EP3308409A1 - Device for controlling a piezoelectric actuator - Google Patents

Device for controlling a piezoelectric actuator

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Publication number
EP3308409A1
EP3308409A1 EP16730318.9A EP16730318A EP3308409A1 EP 3308409 A1 EP3308409 A1 EP 3308409A1 EP 16730318 A EP16730318 A EP 16730318A EP 3308409 A1 EP3308409 A1 EP 3308409A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
piezoelectric actuator
operational amplifier
circuit
control
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16730318.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Issa OUATTARA
Jean-Luc Gach
Philippe AMRAM
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aix Marseille Universite
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Aix Marseille Universite
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aix Marseille Universite, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Aix Marseille Universite
Publication of EP3308409A1 publication Critical patent/EP3308409A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/062Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. for removing hysteresis
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters

Definitions

  • the invention lies in the field of piezoelectric actuator controls, and in particular relates to a control circuit which makes it possible to reduce the hysteresis of such actuators.
  • piezoelectric actuators There are mainly two types of piezoelectric actuators: the direct actuators in which the displacement obtained in the order of one micrometer is equal to the deformation of the piezoelectric material, and the amplified actuators in which a mechanical circuit amplifies the movement. and thus increase the displacement which is of the order of a millimeter.
  • an electric field is used to obtain a deformation of the piezoelectric material and to control the displacement.
  • the control of an actuator may be a control voltage or load.
  • U.S. Patent 4,263,527 to Comstock discloses a control device in charge of a piezoelectric actuator.
  • U.S.7,015,621 B2 patent of Mizuuchi discloses a device for controlling the voltage of a piezoelectric actuator.
  • the voltage control has a major disadvantage in that the displacement of the actuator, which is a function of the applied voltage, is not linear. This in particular is due to variations in the physical parameters of the piezoelectric material, creep and hysteresis.
  • Creep (or "creep” in English) is a slow drift of deformation of the material as a function of time, which results in a slow elongation of the actuator under a constant tension and which leads to the position being set to a few percent per decade of time of the initial displacement instruction.
  • Hysteresis (or hysteresis) is the property of a system that tends to remain in a certain state when an external cause that has produced the change of state has ceased.
  • the piezoelectric actuators have a hysteresis between the applied voltage and the generated displacement. This non-linearity can vary between 10 and 20% depending on the nature of the material, and the movements of a piezoelectric actuator are not the same depending on whether it is a rising voltage or a decreasing voltage applied to it.
  • the patent application FR2850219 of J. Agnus et al. discloses a combined voltage and load control device for a piezoelectric actuator that provides linear open-loop static behavior, thereby reducing hysteresis.
  • the circuit requires the addition of switch and interrupt means to switch from one control mode to another.
  • An object of the present invention is to provide a system that can combine two types of control of a piezoelectric actuator, a voltage control and a load control, in which the switching between the load control and the control voltage is automatically, depending on the nature of the voltage applied to the input of the assembly.
  • the device of the present invention is simple to implement and inexpensive, using no other external circuit for controlling the piezoelectric actuators.
  • the gain of the device is the same in low and high frequency thanks to the adaptation of the capacitive or resistive bridge.
  • the gain of the amplifier is fixed by the resistances at low frequency or even continuously, while in high frequency, the gain is fixed by the capacitance of the capacitors formed by the piezoelectric actuator and the capacitor referred to as the reference capacitor C re f .
  • the reference capacitor C re f the capacitance of the capacitors formed by the piezoelectric actuator and the capacitor referred to as the reference capacitor C re f .
  • the hybrid amplifier can operate with any type of piezoelectric actuator for which there is no need to know the equivalent hysteresis model.
  • the hybrid amplifier thus enables any open loop piezoelectric actuator to be controlled because the voltage - displacement characteristic is made substantially linear.
  • the output voltage of the hybrid amplifier is taken across the piezoelectric actuator and not across the set (C pzt , R pzt , Cref, Rcref), in which case the hysteresis is not attenuated .
  • the piezoelectric actuator control device of the invention comprises:
  • an operational amplifier having an inverting input and a non-inverting input, and an output for delivering a voltage Release ;
  • a capacitive circuit comprising a piezoelectric actuator and a capacitor in series, said capacitive circuit being connected by the free end of the piezoelectric actuator to the output of the operational amplifier and by the free end of the capacitor to a voltage terminal low;
  • a resistive circuit comprising a first resistor and a second resistor in series, said resistive circuit being connected by the free end of the first resistor to the output of the operational amplifier and by the second resistor to a low voltage terminal; the device being characterized in that the inverting input of the operational amplifier is connected to the common ends of the piezoelectric actuator and the capacitor, and is connected to the common ends of the first and second resistor, the capacitive circuit and the circuit resistive forming an impedance bridge.
  • the ratio of the impedances of the capacitive circuit is equal to the ratio of the impedances of the resistive circuit.
  • a control signal at a given frequency applied to the non-inverting input of the operational amplifier provides control of the piezoelectric actuator.
  • a continuous control signal applied to the non-inverting input of the operational amplifier makes it possible to obtain a voltage control of the piezoelectric actuator.
  • the operational amplifier is powered between -60V and + 160V.
  • the device of the invention comprises unidirectional transils diodes connected to the terminals of the piezoelectric actuator to limit the voltage at said terminals. The voltage across the piezoelectric actuator can be limited to + 150V and -20V, respectively.
  • the device of the invention further comprises a resistor connected to the output of the operational amplifier for limiting the current delivered in the piezoelectric actuator.
  • the invention also covers an interferometer controlled by a control device as described.
  • the interferometer may be a Fabry-Perot interferometer.
  • Piezoelectric actuators are used in various fields for various purposes such as active vibration control for assistance with the machining of industrial parts, control in microscopes of small displacements for scanning a surface to be probed, control of automobile injectors, the production of fine droplets in printers, the adjustment of the length of a laser cavity in opto-acoustics or the micro-positioning of mirrors in astronomy.
  • Figure 1 illustrates a voltage control device of the prior art
  • Figure 2 illustrates a control device in charge of the prior art
  • FIG. 3 illustrates a hybrid control device according to one embodiment of the invention
  • FIG. 4 illustrates an exemplary implementation of the device of the invention
  • FIG. 5 illustrates a variant of implementation of the device of the invention
  • FIG. 6 illustrates another variant of implementation of the device of the invention.
  • FIG. 1 illustrates a voltage control device known from the prior art.
  • the principle of the voltage control is to apply a voltage V s across a piezoelectric actuator (10) through an amplifier (12).
  • the circuit comprises a piezoelectric actuator (10) connected at the output of an operational amplifier (12).
  • the amplifier (12) is mounted in a non-inverting arrangement, and receives at a first input a control voltage V c .
  • a first resistor Ri (14) is connected between the output of the amplifier (12) and a second input of the amplifier.
  • a second resistor R 2 (16) is connected between the second input of the amplifier and a low voltage V 0 .
  • the gain A v in voltage of the amplifier (12) is constant and defined by the resistors R1 and R2 (14, 1 6) according to the equation:
  • This type of control has the disadvantage of a fairly high hysteresis, and is not suitable for the control of systems that require micropositionings, such as very precise displacements of mirrors in the field of optics, for example.
  • FIG. 2 illustrates a load control device known from the prior art.
  • the principle of load control is to apply a constant amount of charge to the electrodes of a piezoelectric actuator in order to obtain a linear behavior between the control and the displacement caused.
  • the circuit of FIG. 2 comprises a piezoelectric actuator (20) connected between the output UT 'and the inverting input (-) of an operational amplifier (22), the assembly having the configuration of an assembly no inverter.
  • An input voltage V c is applied to the second non-inverting input (+) of the amplifier.
  • a so-called reference capacitor (24) is connected in series with the piezoelectric actuator (20) to the inverting input. It has a voltage Vc re f at its terminals.
  • the capacity capacitor C ref receives a quantity of charge Q re proportional to the voltage across its terminals.
  • the deformation of the piezoelectric actuator is linear as a function of the electrical load.
  • the skilled person can refer to the work of J. Agnus, "Study, Realization, Characterization and Control of a Piezoelectric Micropince", University of Franche-Comté, 2003 which describes in more detail this relationship and shows that the application a constant amount of charges on the electrodes of a piezoelectric actuator makes it possible to obtain a linear behavior between the control and the displacement caused.
  • the frequency of the output signal across the actuator (20) depends solely on the value of the output current and the input voltage V c of the amplifier.
  • the gain of the amplifier in charge therefore depends only on the inherent capacitance value of the piezoelectric actuator and the capacitor in series with the latter.
  • that of the actuator varies according to certain parameters including the voltage at its terminals.
  • this type of load-controlled circuit has the disadvantage of having a creep effect and not allowing a continuous control.
  • FIG. 3 illustrates a hybrid control device according to one embodiment of the invention, combining the two control modes, in load and in voltage.
  • the device (300) combines a first circuit (302) for load control control with a second circuit (304) for voltage control control, the two circuits being coupled to an operational amplifier (30).
  • the hybrid assembly of the invention allows switching between the two charge / voltage modes to be done automatically.
  • the amplifier (30) receives an input voltage V e on a first non-inverting input (+), and outputs a output voltage V s at output OUT.
  • the first circuit (302) comprises a piezoelectric actuator (32) and a capacitor (34) in series.
  • the piezoelectric actuator (32) is connected to the OUT output and to the inverting input of the operational amplifier (30).
  • the capacitor (34) in series is connected to the inverting input of the operational amplifier and to a low voltage V 0 .
  • the first circuit is a capacitive circuit comprising a piezoelectric actuator and a capacitor in series, said capacitive circuit being connected by the free end of the piezoelectric actuator to the output of the operational amplifier and by the free end of the capacitor to a capacitor. low voltage terminal.
  • the second circuit (304) comprises discrete serial components comprised of a first resistor (36) and a second resistor (38) in series.
  • the first resistor (36) is connected to the output UT 'and to the inverting input of the operational amplifier (30).
  • the second resistor (38) is connected to the inverting input of the operational amplifier and to a low voltage V 0 .
  • the second circuit is a resistive circuit comprising a first resistor and a second resistor in series, said resistive circuit being connected by the free end of the first resistor to the output of the operational amplifier and by the second resistor to a voltage terminal low. The low voltage may preferentially be brought back to the ground.
  • the inverting output (-) of the amplifier (30) corresponds to a common 'P c ' connection point between the two capacitive (302) and resistive (304) circuits.
  • the connection point P c is common between the actuator (32) and the capacitor (34) for the first circuit (302), and between the first resistor (36) and the second resistor (38) for the second circuit (30). 304).
  • the common connection point P c has a voltage marked 'Vcret'.
  • the device is characterized in that the inverting input of the operational amplifier is on the one hand connected to the common ends of the piezoelectric actuator and the capacitor, and on the other hand connected to the common ends between the first and the second resistor, the capacitive circuit and the resistive circuit forming an impedance bridge.
  • the device of the invention thus provides an impedance bridge formed by the capacitors (32, 34) of the first circuit (302) and by the first and second resistors (36, 38) of the second circuit (304).
  • - Cret represents the capacity of the capacitor (34); - Rpzt and R re f respectively represent the first and second resistors of the second circuit (304).
  • the values of the resistors of the resistive bridge (304) are defined to compensate for several effects:
  • control signal must be of high frequency in order to allow the command in load
  • Vs ⁇ p) "> * * Kc " + K >"* Ve (p) (1 1)
  • equation (12) one skilled in the art finds that for a given input voltage, when 'p' tends to 0, the gain of the transfer function tends to 'R pzt / Rcref' and when 'p' goes to infinity, the gain of the transfer function tends to 'Cc re f / C pz t'.
  • capacitors C pzt (32) and C ref (34) are equivalent to open circuits.
  • the output current flows only through the resistors Rp Zt (36) and 'Rc re f' (38). In this mode, the device behaves like a voltage control circuit.
  • the capacitors C pz t (32) and C ref (34) are equivalent to short circuits. All the output current flows through these two capacitors. In this mode, the device behaves like a load control circuit.
  • the gain at low frequencies is set by the resistors (36,38) while at high frequencies it is fixed by the capacitors (32,34).
  • the time constant ' ⁇ ' of the assembly is: ⁇ - Rpzt * C pz , (15)
  • the piezoelectric actuator moves to a certain position with reduced hysteresis. It is the control mode in charge with the capacitive part of the first circuit (302), composed of C ref and Cp Zt which is involved.
  • the actuator no longer moves, the displacement being maintained stable. There is therefore more creep unlike known load control devices.
  • FIG. 4 illustrates an exemplary implementation of the device of the invention for an application to the control of mobile mirrors in Fabry-Perot interferometers.
  • the hybrid control device as detailed in FIG. 3, is represented in FIG. 4 by the references (40) for the operational amplifier, (42) for the piezoelectric actuator C pz t, (44) for the capacitor of FIG. reference C ref, (46) and (48) respectively to the first and second resistors.
  • capacitors may be added to enable decoupling of the supply voltages (+ V DC , -V cc ), unidirectional transils diodes (D1, D2) for limiting the voltage across the piezoelectric actuator (42).
  • im can be added to limit the current delivered in the actuator and a phase compensation capacitor C cmp .
  • Diodes (D3, D4) for protecting the differential input of the amplifier (40) can be added, as well as transil diodes (D5, D6) to protect the circuit against overvoltages and polarity inversions of the voltages of the amplifier. 'food.
  • the amplifier may be a high voltage amplifier powered between -60V and + 160V, the voltage across the actuator limited to + 150V and -20V respectively, the current output in the actuator limited to 130mA.
  • Hybrid voltage reduction amplifier control 1 19.01% 0.76% 96.00%
  • FIG. 5 illustrates a variant of implementation of the device of the invention in the context of a unipolar control.
  • the hybrid control device as detailed in FIG. 3, is represented in FIG. 5 by the references (50) for the operational amplifier, by (52) for the piezoelectric actuator C pzt , by (54) for the capacitor reference C ref, and by (56) and (58) respectively to the first and second resistors.
  • one terminal of the actuator (52) is connected to ground, the other terminal participating in the midpoint of the impedance bridge.
  • unidirectional transils diodes may be added to limit the voltage across the piezoelectric actuator (52).
  • an instrumentation amplifier (510) is added, whose purpose is to equalize the reference voltage and the voltage across the assembly (R ref, C ref).
  • One input of the instrumentation amplifier receives the output of the operational amplifier, the other input of the instrumentation amplifier being connected to the midpoint of the impedance bridge. The output of the instrumentation amplifier is looped back to the inverting input of the operational amplifier.
  • the operation of the hybrid amplifier is the combination of the two control modes (voltage and load), it is important to identify the frequency range where each mode of operation is dominant. This frequency range is characterized by the central frequency defined by the equation:
  • Such an assembly is particularly suitable for the unipolar control of piezoelectric actuators whose control does not require high voltages, of the order of 10V.
  • FIG. 6 illustrates a variant of implementation of the device of the invention in the context of a unipolar control for the cases where the control voltage is high, such as the cases of large displacements.
  • a non-inverting amplifier 60
  • the first amplifier 60
  • the gain of this amplifier is then given by the relation: 8 .
  • the second part of the assembly consists of the hybrid amplifier (400) having one of the terminals of the actuator connected to ground.
  • the hybrid amplifier of the invention makes it possible to significantly reduce the hysteresis amplitude of the piezoelectric actuators.
  • the proposed device thus makes it possible to linearize the displacement of an actuator as a function of the voltage applied across its terminals or of the setpoint voltage.
  • Another advantage of the device of the invention is that it does not require a hysteresis model (Preisach, Maxwell, ...) and can therefore operate with any piezoelectric actuator, within the limits of the electronic assembly.
  • the only parameters to know for its implementation are the inherent capacity of the piezoelectric actuator at rest and its bandwidth, such data being generally available in the catalogs of manufacturers of piezoelectric actuators.
  • the application areas of the hybrid amplifier of the invention may be for example nano and micropositioning, mechatronic applications or the field of virtual reality.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

The present invention relates to a piezoelectric actuator control device able tothat can combine two types of piezoelectric actuator controls, a voltage control and a charge control. Switching between the charge control and the voltage control takes place is accomplished automatically, without adding switching elements, depending on the nature of the voltage applied to the input of the assembly.

Description

DISPOSITIF DE COMMANDE D'ACTIONNEUR PIEZOELECTRIQUE  PIEZOELECTRIC ACTUATOR CONTROL DEVICE
Domaine de l'invention L'invention se situe dans le domaine des commandes d'actionneurs piézoélectriques, et en particulier concerne un circuit de commande qui permet de diminuer l'hystérésis de tels actionneurs. Field of the Invention The invention lies in the field of piezoelectric actuator controls, and in particular relates to a control circuit which makes it possible to reduce the hysteresis of such actuators.
Etat de la Technique II existe principalement deux types d'actionneurs piézoélectriques : les actionneurs directs dans lesquels le déplacement obtenu de l'ordre du micromètre est égal à la déformation du matériau piézoélectrique, et les actionneurs amplifiés dans lesquels un circuit mécanique vient amplifier le mouvement et ainsi augmenter le déplacement qui est de l'ordre du millimètre. Dans ces dispositifs, un champ électrique est utilisé pour obtenir une déformation du matériau piézoélectrique et commander le déplacement. La commande d'un actionneur peut être une commande en tension ou en charge. STATE OF THE ART There are mainly two types of piezoelectric actuators: the direct actuators in which the displacement obtained in the order of one micrometer is equal to the deformation of the piezoelectric material, and the amplified actuators in which a mechanical circuit amplifies the movement. and thus increase the displacement which is of the order of a millimeter. In these devices, an electric field is used to obtain a deformation of the piezoelectric material and to control the displacement. The control of an actuator may be a control voltage or load.
Le brevet U.S. 4,263,527 de Comstock décrit un dispositif de commande en charge d'un actuateur piézoélectrique.  U.S. Patent 4,263,527 to Comstock discloses a control device in charge of a piezoelectric actuator.
Le brevet U.S.7,015,621 B2 de Mizuuchi décrit un dispositif de commande en tension d'un actuateur piézoélectrique.  U.S.7,015,621 B2 patent of Mizuuchi discloses a device for controlling the voltage of a piezoelectric actuator.
Bien qu'étant la solution la plus courante et simple à mettre en œuvre, la commande en tension présente un inconvénient majeur en ce que le déplacement de l'actionneur, qui est fonction de la tension appliquée, n'est pas linéaire. Ceci en particulier est du aux variations des paramètres physiques du matériau piézoélectrique, du fluage et de l'hystérésis.  Although being the most common and simple solution to implement, the voltage control has a major disadvantage in that the displacement of the actuator, which is a function of the applied voltage, is not linear. This in particular is due to variations in the physical parameters of the piezoelectric material, creep and hysteresis.
Le fluage (ou « creep » en anglais) est une dérive lente de la déformation du matériau en fonction du temps, qui se traduit par une élongation lente de l'actionneur sous une tension constante et qui conduit à ce que la position s'établit à quelques pourcents par décade de temps de la consigne de déplacement initial. Creep (or "creep" in English) is a slow drift of deformation of the material as a function of time, which results in a slow elongation of the actuator under a constant tension and which leads to the position being set to a few percent per decade of time of the initial displacement instruction.
L'hystérésis (ou hystérèse) est la propriété d'un système qui tend à demeurer dans un certain état quand une cause extérieure qui a produit le changement d'état a cessé. Les actionneurs piézoélectriques présentent une hystérésis entre la tension appliquée et le déplacement engendré. Cette non linéarité peut varier entre 10 et 20% en fonction de la nature du matériau, et les déplacements d'un actionneur piézoélectrique ne sont pas les mêmes selon que ce soit une tension croissante ou une tension décroissante qui lui est appliquée.  Hysteresis (or hysteresis) is the property of a system that tends to remain in a certain state when an external cause that has produced the change of state has ceased. The piezoelectric actuators have a hysteresis between the applied voltage and the generated displacement. This non-linearity can vary between 10 and 20% depending on the nature of the material, and the movements of a piezoelectric actuator are not the same depending on whether it is a rising voltage or a decreasing voltage applied to it.
Il existe des solutions pour améliorer le comportement des actionneurs piézoélectriques, en particulier pour diminuer l'hystérésis.  There are solutions to improve the behavior of piezoelectric actuators, in particular to reduce the hysteresis.
La demande de brevet FR2850219 de J. Agnus et al. décrit un dispositif de commande mixte en tension et en charge d'un actionneur piézoélectrique qui permet d'obtenir un comportement statique linéaire en boucle ouverte, réduisant ainsi l'hystérésis. Cependant, le circuit nécessite l'ajout de moyens de commutation et d'interruption pour basculer d'un mode de commande à l'autre.  The patent application FR2850219 of J. Agnus et al. discloses a combined voltage and load control device for a piezoelectric actuator that provides linear open-loop static behavior, thereby reducing hysteresis. However, the circuit requires the addition of switch and interrupt means to switch from one control mode to another.
Il existe alors le besoin d'une solution qui pallie aux inconvénients des approches connues. La présente invention répond à ce besoin.  There is then the need for a solution that overcomes the disadvantages of known approaches. The present invention meets this need.
Résumé de l'invention Un objet de la présente invention est de proposer un système pouvant combiner deux types de commande d'un actionneur piézoélectrique, une commande en tension et une commande en charge, dans lequel la commutation entre la commande en charge et la commande en tension se fait de façon automatique, en fonction de la nature de la tension appliquée à l'entrée du montage. Avantageusement, le dispositif de la présente invention est simple à mettre en œuvre et peu coûteux, ne faisant appel à aucun autre circuit extérieur pour le pilotage des actionneurs piézoélectriques. Avantageusement, le gain du dispositif est le même en basse et haute fréquence grâce à l'adaptation du pont capacitif ou résistif. Le gain de l'amplificateur est fixé par les résistances en basse fréquence voire en continu, tandis qu'en haute fréquence, le gain est fixé par la capacité des condensateurs formés par l'actionneur piézoélectrique et le condensateur appelé condensateur de référence Cref. Ainsi, en partant de la capacité inhérente Cpzt des actionneurs piézoélectriques, donnée par les fabricants, et du gain souhaité, il est très aisé de dimensionner les composants discrets des ponts résistifs (Rpzt, Rcref) et capacitifs (Cpzt, Cref) puisque le gain Av est donné par la relation Cref/Cpzt = Rpzt /Rcref- SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a system that can combine two types of control of a piezoelectric actuator, a voltage control and a load control, in which the switching between the load control and the control voltage is automatically, depending on the nature of the voltage applied to the input of the assembly. Advantageously, the device of the present invention is simple to implement and inexpensive, using no other external circuit for controlling the piezoelectric actuators. Advantageously, the gain of the device is the same in low and high frequency thanks to the adaptation of the capacitive or resistive bridge. The gain of the amplifier is fixed by the resistances at low frequency or even continuously, while in high frequency, the gain is fixed by the capacitance of the capacitors formed by the piezoelectric actuator and the capacitor referred to as the reference capacitor C re f . Thus, starting from the inherent capacitance C pzt of the piezoelectric actuators, given by the manufacturers, and the desired gain, it is very easy to dimension the discrete components of the resistive bridges (R pzt , Rcref) and capacitive bridges (C pzt , C re f) since the gain A v is given by the relationship C ref / Cpzt pz = R t / Rcref-
Un autre avantage de l'invention est que l'amplificateur hybride peut fonctionner avec n'importe quel type d'actionneur piézoélectrique pour lequel il n'est pas besoin de connaître le modèle d'hystérésis équivalent. L'amplificateur hybride permet ainsi de commander n'importe quel actionneur piézoélectrique en boucle ouverte car la caractéristique tension - déplacement est rendue pratiquement linéaire. Another advantage of the invention is that the hybrid amplifier can operate with any type of piezoelectric actuator for which there is no need to know the equivalent hysteresis model. The hybrid amplifier thus enables any open loop piezoelectric actuator to be controlled because the voltage - displacement characteristic is made substantially linear.
Avantageusement, la tension de sortie de l'amplificateur hybride est prise aux bornes de l'actionneur piézoélectrique et non aux bornes de l'ensemble (Cpzt, Rpzt, Cref, Rcref), auquel cas l'hystérésis n'est pas atténuée. Advantageously, the output voltage of the hybrid amplifier is taken across the piezoelectric actuator and not across the set (C pzt , R pzt , Cref, Rcref), in which case the hysteresis is not attenuated .
Dans un mode de réalisation préférentiel, le dispositif de commande d'actuateur piézoélectrique de l'invention comprend : In a preferred embodiment, the piezoelectric actuator control device of the invention comprises:
- un amplificateur opérationnel ayant une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse, et une sortie permettant de délivrer une tension de sortie ; an operational amplifier having an inverting input and a non-inverting input, and an output for delivering a voltage Release ;
- un circuit capacitif comprenant un actuateur piézoélectrique et un condensateur en série, ledit circuit capacitif étant connecté par l'extrémité libre de l'actuateur piézoélectrique à la sortie de l'amplificateur opérationnel et par l'extrémité libre du condensateur à une borne de tension basse ;  a capacitive circuit comprising a piezoelectric actuator and a capacitor in series, said capacitive circuit being connected by the free end of the piezoelectric actuator to the output of the operational amplifier and by the free end of the capacitor to a voltage terminal low;
- un circuit résistif comprenant une première résistance et une deuxième résistance en série, ledit circuit résistif étant connecté par l'extrémité libre de la première résistance à la sortie de l'amplificateur opérationnel et par la deuxième résistance à une borne de tension basse ; le dispositif étant caractérisé en ce que l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel est connectée aux extrémités communes de l'actuateur piézoélectrique et du condensateur, et est connectée aux extrémités communes de la première et la deuxième résistance, le circuit capacitif et le circuit résistif formant un pont d'impédances.  a resistive circuit comprising a first resistor and a second resistor in series, said resistive circuit being connected by the free end of the first resistor to the output of the operational amplifier and by the second resistor to a low voltage terminal; the device being characterized in that the inverting input of the operational amplifier is connected to the common ends of the piezoelectric actuator and the capacitor, and is connected to the common ends of the first and second resistor, the capacitive circuit and the circuit resistive forming an impedance bridge.
Avantageusement, le rapport des impédances du circuit capacitif est égal au rapport des impédances du circuit résistif. Dans un mode de fonctionnement, un signal de commande à une fréquence donnée appliqué sur l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel permet d'obtenir une commande en charge de l'actuateur piézoélectrique. Dans un autre mode de fonctionnement, un signal de commande continu appliqué sur l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel permet d'obtenir une commande en tension de l'actuateur piézoélectrique. Dans un mode réalisation, l'amplificateur opérationnel est alimenté entre -60V et +160V. Dans une variante d'implémentation, le dispositif de l'invention comprend des diodes transils unidirectionnelles connectées aux bornes de l'actionneur piézoélectrique pour limiter la tension aux dites bornes. La tension aux bornes de l'actionneur piézoélectrique peut être limitée respectivement à +150V et -20V. Advantageously, the ratio of the impedances of the capacitive circuit is equal to the ratio of the impedances of the resistive circuit. In an operating mode, a control signal at a given frequency applied to the non-inverting input of the operational amplifier provides control of the piezoelectric actuator. In another mode of operation, a continuous control signal applied to the non-inverting input of the operational amplifier makes it possible to obtain a voltage control of the piezoelectric actuator. In one embodiment, the operational amplifier is powered between -60V and + 160V. In an alternative embodiment, the device of the invention comprises unidirectional transils diodes connected to the terminals of the piezoelectric actuator to limit the voltage at said terminals. The voltage across the piezoelectric actuator can be limited to + 150V and -20V, respectively.
Dans une autre variante, le dispositif de l'invention comprend de plus une résistance connectée à la sortie de l'amplificateur opérationnel pour limiter le courant débité dans l'actionneur piézoélectrique. In another variant, the device of the invention further comprises a resistor connected to the output of the operational amplifier for limiting the current delivered in the piezoelectric actuator.
L'invention couvre aussi un interféromètre commandé par un dispositif de commande tel que décrit. Avantageusement, l'interféromètre peut être un interféromètre de Fabry-Pérot. Les actionneurs piézoélectriques sont utilisés dans divers domaines pour différents buts tels le contrôle actif de vibrations pour de l'assistance à l'usinage de pièces industrielles, le contrôle dans les microscopes de petits déplacements pour le balayage d'une surface à sonder, la commande d'injecteurs automobiles, la production de fines gouttelettes dans les imprimantes, l'ajustement de la longueur d'une cavité laser en opto-acoustique ou encore le micro-positionnement de miroir en astronomie. The invention also covers an interferometer controlled by a control device as described. Advantageously, the interferometer may be a Fabry-Perot interferometer. Piezoelectric actuators are used in various fields for various purposes such as active vibration control for assistance with the machining of industrial parts, control in microscopes of small displacements for scanning a surface to be probed, control of automobile injectors, the production of fine droplets in printers, the adjustment of the length of a laser cavity in opto-acoustics or the micro-positioning of mirrors in astronomy.
Description des figures Différents aspects et avantages de l'invention vont apparaître en appui de la description d'un mode préféré d'implémentation de l'invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous : DESCRIPTION OF THE FIGURES Various aspects and advantages of the invention will appear in support of the description of a preferred embodiment of the invention, but without limitation, with reference to the figures below:
La figure 1 illustre un dispositif de commande en tension de l'art antérieur ; La figure 2 illustre un dispositif de commande en charge de l'art antérieur ; Figure 1 illustrates a voltage control device of the prior art; Figure 2 illustrates a control device in charge of the prior art;
La figure 3 illustre un dispositif de commande hybride selon un mode de réalisation de l'invention ; La figure 4 illustre un exemple d'implémentation du dispositif de l'invention ; FIG. 3 illustrates a hybrid control device according to one embodiment of the invention; FIG. 4 illustrates an exemplary implementation of the device of the invention;
La figure 5 illustre une variante d'implémentation du dispositif de l'invention ; FIG. 5 illustrates a variant of implementation of the device of the invention;
La figure 6 illustre une autre variante d'implémentation du dispositif de l'invention. FIG. 6 illustrates another variant of implementation of the device of the invention.
Description détaillée de l'invention Detailed description of the invention
La figure 1 illustre un dispositif de commande en tension connu de l'art antérieur. Le principe de la commande en tension est d'appliquer une tension Vs aux bornes d'un actionneur piézoélectrique (10) par le biais d'un amplificateur (12). Le circuit comprend un actionneur piézoélectrique (10) connecté en sortie d'un amplificateur opérationnel (12). L'amplificateur (12) est monté en montage non inverseur, et reçoit sur une première entrée une tension de commande Vc. Une première résistance Ri (14) est connectée entre la sortie de l'amplificateur (12) et une deuxième entrée de l'amplificateur. Une deuxième résistance R2 (16) est connectée entre la deuxième entrée de l'amplificateur et une tension basse V0. La tension de sortie Vs de l'amplificateur (12) est proportionnelle à sa tension de commande Vc selon la relation : v¾= i+-J- e (1 ) FIG. 1 illustrates a voltage control device known from the prior art. The principle of the voltage control is to apply a voltage V s across a piezoelectric actuator (10) through an amplifier (12). The circuit comprises a piezoelectric actuator (10) connected at the output of an operational amplifier (12). The amplifier (12) is mounted in a non-inverting arrangement, and receives at a first input a control voltage V c . A first resistor Ri (14) is connected between the output of the amplifier (12) and a second input of the amplifier. A second resistor R 2 (16) is connected between the second input of the amplifier and a low voltage V 0 . The output voltage V s of the amplifier (12) is proportional to its control voltage V c according to the relation: v¾ = i + -J- e (1)
Le gain Av en tension de l'amplificateur (12) est constant et défini par les résistances R1 et R2 (14, 1 6) selon l'équation : The gain A v in voltage of the amplifier (12) is constant and defined by the resistors R1 and R2 (14, 1 6) according to the equation:
Av=^= l+^- (2) La réponse fréquentielle du circuit est donnée par l'équation suivante : Av = ^ = l + ^ - (2) The frequency response of the circuit is given by the following equation:
/ =— -— (3) / = - - (3)
2 Cpzt Vs où ls est le courant de sortie de l'amplificateur (1 2) parcourant l'actionneur (10) et Cpzt la valeur de capacitance de l'actionneur. Ainsi, la fréquence 'f dépend du courant ls et de la tension de sortie Vs. De manière générale le courant de sortie est limité à une valeur (notée l|im) qui fixe la valeur de la fréquence maximale. 2 C pzt V s where l s is the output current of the amplifier (1 2) running through the actuator (10) and C pzt the capacitance value of the actuator. Thus, the frequency f depends on the current I s and the output voltage V s . In general, the output current is limited to a value (denoted l | im ) which sets the value of the maximum frequency.
Ce type de commande présente l'inconvénient d'une hystérésis assez élevée, et ne convient pas pour la commande de systèmes qui ont besoin de micropositionnements, tels les déplacements très précis de miroirs dans le domaine de l'optique, par exemple. This type of control has the disadvantage of a fairly high hysteresis, and is not suitable for the control of systems that require micropositionings, such as very precise displacements of mirrors in the field of optics, for example.
La figure 2 illustre un dispositif de commande en charge connu de l'art antérieur. Le principe de la commande en charge consiste à appliquer une quantité de charges constante sur les électrodes d'un actionneur piézoélectrique afin d'obtenir un comportement linéaire entre la commande et le déplacement occasionné. FIG. 2 illustrates a load control device known from the prior art. The principle of load control is to apply a constant amount of charge to the electrodes of a piezoelectric actuator in order to obtain a linear behavior between the control and the displacement caused.
Le circuit de la figure 2 comprend un actionneur piézoélectrique (20) connecté entre la sortie UT' et l'entrée inverseuse (-) d'un amplificateur opérationnel (22), l'ensemble présentant la configuration d'un montage non inverseur. Une tension d'entrée Vc est appliquée sur la deuxième entrée non inverseuse (+) de l'amplificateur. Un condensateur dit de référence (24) est connecté en série avec l'actionneur piézoélectrique (20) sur l'entrée inverseuse. Il présente une tension Vcref à ses bornes. Le condensateur de capacité Cref reçoit une quantité de charge Qref proportionnelle à la tension à ses bornes. The circuit of FIG. 2 comprises a piezoelectric actuator (20) connected between the output UT 'and the inverting input (-) of an operational amplifier (22), the assembly having the configuration of an assembly no inverter. An input voltage V c is applied to the second non-inverting input (+) of the amplifier. A so-called reference capacitor (24) is connected in series with the piezoelectric actuator (20) to the inverting input. It has a voltage Vc re f at its terminals. The capacity capacitor C ref receives a quantity of charge Q re proportional to the voltage across its terminals.
Dans un circuit de commande en charge, la déformation de l'actionneur piézoélectrique est linéaire en fonction de la charge électrique. L'homme du métier pourra se référer au travail de J. Agnus, « Etude, Réalisation, Caractérisation et Commande d'une Micropince Piézoélectrique », Université de Franche-Comté, 2003 qui décrit plus en détail cette relation et montre que l'application d'une quantité constante de charges sur les électrodes d'un actionneur piézoélectrique permet d'obtenir un comportement linéaire entre la commande et le déplacement occasionné.  In a load control circuit, the deformation of the piezoelectric actuator is linear as a function of the electrical load. The skilled person can refer to the work of J. Agnus, "Study, Realization, Characterization and Control of a Piezoelectric Micropince", University of Franche-Comté, 2003 which describes in more detail this relationship and shows that the application a constant amount of charges on the electrodes of a piezoelectric actuator makes it possible to obtain a linear behavior between the control and the displacement caused.
Bien que ce type de circuit permette de diminuer de manière sensible l'hystérésis, typiquement d'un facteur de 10, J. Agnus a démontré dans l'article précité, que ce montage ne permet pas le maintien à long terme des charges initialement appliquées, et donc le maintien d'une déformation linéaire constante de l'actionneur piézoélectrique. Il ne permet pas de supprimer le fluage.  Although this type of circuit makes it possible to significantly reduce the hysteresis, typically by a factor of 10, J. Agnus has demonstrated in the aforementioned article that this arrangement does not allow the long-term maintenance of the initially applied charges. and thus maintaining a constant linear deformation of the piezoelectric actuator. It does not remove creep.
En régime statique ou continu, il y a saturation de l'amplificateur opérationnel. En effet, la fréquence des signaux de commande est nulle, et l'impédance des condensateurs est infinie, ceux-ci se comportent alors comme des circuits ouverts. Dans ces conditions, le condensateur Cret (24) et l'actionneur (20) sont en circuit ouvert et le montage se comporte comme un comparateur de tension, entraînant la saturation de l'amplificateur opérationnel. In static or continuous mode, there is saturation of the operational amplifier. Indeed, the frequency of the control signals is zero, and the impedance of the capacitors is infinite, these then behave like open circuits. Under these conditions, the capacitor C re t (24) and the actuator (20) are in open circuit and the assembly behaves as a voltage comparator, resulting in the saturation of the operational amplifier.
En régime dynamique, la fréquence du signal de sortie aux bornes de l'actionneur (20) dépend uniquement de la valeur du courant de sortie et de la tension d'entrée Vc de l'amplificateur. En se référant à la figure 2, l'actionneur piézoélectrique (20) peut être est remplacé par un circuit équivalent qui est un condensateur 'Cpzt' ayant une impédance ZP(p) = 1/p. Cpzt In dynamic mode, the frequency of the output signal across the actuator (20) depends solely on the value of the output current and the input voltage V c of the amplifier. Referring to FIG. 2, the piezoelectric actuator (20) can be replaced by an equivalent circuit which is a capacitor 'C pzt ' having an impedance Z P (p) = 1 / p. C pzt
En considérant par ailleurs, ' ZR (p)' l'impédance du condensateur de référence (24) Cref, l'amplificateur opérationnel (22) étant en fonctionnement linéaire, les impédances ZR(p) et ZP(p) étant en série, elles forment alors un diviseur de tension. L'expression de la tension d'entrée Vc(p) est donnée par la relation: Considering also, 'Z R (p)' the impedance of the reference capacitor (24) C ref , the operational amplifier (22) being in linear operation, the impedances Z R (p) and Z P (p) being in series, they then form a voltage divider. The expression of the input voltage V c (p) is given by the relation:
La fonction de transfert F(p) qui en résulte est The resulting transfer function F (p) is
Vs{p) _ ZR(p) + Zp{p) V s {p) - Z R (p) + Z p (p)
F(p) =  F (p) =
Ve(p) ZR(p) V e (p) Z R (p)
En remplaçant ZR(p) et ZP(p) par leur expression respective, obtient: By replacing Z R (p) and Z P (p) by their respective expression, obtains:
1 1  1 1
-+-  - + -
1 1
(6)  (6)
Ce qui donne après simplification  Which gives after simplification
C +C  C + C
F(p)= ref pzt F (p) = ref pzt
La tension aux bornes de l'actionneur (20) est alors The voltage across the actuator (20) is then
Vpzl (p) =Vs(p) -Ve(p) = Ve(p) V pzl (p) = V s (p) -V e (p) = V e (p)
(8)  (8)
Ainsi, en dynamique, le gain de l'amplificateur en charge ne dépend donc que de la valeur capacité inhérente de l'actionneur piézoélectrique et du condensateur en série avec ce dernier. En considérant la capacité du condensateur de référence fixe, celle de l'actionneur varie en fonction de certains paramètres dont la tension à ses bornes. L'expression de la fréquence de fonctionnement de l'amplificateur est alors donnée par l'équation : f =—÷*— Thus, in dynamics, the gain of the amplifier in charge therefore depends only on the inherent capacitance value of the piezoelectric actuator and the capacitor in series with the latter. In considering the capacitance of the fixed reference capacitor, that of the actuator varies according to certain parameters including the voltage at its terminals. The expression of the operating frequency of the amplifier is then given by the equation: f = - ÷ * -
L'homme du métier constate que la fréquence du signal de sortie, donc aux bornes de l'actionneur piézoélectrique dépend uniquement de la valeur du courant de sortie is et de la tension d'entrée Ve de l'amplificateur. Those skilled in the art find that the frequency of the output signal, therefore at the terminals of the piezoelectric actuator depends solely on the value of the output current i s and the input voltage V e of the amplifier.
Ainsi, ce type de circuit à commande en charge présente l'inconvénient d'avoir un effet du fluage et de ne pas permettre une commande en continu.  Thus, this type of load-controlled circuit has the disadvantage of having a creep effect and not allowing a continuous control.
La figure 3 illustre un dispositif de commande hybride selon un mode de réalisation de l'invention, combinant les deux modes de commande, en charge et en tension. FIG. 3 illustrates a hybrid control device according to one embodiment of the invention, combining the two control modes, in load and in voltage.
Le dispositif (300) combine un premier circuit (302) pour le contrôle de commande en charge avec un second circuit (304) pour le contrôle de commande en tension, les deux circuits étant couplés à un amplificateur opérationnel (30). The device (300) combines a first circuit (302) for load control control with a second circuit (304) for voltage control control, the two circuits being coupled to an operational amplifier (30).
Avantageusement, le montage hybride de l'invention permet que la commutation entre les deux modes charge/tension soit faite de façon automatique. Advantageously, the hybrid assembly of the invention allows switching between the two charge / voltage modes to be done automatically.
L'amplificateur (30) reçoit une tension d'entrée Ve sur une première entrée non inverseuse (+), et délivre en sortie OUT une tension de sortie Vs. The amplifier (30) receives an input voltage V e on a first non-inverting input (+), and outputs a output voltage V s at output OUT.
Le premier circuit (302) comprend un actuateur piézoélectrique (32) et un condensateur (34) en série. L'actuateur piézoélectrique (32) est connecté à la sortie OUT et à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel (30). Le condensateur (34) en série est connecté à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel et à une tension basse V0. The first circuit (302) comprises a piezoelectric actuator (32) and a capacitor (34) in series. The piezoelectric actuator (32) is connected to the OUT output and to the inverting input of the operational amplifier (30). The capacitor (34) in series is connected to the inverting input of the operational amplifier and to a low voltage V 0 .
Le premier circuit est un circuit capacitif comprenant un actuateur piézoélectrique et un condensateur en série, ledit circuit capacitif étant connecté par l'extrémité libre de l'actuateur piézoélectrique à la sortie de l'amplificateur opérationnel et par l'extrémité libre du condensateur à une borne de tension basse. The first circuit is a capacitive circuit comprising a piezoelectric actuator and a capacitor in series, said capacitive circuit being connected by the free end of the piezoelectric actuator to the output of the operational amplifier and by the free end of the capacitor to a capacitor. low voltage terminal.
Le second circuit (304) comprend des composants discrets en série, composé d'une première résistance (36) et d'une deuxième résistance (38) en série. La première résistance (36) est connectée à la sortie UT' et à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel (30). La deuxième résistance (38) est connectée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel et à une tension basse V0. Le second circuit est un circuit résistif comprenant une première résistance et une deuxième résistance en série, ledit circuit résistif étant connecté par l'extrémité libre de la première résistance à la sortie de l'amplificateur opérationnel et par la deuxième résistance à une borne de tension basse. La tension basse peut de manière préférentielle, être ramenée à la terre. The second circuit (304) comprises discrete serial components comprised of a first resistor (36) and a second resistor (38) in series. The first resistor (36) is connected to the output UT 'and to the inverting input of the operational amplifier (30). The second resistor (38) is connected to the inverting input of the operational amplifier and to a low voltage V 0 . The second circuit is a resistive circuit comprising a first resistor and a second resistor in series, said resistive circuit being connected by the free end of the first resistor to the output of the operational amplifier and by the second resistor to a voltage terminal low. The low voltage may preferentially be brought back to the ground.
La sortie inverseuse (-) de l'amplificateur (30) correspond à un point de connexion 'Pc' commun entre les deux circuits capacitifs (302) et résistifs (304). Le point de connexion Pc est commun respectivement entre l'actuateur (32) et le condensateur (34) pour le premier circuit (302), et entre la première résistance (36) et la deuxième résistance (38) pour le second circuit (304). Le point de connexion commun 'Pc' a une tension notée 'Vcret '■ Ainsi, le dispositif est caractérisé en ce que l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel est d'une part connectée aux extrémités communes de l'actuateur piézoélectrique et du condensateur, et d'autre part connectée aux extrémités communes entre la première et la deuxième résistance, le circuit capacitif et le circuit résistif formant un pont d'impédances. The inverting output (-) of the amplifier (30) corresponds to a common 'P c ' connection point between the two capacitive (302) and resistive (304) circuits. The connection point P c is common between the actuator (32) and the capacitor (34) for the first circuit (302), and between the first resistor (36) and the second resistor (38) for the second circuit (30). 304). The common connection point P c has a voltage marked 'Vcret'. Thus, the device is characterized in that the inverting input of the operational amplifier is on the one hand connected to the common ends of the piezoelectric actuator and the capacitor, and on the other hand connected to the common ends between the first and the second resistor, the capacitive circuit and the resistive circuit forming an impedance bridge.
Le dispositif de l'invention offre donc un pont d'impédances formé par les condensateurs (32, 34) du premier circuit (302) et par les première et deuxième résistances (36, 38) du second circuit (304). L'équilibre de ce pont est satisfait lorsque : l <^L = RIîL (1 0) où The device of the invention thus provides an impedance bridge formed by the capacitors (32, 34) of the first circuit (302) and by the first and second resistors (36, 38) of the second circuit (304). The equilibrium of this bridge is satisfied when: l < ^ L = R IIL (1 0 ) where
C Ώ  C Ώ
^ref ^pzt  ^ ref ^ pzt
- Cpzt représente la capacité inhérente de l'actionneur piézoélectrique (32) ;  - Cpzt represents the inherent capacity of the piezoelectric actuator (32);
- Cret représente la capacité du condensateur (34) ; - Rpzt et Rref représentent respectivement les première et deuxième résistances du second circuit (304). - Cret represents the capacity of the capacitor (34); - Rpzt and R re f respectively represent the first and second resistors of the second circuit (304).
Avantageusement, les valeurs des résistances du pont résistif (304) sont définies pour compenser plusieurs effets : Advantageously, the values of the resistors of the resistive bridge (304) are defined to compensate for several effects:
- un choix de résistances de valeurs élevées entraine une diminution de la bande passante du montage, et vice versa; a choice of resistors of high values causes a reduction in the bandwidth of the assembly, and vice versa;
- sur un choix de résistances de faibles valeurs, le signal de commande doit être de haute fréquence afin de permettre la commande en charge; - on a choice of resistors of low values, the control signal must be of high frequency in order to allow the command in load;
- un choix de valeurs élevées des résistances Rpzt et Rref de l'ordre du ΜΩ au ΘΩ présente l'inconvénient que les résistances discrètes sont dans un même ordre de grandeur que les valeurs des résistances de fuite des condensateurs, ce qui ne permet pas alors d'atteindre l'optimisation posée para choice of high values of the resistors R pz t and R re f of the order of ΜΩ to ΘΩ has the disadvantage that the Discrete resistors are in the same order of magnitude as the values of the leakage resistors of the capacitors, which does not then make it possible to achieve the optimization posed by
R c R c
R C  R C
l'égalité w et ne permet pas d'obtenir une commande hybride diminuant l'hystérésis des actionneurs.  the equality w and does not allow to obtain a hybrid control decreasing the hysteresis of the actuators.
Dans le domaine de Laplace, la tension de sortie Vs(p) de l'amplificateur et la tension aux bornes de l'actionneur piézoélectrique Vpzt(p), s'expriment respectivement par les équations (1 1 ) et (12) suivantes : In the Laplace domain, the output voltage V s (p) of the amplifier and the voltage across the piezoelectric actuator Vpzt (p) are expressed respectively by the following equations (1 1) and (12). :
1+ rei pz' (Ccref +Cpzt)p 1+ rei pz '(C ref + C pzt ) p
Vs{p)= « >* * Kc« +K>« *Ve (p) (1 1 ) Vs {p) = "> * * Kc " + K >"* Ve (p) (1 1)
où les paramètres représentent : where the parameters represent:
- 'p' la variable de Laplace; - 'p' the Laplace variable;
- 'Cpzt' la capacité inhérente de l'actionneur piézoélectrique ; - 'Rpzt' la résistance en parallèle avec l'actionneur ;  - 'Cpzt' the inherent capacity of the piezoelectric actuator; - 'Rpzt' resistance in parallel with the actuator;
'Ccref la capacité du condensateur de référence ;  Ccref the capacitance of the reference capacitor;
'Rcref la résistance en parallèle avec le condensateur de référence.  Rcref resistance in parallel with the reference capacitor.
La valeur de la fréquence de coupure du dispositif de la figure 3, peut être déterminée en fonction du courant de sortie maximal ismax délivré par l'amplificateur opérationnel, de l'amplitude Ae de la tension d'entrée Ve(t) considérée sinusoïdale et de la valeur de la capacité du condensateur de référence Cref , selon l'équation suivante : / = (13) The value of the cut-off frequency of the device of FIG. 3 can be determined as a function of the maximum output current i smax delivered by the operational amplifier, of the amplitude A e of the input voltage Ve (t) considered sinusoidal and capacitance value of the reference capacitor C ref , according to the following equation: / = (13)
2*π* Ae*Cc ref  2 * π * Ae * Cc ref
En considérant l'équation (12), l'homme de l'art constate que pour une tension d'entrée donnée, lorsque 'p' tend vers 0, le gain de la fonction de transfert tend vers 'Rpzt/Rcref' et lorsque 'p' tend vers l'infini le gain de la fonction de transfert tend vers 'Ccref/Cpzt'. Considering equation (12), one skilled in the art finds that for a given input voltage, when 'p' tends to 0, the gain of the transfer function tends to 'R pzt / Rcref' and when 'p' goes to infinity, the gain of the transfer function tends to 'Cc re f / C pz t'.
D'un point de vue physique, lorsque la fréquence tend vers 0, les condensateurs Cpzt (32) et Cref (34) sont équivalents à des circuits ouverts. Le courant de sortie circule uniquement à travers les résistances RpZt (36) et 'Rcref' (38). Dans ce mode, le dispositif se comporte comme un circuit de commande en tension. From a physical point of view, when the frequency tends to 0, capacitors C pzt (32) and C ref (34) are equivalent to open circuits. The output current flows only through the resistors Rp Zt (36) and 'Rc re f' (38). In this mode, the device behaves like a voltage control circuit.
Lorsque la fréquence tend vers l'infini, les condensateurs Cpzt (32) et Cref (34) sont équivalents à des court-circuits. Tout le courant de sortie circule à travers ces deux condensateurs. Dans ce mode, le dispositif se comporte comme un circuit de commande en charge. Avantageusement, aux fréquences extrêmes, basses et hautes fréquences, il n'existe aucun déphasage entre les signaux d'entrée et de sortie. Le gain en basses fréquences est fixé par les résistances (36,38) tandis qu'en hautes fréquences, il est fixé par les condensateurs (32,34). When the frequency tends to infinity, the capacitors C pz t (32) and C ref (34) are equivalent to short circuits. All the output current flows through these two capacitors. In this mode, the device behaves like a load control circuit. Advantageously, at the extreme frequencies, low and high frequencies, there is no phase difference between the input and output signals. The gain at low frequencies is set by the resistors (36,38) while at high frequencies it is fixed by the capacitors (32,34).
Le courant de sortie y est donné par l'équation suivante : iM (14)The output current is given by the following equation: iM (14)
La constante de temps 'τ' du montage est: τ - Rpzt *Cpz, (15) Pour que la commutation des modes de commande en charge et en tension puisse se faire automatiquement, les gains en tension en basse et haute fréquence doivent être égaux. The time constant 'τ' of the assembly is: τ - Rpzt * C pz , (15) In order for switching of the load and voltage control modes to be automatic, the low and high frequency voltage gains must be equal.
Quand cette condition d'égalité des gains en tension est remplie, le comportement du dispositif de l'invention est le suivant: When this condition of equal voltage gains is fulfilled, the behavior of the device of the invention is as follows:
Après l'application d'un signal de commande à une fréquence donnée, l'actionneur piézoélectrique se déplace jusqu'à une certaine position, avec une hystérésis réduite. C'est le mode de commande en charge avec la partie capacitive du premier circuit (302), composé de Cref et CpZt qui est mise en jeu. After applying a control signal at a given frequency, the piezoelectric actuator moves to a certain position with reduced hysteresis. It is the control mode in charge with the capacitive part of the first circuit (302), composed of C ref and Cp Zt which is involved.
Ensuite, en régime permanent, avec l'application d'un signal continu, la partie résistive du second circuit (304) composé de Rpzt et Rref entre en fonctionnement. C'est le mode de commande en tension. Then, in steady state, with the application of a continuous signal, the resistive portion of the second circuit (304) composed of R pzt and R ref goes into operation. This is the voltage control mode.
Les gains en commande en charge et en tension étant identiques, la tension aux bornes de l'actionneur piézoélectrique (32) est constante. The gains in control in load and in voltage being identical, the voltage across the piezoelectric actuator (32) is constant.
Ainsi, avantageusement, l'actionneur ne se déplace plus, le déplacement étant maintenu stable. Il n'y a donc plus de fluage contrairement aux dispositifs de commande en charge connus. Thus, advantageously, the actuator no longer moves, the displacement being maintained stable. There is therefore more creep unlike known load control devices.
La commande des actionneurs piézoélectriques pour des interféromètres de Fabry-Perot doit respecter des exigences de positionnement précis. En effet, ces actionneurs piézoélectriques doivent assurer le déplacement et l'alignement des lames de l'interféromètre pour une course de 0-200μηι avec une précision de positionnement de l'ordre du nanomètre, une très grande reproductibilité du positionnement (très faible hystérésis) et une erreur de linéarité, ainsi que des dérives très faibles (très faible fluage). Le dispositif de la présente invention permet de répondre à ces exigences. La figure 4 illustre un exemple d'implémentation du dispositif de l'invention pour une application à la commande de miroirs mobiles dans des interféromètres de Fabry-Perot. The control of piezoelectric actuators for Fabry-Perot interferometers must meet precise positioning requirements. Indeed, these piezoelectric actuators must ensure the displacement and alignment of the interferometer blades for a 0-200μηι stroke with a positioning accuracy of the order of one nanometer, a very high reproducibility of the positioning (very low hysteresis) and a linearity error, as well as very weak drifts (very low creep). The device of the present invention makes it possible to meet these requirements. FIG. 4 illustrates an exemplary implementation of the device of the invention for an application to the control of mobile mirrors in Fabry-Perot interferometers.
Le dispositif de commande hybride tel que détaillé sur la figure 3, est représenté sur la figure 4 par les références (40) pour l'amplificateur opérationnel, (42) pour l'actionneur piézoélectrique Cpzt, (44) pour le condensateur de référence Cref, (46) et (48) respectivement pour les premières et deuxièmes résistances. The hybrid control device as detailed in FIG. 3, is represented in FIG. 4 by the references (40) for the operational amplifier, (42) for the piezoelectric actuator C pz t, (44) for the capacitor of FIG. reference C ref, (46) and (48) respectively to the first and second resistors.
Divers composants électroniques d'application classique pour l'homme de l'art, sont ajoutés autour du dispositif de l'invention pour permettre le fonctionnement opérationnel recherché. Ainsi, sans que cela ne soit limitatif, il peut être ajouté des condensateurs (C1 , C2, C3, C4) pour permettre un découplage des tensions d'alimentation (+VCC, -Vcc), des diodes transils unidirectionnelles (D1 , D2) pour limiter la tension aux bornes de l'actionneur piézoélectrique (42). Une résistance R|im peut être ajoutée pour limiter le courant débité dans l'actionneur ainsi qu'un condensateur de compensation de phase Ccmp. Des diodes (D3, D4) de protection de l'entrée différentielle de l'amplificateur (40) peuvent être ajoutées, ainsi que des diodes transil (D5, D6) pour protéger le montage contre les surtensions et les inversions de polarité des tensions d'alimentation. Various conventional application electronic components for those skilled in the art are added around the device of the invention to allow the desired operational operation. Thus, without being limiting, capacitors (C1, C2, C3, C4) may be added to enable decoupling of the supply voltages (+ V DC , -V cc ), unidirectional transils diodes (D1, D2) for limiting the voltage across the piezoelectric actuator (42). A resistance R | im can be added to limit the current delivered in the actuator and a phase compensation capacitor C cmp . Diodes (D3, D4) for protecting the differential input of the amplifier (40) can be added, as well as transil diodes (D5, D6) to protect the circuit against overvoltages and polarity inversions of the voltages of the amplifier. 'food.
Dans une implémentation préférentielle, l'amplificateur peut être un amplificateur haute tension alimenté entre -60V et +160V, la tension aux bornes de l'actionneur limitée respectivement à +150V et -20V, le courant débité dans l'actionneur limité à 130mA. In a preferred implementation, the amplifier may be a high voltage amplifier powered between -60V and + 160V, the voltage across the actuator limited to + 150V and -20V respectively, the current output in the actuator limited to 130mA.
La table ci-dessous reporte les résultats de la comparaison des courbes d'hystérésis obtenues avec un amplificateur opérationnel de gain 20 commandant plusieurs actionneurs piézoélectriques, par une commande en tension classique, et par une commande hybride selon le dispositif de la présente invention. The table below reports the results of the comparison of the hysteresis curves obtained with an operational gain amplifier 20 controlling several piezoelectric actuators, by a conventional voltage control, and by a hybrid control according to the device of the present invention.
Les actionneurs piézoélectriques utilisés présentent les caractéristiques suivantes : The piezoelectric actuators used have the following characteristics:
La comparaison dans le tableau ci-après est donnée pour des mesures relevées sur trois actionneurs piézoélectriques. The comparison in the table below is given for measurements taken on three piezoelectric actuators.
Actionneur Hystérésis Hystérésis Facteur Actuator Hysteresis Hysteresis Factor
commande Amplificateur de réduction en tension hybride 1 19,01 % 0,76 % 96,00% Hybrid voltage reduction amplifier control 1 19.01% 0.76% 96.00%
2 19,42% 0,85% 95,62 %  2 19.42% 0.85% 95.62%
3 16,82 % 0,23% 98,63%  3 16.82% 0.23% 98.63%
Sur la dernière colonne, il peut être apprécié l'importante diminution de l'hystérésis quelque soit l'actionneur. En effet, les commandes en tension (2eme colonne) aboutissent à une hystérésis de l'ordre de 20% de l'amplitude totale du déplacement des actionneurs piézoélectriques tandis que pour l'amplificateur hybride (3eme colonne) cette même hystérésis est réduite à environ 1 %. On the last column, it can be appreciated the significant decrease of the hysteresis whatever the actuator. Indeed, the voltage commands (2nd column) resulting in a hysteresis of about 20% of the total amount of displacement of the piezoelectric actuators while the hybrid amplifier (3rd column) the same hysteresis is reduced at about 1%.
La figure 5 illustre une variante d'implémentation du dispositif de l'invention dans le contexte d'une commande unipolaire. Le dispositif de commande hybride tel que détaillé sur la figure 3, est représenté sur la figure 5 par les références (50) pour l'amplificateur opérationnel, par (52) pour l'actionneur piézoélectrique Cpzt, par (54) pour le condensateur de référence Cref, et par (56) et (58) respectivement pour les premières et deuxièmes résistances. Dans ce montage, une borne de l'actionneur (52) est reliée à la masse, l'autre borne participant au point milieu du pont d'impédances. FIG. 5 illustrates a variant of implementation of the device of the invention in the context of a unipolar control. The hybrid control device as detailed in FIG. 3, is represented in FIG. 5 by the references (50) for the operational amplifier, by (52) for the piezoelectric actuator C pzt , by (54) for the capacitor reference C ref, and by (56) and (58) respectively to the first and second resistors. In this arrangement, one terminal of the actuator (52) is connected to ground, the other terminal participating in the midpoint of the impedance bridge.
Divers composants électroniques d'application classique pour l'homme de l'art, sont ajoutés autour du dispositif de l'invention pour permettre le fonctionnement opérationnel recherché. Ainsi, sans que cela ne soit limitatif, il peut être ajouté des diodes transils unidirectionnelles (D3, D4) pour limiter la tension aux bornes de l'actionneur piézoélectrique (52). Various conventional application electronic components for those skilled in the art are added around the device of the invention to allow the desired operational operation. Thus, without this being limiting, unidirectional transils diodes (D3, D4) may be added to limit the voltage across the piezoelectric actuator (52).
Dans le montage de la figure 5, un amplificateur d'instrumentation (510) est ajouté, dont le but est d'égaliser la tension de référence et la tension aux bornes de l'ensemble (Rref, Cref). Une entrée de l'amplificateur d'instrumentation reçoit la sortie de l'amplificateur opérationnel, l'autre entrée de l'amplificateur d'instrumentation étant connectée au point milieu du pont d'impédances. La sortie de l'amplificateur d'instrumentation est rebouclée sur l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel. In the assembly of Figure 5, an instrumentation amplifier (510) is added, whose purpose is to equalize the reference voltage and the voltage across the assembly (R ref, C ref). One input of the instrumentation amplifier receives the output of the operational amplifier, the other input of the instrumentation amplifier being connected to the midpoint of the impedance bridge. The output of the instrumentation amplifier is looped back to the inverting input of the operational amplifier.
En posant By asking
montage permet de réaliser un amplificateur de charge idéal à basse fréquence. mounting makes it possible to realize an ideal charging amplifier at low frequency.
Le fonctionnement de l'amplificateur hybride étant l'association des deux modes de commande (en tension et en charge), il est important d'identifier la plage de fréquence où chaque mode de fonctionnement est dominant. Cette plage de fréquence est caractérisée par la fréquence central définie par l'équation : ^ . The operation of the hybrid amplifier is the combination of the two control modes (voltage and load), it is important to identify the frequency range where each mode of operation is dominant. This frequency range is characterized by the central frequency defined by the equation:
Pour des fréquences supérieures à fc, c'est alors la commande en charge qui est mise en œuvre et pour des fréquences inférieures à fc c'est la commande en tension qui est dominante. Un tel montage est particulièrement adapté à la commande unipolaire d'actionneurs piézoélectriques dont la commande ne nécessite pas des tensions élevées, de l'ordre de 10V. For frequencies higher than f c , it is then the control in charge which is implemented and for frequencies lower than f c it is the control in tension which is dominant. Such an assembly is particularly suitable for the unipolar control of piezoelectric actuators whose control does not require high voltages, of the order of 10V.
La figure 6 illustre une variante d'implémentation du dispositif de l'invention dans le contexte d'une commande unipolaire pour les cas où la tension de commande est élevée, tels les cas de grands déplacements. Pour des raisons de simplification, l'ensemble des composants de la variante de la figure 4 est référencé de manière unique (400) mais ne sont pas redécrits. Dans cette variante, un amplificateur non inverseur (60) est ajouté en amont de l'amplificateur hybride. Dans ce montage, le premier amplificateur (60) sert à amplifier le signal de commande Vin. Le gain de cet amplificateur est alors donné par la relation : 8 . FIG. 6 illustrates a variant of implementation of the device of the invention in the context of a unipolar control for the cases where the control voltage is high, such as the cases of large displacements. For reasons of simplification, all the components of the variant of FIG. 4 are uniquely referenced (400) but are not redescribed. In this variant, a non-inverting amplifier (60) is added upstream of the hybrid amplifier. In this arrangement, the first amplifier (60) serves to amplify the control signal V in . The gain of this amplifier is then given by the relation: 8 .
La deuxième partie du montage est constituée de l'amplificateur hybride (400) ayant une des bornes de l'actionneur connectée à la masse. The second part of the assembly consists of the hybrid amplifier (400) having one of the terminals of the actuator connected to ground.
R C R C
Dans un tel montage, l'égalité ref ^ est conservée, permettant d'obtenir une même réduction de l'hystérésis que dans le montage de la figure 4. Des applications avantageuses de ce montage sont les applications d'optique adaptative pour la commande des miroirs déformables en boucle ouverte. In such an assembly, equal re f ^ is retained, to obtain the same reduction of hysteresis in the circuit of FIG 4. Advantageous applications of this circuit are the adaptive optics applications for controlling deformable mirrors in open loop.
Ainsi, la présente description illustre différentes implémentations non limitatives de l'invention. Les exemples ont été choisis pour permettre une bonne compréhension des principes de l'invention, mais ne sont en rien exhaustifs et doivent permettre à l'homme du métier d'apporter des modifications et des variantes d'implémentation en conservant les mêmes principes. Thus, the present description illustrates various non-limiting implementations of the invention. The examples have been chosen to allow a good understanding of the principles of the invention, but are in no way exhaustive and should allow the skilled person to make modifications and implementation variants while maintaining the same principles.
Il est montré que l'amplificateur hybride de l'invention permet de diminuer de façon significative l'amplitude de l'hystérésis des actionneurs piézoélectriques. Le dispositif proposé permet ainsi de linéariser le déplacement d'un actionneur en fonction de la tension appliquée à ses bornes ou de la tension de consigne. It is shown that the hybrid amplifier of the invention makes it possible to significantly reduce the hysteresis amplitude of the piezoelectric actuators. The proposed device thus makes it possible to linearize the displacement of an actuator as a function of the voltage applied across its terminals or of the setpoint voltage.
Un autre avantage du dispositif de l'invention réside en ce qu'il ne nécessite pas de modèle d'hystérésis (Preisach, Maxwell, ...) et peut par conséquent fonctionner avec tout actionneur piézoélectrique, dans la limite du montage électronique. Les seuls paramètres à connaître pour sa mise en œuvre sont la capacité inhérente de l'actionneur piézoélectrique au repos et sa bande passante, de telles données étant généralement disponibles dans les catalogues des fabricants d'actionneurs piézoélectriques. Les domaines d'applications de l'amplificateur hybride de l'invention pourront être par exemple le nano et le micropositionnement, les applications mécatroniques ou encore le domaine de la réalité virtuelle. Another advantage of the device of the invention is that it does not require a hysteresis model (Preisach, Maxwell, ...) and can therefore operate with any piezoelectric actuator, within the limits of the electronic assembly. The only parameters to know for its implementation are the inherent capacity of the piezoelectric actuator at rest and its bandwidth, such data being generally available in the catalogs of manufacturers of piezoelectric actuators. The application areas of the hybrid amplifier of the invention may be for example nano and micropositioning, mechatronic applications or the field of virtual reality.

Claims

Revendications claims
Un dispositif de commande d'actuateur piézoélectrique comprenant : A piezoelectric actuator control device comprising:
- un amplificateur opérationnel ayant une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse, et une sortie permettant de délivrer une tension de sortie ;  an operational amplifier having an inverting input and a non-inverting input, and an output for outputting an output voltage;
- un circuit capacitif comprenant un actuateur piézoélectrique et un condensateur en série, ledit circuit capacitif étant connecté par l'extrémité libre de l'actuateur piézoélectrique à la sortie de l'amplificateur opérationnel et par l'extrémité libre du condensateur à une borne de tension basse ;  a capacitive circuit comprising a piezoelectric actuator and a capacitor in series, said capacitive circuit being connected by the free end of the piezoelectric actuator to the output of the operational amplifier and by the free end of the capacitor to a voltage terminal low;
- un circuit résistif comprenant une première résistance et une deuxième résistance en série, ledit circuit résistif étant connecté par l'extrémité libre de la première résistance à la sortie de l'amplificateur opérationnel et par la deuxième résistance à une borne de tension basse ;  a resistive circuit comprising a first resistor and a second resistor in series, said resistive circuit being connected by the free end of the first resistor to the output of the operational amplifier and by the second resistor to a low voltage terminal;
le dispositif étant caractérisé en ce que l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel est connectée aux extrémités communes de l'actuateur piézoélectrique et du condensateur, et est connectée aux extrémités communes de la première et la deuxième résistance, le circuit capacitif et le circuit résistif formant un pont d'impédances.  the device being characterized in that the inverting input of the operational amplifier is connected to the common ends of the piezoelectric actuator and the capacitor, and is connected to the common ends of the first and second resistor, the capacitive circuit and the circuit resistive forming an impedance bridge.
Le dispositif selon la revendication 1 dans lequel le rapport des impédances du circuit capacitif est égal au rapport des impédances du circuit résistif. The device according to claim 1 wherein the ratio of the impedances of the capacitive circuit is equal to the ratio of the impedances of the resistive circuit.
Le dispositif selon la revendication 1 dans lequel un signal de commande à une fréquence donnée appliqué sur l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel permet d'obte commande en charge de l'actuateur piézoélectrique. The device of claim 1 wherein a control signal at a given frequency applied to the non-input Inverter of the operational amplifier allows obte command in charge of the piezoelectric actuator.
Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel un signal de commande continu appliqué sur l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel permet d'obtenir une commande en tension de l'actuateur The device according to any one of claims 1 to 3 wherein a continuous control signal applied to the non-inverting input of the operational amplifier provides voltage control of the actuator
piézoélectrique.  piezoelectric.
Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel, l'amplificateur opérationnel est alimenté entre -60V et +160V. The device according to any one of claims 1 to 4 wherein the operational amplifier is powered between -60V and + 160V.
Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 comprenant de plus des diodes transils unidirectionnelles connectées aux bornes de l'actionneur piézoélectrique pour limiter la tension aux dites bornes. The device according to any one of claims 1 to 5 further comprising unidirectional transils diodes connected across the piezoelectric actuator to limit the voltage at said terminals.
Le dispositif selon la revendication 6 dans lequel la tension aux bornes de l'actionneur piézoélectrique est limitée The device of claim 6 wherein the voltage across the piezoelectric actuator is limited
respectivement à +150V et -20V.  respectively at + 150V and -20V.
Le dispositif selon la revendication 7 comprenant de plus une résistance connectée à la sortie de l'amplificateur opérationnel pour limiter le courant débité dans l'actionneur piézoélectrique. The device of claim 7 further comprising a resistor connected to the output of the operational amplifier for limiting the current delivered in the piezoelectric actuator.
9. Un interféromètre commandé par un dispositif selon l'une 9. An interferometer controlled by a device according to one
quelconque des revendications 1 à 8, l'interféromètre pouvant être un interféromètre de Fabry-Pérot. any of claims 1 to 8, the interferometer being to be a Fabry-Perot interferometer.
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