Modélisation et contrôle en position des moteurs piezoélectriques

The Piezoelectric motors present aninteresting alternative to electromagneticsmotors for precise positioning systems. This ismainly due to their high accuracy in thenanometer scale, and to their very lowelectromagnetic noise levels. In this context, thework presented in this thesis deals with themodeling, design, and real time implementationof position controllers for piezoelectric motors.The objective is to propose robust closed loopposition controller of piezoelectric motors forrobotic applications. Based on the applicationspecification requirements, three motors withdifferent topologies (USR60, PAD7220, N-310.10) are selected. Their electro mechanicmodels are developed in order to validate theiroperating principle and to analyze theirdynamics.These models are also used to simulate thecontroller algorithms in closed loop.Experimental platforms based on the threemotors are designed, and the reduced modelslinking the motor positions to the correspondingcontrol signals are experimentally identified.Afterwards, two position controllers of type Hinfinity(H∞) and RST are synthesized andsimulated. These controllers are implemented inreal time via the experimental platformsequipped by dSPACE boards. The performancesof each motor in closed loop associated to theposition controllers are evaluated using theexperimental results. Comparative studybetween the experimental results of twoproposed controllers and conventional PIDcontroller is also presented.Université Paris-Pour des applications depositionnement, les moteurs piézoélectriquesprésentent aujourd’hui une alternativeintéressante aux moteurs électromagnétiquesclassiques en raison de leur forte précision del’ordre de quelques nanomètres ainsi que de leurfaible niveau de bruit électromagnétique. Dansce contexte, les travaux de cette thèse portent surla modélisation, la conception, et l’implantationen temps réel de contrôleurs en position pour desmoteurs piézoélectriques. L’objectif est deproposer un système de contrôle en positionrobuste pour des applications robotiques avecun cahier des charges prédéfini. Trois moteurspiézoélectriques avec des principes defonctionnement différents (USR60, PAD7220,N-310.13) ont été choisis. Leurs modèlesélectromécaniques ont été développés afin devalider leurs principes de fonctionnement etd’analyser leurs comportements dynamiquesface à des perturbations (variation de couple decharge, de température, etc…). Ensuite, cesmodèles sont utilisés pour simuler et valider lesperformances des algorithmes de contrôle enboucle fermée notamment en termes deprécision, de robustesse et de stabilité. Desbancs de test expérimentaux ont été mis enœuvre pour les trois moteurs, et des modèlesréduits reliant les positions des moteurs auxsignaux de commande correspondants ont étéidentifiés expérimentalement. Deux contrôleursde position de type H-infini (H∞) et RST sontensuite synthétisés et simulés. Ces contrôleurssont implantés en temps réel sur les bancs detests expérimentaux via un système dSPACE.Les performances de chaque moteur associé à sacommande sont évaluées. Une étudecomparative entre les résultats expérimentauxde ces deux contrôleurs et ceux d’un contrôleurPID classique est aussi présentée

Modeling and RST position control of Rotary Traveling Wave Ultrasonic Motor

International audienc

H-infinity and RST Position Controllers of Rotary Traveling Wave Ultrasonic Motor

International audienceTraveling Wave Ultrasonic Motor (TWUM) is a compact, precise, and silent actuator generating high torque at low speed without gears. Moreover, the TWUM has a high holding torque without supply, which makes this motor as an attractive solution for holding position of robotic arms. However, their nonlinear dynamics, and the presence of load-dependent dead zones often limit their use. Those issues can be overcome in closed loop with effective and precise controllers. In this paper, robust H-infinity (H∞) and discrete time RST position controllers are presented. The H∞ controller is designed in continuous time with additional weighting filters to ensure the robustness in the case of uncertain motor model and external disturbances. Robust RST controller based on the pole placement method is also designed and compared to the H∞. Simulink model of TWUM is used to validate the stability and the robustness of the two proposed controllers

Modeling and Robust Closed Loop Position Controllers of Piezoelectric Actuator Drive (PAD)

International audienc

Real time implementation of H-infinity and RST motion control of rotary traveling wave ultrasonic motor

International audienceThis paper deals with design, performances comparison and experimental validation of H-infinity (H∞) and discrete time RST position controllers for a Traveling Wave Ultrasonic Motor (TWUM) which is dedicated to robotic applications. The proposed positioning system shows high precision levels of piezoelectric motor without additional hysteresis and dead zone compensation systems. Moreover, the perturbation rejection capability and the robustness to motor parameters variation are guaranteed. The synthesis procedure of robust H∞ and RST position controllers is detailed. The performances of the proposed controllers are validated by simulation and experimental results