du démonstrateur à 2 dimensions

.

Il sera constitué de la masse mobile aimantée, des actionneurs hybrides, de l’alimentation, de

capteurs, d’une chaîne dSpace et du logiciel Matlab – Simulink temps réel.

•

Proposition, test et comparaison de différentes lois de commande.

•

Intégration de l’électronique de commande et d’alimentation :

ƒ

Suppression des capteurs, par exemple grâce à un estimateur de la position du

mobile.

ƒ

Conception des lois de commande avec prise en compte des contraintes liées à

une électronique miniaturisée.

•

Miniaturisation du dispositif de lévitation (mobile, actionneurs, capteurs).

On évaluera l’évolution des performances en fonction de la réduction d’échelle. Un

démonstrateur micrométrique est envisagé en collaboration avec le Laboratoire Louis Néel

(LLN) pour le dépôt d’aimants hautes performances, et le laboratoire TIMA pour la conception

de MEMS piézoélectriques. Ces 2 laboratoires et le LEG sont déjà impliqués dans un projet

de microsources hybrides thermo-électriques (soutien BQR 2006) basées sur les mêmes

types de matériaux que pour notre projet de lévitation.

Cette thèse requiert des compétences tant sur le plan théorique qu’expérimental. La

connaissance des matériaux piézoélectriques n’est pas indispensable, mais des compétences solides

en automatique et en électronique sont indispensables.

References

[1]

Oka K., Higuchi T., Magnetic levitation system by reluctance control : levitation by motion control of

permanent magnet, Int. J. of Applied Electromagnetics in Materials 4 (1994) 369-375.

[2]

Morita T., Shimizu K., Hasegawa M., Oka K., Higuchi T., A Miniaturized Levitation System with

Motion control using a Piezoelectric Actuator, IEEE Trans. On Control Systems Technology 10

(2002),666-670.

[3]

Smart Materials Corporation, www.smart.materials.com