PI: actuateurs piezos, platines et electroniques

 
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Théorie du Piézo
 
Caractéristiques et Applications des Systèmes de Positionnement Piézos
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Cinématique / Métrologie Parallèlles et Série
PMN Comparés aux  PZT
Résumé
Guide de Montage et de Maniement des Translateurs Piézos

THÉORIE DU PIÉZO


 

Méthodes pour Améliorer  la  Dynamique   Piézo  
 

Le comportement dynamique d'un système de positionnement piézo dépend de plusieurs facteurs dont la fréquence de résonance du système, le capteur de position et le contrôleur utilisé. Les contrôleurs de conception  simple  limitent la bande passante de poursuite  en boucle fermée utilisable du système piézoélectrique à 1/10 de la fréquence de résonance du système. PI offre des contrôleurs qui augmentent considérablement la dynamique de l'actuateur piézo  (see table). Deux de ces méthodes sont décrites ci-dessous; des informations complémentaires peuvent être fournies sur demande. 

L'InputShaping® Interrompt  les Oscillations Structurelles Induites par un Déplacement de Vitesse Élevée. 
Une technologie brevetée à réaction positive en temps réel, appelée  InputShaping® annule les résonances à l'intérieur et à l'extérieur de la boucle d'asservissement et élimine pratiquement la phase d'établissement. La procédure nécessite la  détermination de toutes les fréquences critiques de résonance dans le système. Un instrument  de mesure de vibrations sans contact comme le Vibromètre Doppler Laser de Polytec est particulièrement bien adapté pour de telles mesures. Les valeurs, dont la plus importante est  la fréquence de résonance de l'échantillon sur la platine sont alors chargées dans le processeur de signal InputShaping®. Là, les algorithmes sophistiqués de traitement du signal  s'assurent  qu'aucune résonance indésirée dans le système ou  ses composants auxiliaires ne soit excitée. Comme le  processeur est à l'extérieur de la boucle d'asservissement, il peut  fonctionner aussi bien en boucle ouverte.  
Le résultat: le déplacement le plus rapide possible, avec un temps d'établissement égal à une période de la fréquence de résonance la plus faible. InputShaping® a été développé  en se basant sur des recherches effectuées au MIT (Massachusetts Institute of Technology) et commercialisées par Convolve, Inc. (www.Convolve.com). C'est une option pour plusieurs des contrôleurs piézos numériques de  PI .

 Pré-Mise en Forme du Signal  / Linéarisation Numérique Dynamique  (DDL)
Le Signal Preshaping (pré-mise en forme du signal), est une technique brevetée, qui permet de réduire l'atténuation progressive, l'erreur de phase et l'hystérésis dans les  applications avec entrées répétitives (périodiques). Le résultat est d'améliorer la bande passante  effective, principalement pour les applications d'ajustage telles la réalisation de faux-ronds sur des pièces mécaniques ou optiques de précision. Le Signal Preshaping est implanté en code exécutable, basé sur une  approche analytique qui calcule  la fonction de transfert complexe du système puis la transforme mathématiquement et l'applique  par compensation amont pour réduire l'erreur de poursuite. 

Le Signal Preshaping est plus efficace que de simples approches par déphasage et peut améliorer la bande passante effective par un facteur de 10 dans les applications multi-fréquence.

La réponse en fréquence et les harmoniques (produites par la non-linéarité de l'effet piézo) sont déterminées en deux étapes en utilisant la Transformation de Fourier Rapide (FFT), et les résultats sont utilisés pour calculer le nouveau profil de commande pour la  trajectoire. Le nouveau signal de commande  compense  les non linéarités du système.  
Par exemple,il est possible d'augmenter la fréquence de la   commande de 20 Hz à 200 Hz pour un piézo avec une fréquence de  résonance de 400 Hz sans compromettre  la  stabilité. En même temps, l'erreur de poursuite est réduite par un facteur d'environ  50.


Linéarisation Numérique Dynamique (DDL)
La DDL est similaire  en performance à l'Input Preshaping, mais  est plus simple à utiliser. En plus, elle peut optimiser un déplacement  multiaxial tel qu'un balayage ligne par ligne ou un traçage d'une ellipse. Cette méthode nécessite ni   métrologie externe ni traitement du signal, mais est entièrement  intégrée dans les contrôleurs numériques  E-710 et E-711. La DDL utilise l'information de position des capteurs capacitifs intégrés dans le mécanisme piézo  (nécessite une  métrologie directe) pour  calculer  le signal de commande optimum. Comme pour le preshaping, le résultat conduit à une amélioration de la linéarité et de la précision de traçage jusqu'à 3 ordres de magnitude.

 

Fig. 33. InputShaping® eliminates the recoil-driven resonant reaction of loads and neighboring components due to rapid nanopositioner actuation. <br>Top: Polytec Laser Vibrometer reveals the resonant behavior of an undamped fixture when the nanomechanism is stepped. <br>Bottom: Same setup, same step, but with InputShaping®. Structural ringing is eliminated. With no excitation of vibration in the moved components, the target position is attained in a time smaller than one period of the resonant frequency.
Fig. 33. Le InputShaping®   élimine la réaction de résonance due au  recul  des charges et des  composants adjacents  par la commande  rapide du nanopositionneur.
En Haut: Un Vibromètre Laser de Polytec  révèle  le comportement  résonant d'un  système  non amorti quand le nanomécanisme est soumis à un pas de tension. 
En Bas: Même  installation, même pas, mais avec l'InputShaping® . L'oscillation structurale est éliminée. Sans excitation de vibration dans les composants déplacés, la position  désirée  est atteinte en un temps plus court qu'une période de la fréquence de résonance.
Fig. 34 a. Signal preshaping, phase 1.
Fig. 34 a. Pré-mise en forme du signal, phase 1

 
Fig. 34 b. Signal preshaping, phase 2.
Fig. 34 b. Pré-mise en forme  du signal, phase 2
 
Fig. 35. No preshaping. <br>A: Control input signal (expected motion). <br>B: Actual motion of system.<br>C: Tracking error.
Fig. 35. Pas de pré-mise en forme
A: Signal d'entrée de commande
(déplacement attendu).
B: Déplacement réel du système.
C: Erreur de poursuite

 
Fig. 36. Signal after preshaping phase 2.<br>A: Expected Motion (old control signal). <br>B: Actual motion of system. <br>C: New control input (producted by preshaping). <br>D: Tracking error.
Fig. 36. Signal après la pré-mise en forme de la phase 2 
A: Déplacement attendu (ancien signal de commande).
B: Déplacement réel du système.
C: Nouvelle entrée de commande (produite par la pré-mise en forme).
D: Erreur de poursuite
 
Fig. 37 a. Elliptical scan in a laser micro-drilling application with XY piezo scanning stage, conventional PID controller. The outer ellipse describes the target position, the inner ellipse shows the actual motion at the stage.
Fig. 37 a. Balayage elliptique dans une application de microperçage au laser avec une platine XY à balayage piézo, et un contrôleur de type PID conventionnel. L'ellipse externe décrit la position désirée et l'ellipse interne montre le déplacement réel au niveau de la  platine.

 
Fig. 37 b. Same scan as before, with a DDL controller. Target and actual data can hardly be discerned. The tracking error has been reduced to a few nanometers.
Fig. 37 b. Même balayage qu'à gauche, avec un contrôleur à  DDL.  La position désirée  et les valeurs réelles peuvent difficilement être discernées. L'erreur de poursuite a été réduite à quelques nanomètres.
 
     

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