FR3093205A1 - Dispositif pour alimenter et contrôler un ensemble d’actionneurs électromécaniques répartis sur une interface tactile - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un capteur-actionneur unitaire (1), destiné à être fixé sur une surface (4) à actionner selon au moins un mode vibratoire prédéterminé, et comportant un actionneur électromécanique (2) et un capteur (3) de déformation ou de vitesse vibratoire, caractérisé en ce que l’actionneur électromécanique (2) et le capteur (3) sont co-localisés sur ladite surface (4), c’est à dire que la mesure par le capteur (3) est effectuée à proximité immédiate de l’actionneur électromécanique (2), cette proximité étant telle que l’actionneur (2) et le capteur (3) puissent respectivement actionner et mesurer le même mode vibratoire prédéterminé. Figure pour l’Abrégé : figure 1
Description
La présente invention concerne le domaine des interfaces tactiles utilisant plusieurs actionneurs électromécaniques, notamment piézoélectriques, répartis sur l’interface.
Les interfaces tactiles connues qui utilisent plusieurs actionneurs, notamment piézoélectriques, posent plusieurs problèmes liés à leur architecture d’alimentation et de commande des actionneurs, à l’existence de phénomènes de diaphonie entre actionneurs, ou encore à une trop grande sensibilité aux conditions environnementales.
S’agissant de l’alimentation, chaque actionneur piézoélectrique doit être alimenté en énergie électrique pour pouvoir la transformer en une déformation grâce à l’effet piézoélectrique. L’énergie doit donc être répartie de manière complexe sur l’ensemble de la structure vibrante, ce qui génère une complexité de l’architecture d’alimentation des actionneurs.
Dans certaines configurations connues, les différents actionneurs sont alimentés en parallèle. Ils sont alors alimentés par la même tension électrique, mais cela ne garantit pas la synchronisation des déplacements des actionneurs, et donc la bonne coordination des actions sur l’interface tactile, car chaque actionneur peut avoir sa propre fréquence de résonance.
S’agissant de la commande des actionneurs, les actions des différents actionneurs doivent être bien coordonnées afin de produire une bonne sensation tactile, ce qui génère une complexité́ de l’architecture de commande des actionneurs.
Dans certaines configurations connues, chaque actionneur possède son propre amplificateur et la référence de tension provient d’un calculateur unique. Cette méthode permet la synchronisation des actions via ce calculateur unique. En revanche, elle est complexe à mettre en œuvre car le calculateur unique doit comporter des sorties multiples.
Pour synchroniser les actionneurs, on fait appel à un filtrage inverse : les fonctions de transfert de chaque amplificateur et de la structure vibrante sont identifiées, puis inversées pour obtenir les références de tension en fonction d’une déformation de référence. Cependant, puisque ces fonctions de transfert varient avec les conditions expérimentales (variations géométriques, température, pression du doigt de l’utilisateur, ...) elles doivent être identifiées régulièrement.
Dans l’article (1) de Sofiane Ghenna, Frédéric Giraud, Christophe Giraud-Audine, Michel Amberg, Betty Lemaire-Semail intitulé “Preliminary design of a multi-touch ultrasonic tactile stimulator”, publié dans “World Haptics Conference (WHC), 2015 IEEE, June 2015, Chicago, United States, World Haptics Conference (WHC), 2015 IEEE, 2015, 10.1109/WHC.2015.7177687〈hal-01238296> est présentée une réalisation d’une poutre à deux modes de vibration contrôlés par deux actionneurs, mais dans cette implémentation, le contrôle des actionneurs n’est pas réparti au niveau des actionneurs. A la place, un contrôleur unique gère les références de tension en boucle fermée. Ceci présente l’inconvénient de nécessiter une connectique conséquente entre les actionneurs et le contrôleur unique (DSP) pour le signal et la puissance des actionneurs. Pour passer à plusieurs modes de résonance, le contrôleur unique a alors besoin de plusieurs entrées pour la mesure des déformations, et de plusieurs sorties pour les tensions d’alimentation. Le contrôleur unique doit donc comporter un grand nombre d’entrées/sorties, ce qui le rend complexe et coûteux.
Dans l’article (2) “Vector Control of Piezoelectric Transducers and Ultrasonic Actuators de Sofiane Ghenna, Frédéric Giraud, Christophe Giraud-Audine, Michel Amberg dans « IEEE Transactions on Industrial Electronics 2018 », est décrit le contrôle de bas niveau qui existe sur un capteur-actionneur prévu pour des applications ultrasoniques. Ce contrôle permet de suivre une référence en amplitude de déformation et de faire un suivi de la fréquence de résonance des actionneurs, mais il n’est décrit que pour un seul mode de vibration, et il n’y a pas de structure d’actionneurs en réseau répartis sur une interface tactile. Par conséquent, pour passer à plusieurs modes de résonance, il faudrait mettre plusieurs boucles d’asservissement qui fonctionent en parallèle. En outre, le contrôleur doit être un contrôleur très rapide, et coûteux.
Par ailleurs, dans les architectures connues à actionneurs multiples répartis, la distribution de l’alimentation aux différents actionneurs est souvent à haute tension, et risque donc de générer un phénomène de diaphonie, c’est-à-dire que l’alimentation d’un actionneur peut perturber l’alimentation des actionneurs voisins, et l’effet vibratoire global s’en trouve perturbé. Elle peut aussi perturber les mesures de vibration, et donc la tension d’alimentation d’un actionneur peut se retrouver dans la mesure de vibration d’un capteur du système.
Enfin, les architectures connues à actionneurs multiples sont souvent très sensibles aux changements de conditions environnementales, telles que la température de fonctionnement, et l’effet tactile obtenu à l’aide des actionneurs peut en être perturbé.
BUT DE L’INVENTION
L’invention a pour but général de proposer un nouveau type de capteur-actionneur pour applications ultrasoniques, permettant de résoudre les problèmes cités ci-dessus et les inconvénients des systèmes connus à actionneurs multiples.
L’invention a pour but particulier de proposer un capteur actionneur unitaire, et un système utilisant de tels capteurs actionneurs, dans lesquels la conversion d’énergie (c’est-à-dire l’alimentation des actionneurs) s’effectue au niveau de chaque actionneur, si bien que l’on distribue à chaque actionneur l’énergie et non pas la tension, afin de générer moins de diaphonie entre actionneurs.
L’invention a également pour but particulier de proposer un système de plusieurs capteurs - actionneurs auxquels les références vibratoires sont fournies par un lien de communication à partir d’un microcontrôleur maître, et ceci à une fréquence réduite.
Dans son principe, la présente invention propose une structure de contrôle de vibration répartie et hiérarchisée comprenant un maître et un ensemble d’esclaves. Un esclave est un couple capteur-actionneur unitaire dans lequel le capteur et l’actionneur sont co-localisés, c’est-à-dire localisés idéalement au même endroit de la surface à actionner, ou du moins à très faible distance l’un de l’autre. Son rôle est de contrôler localement la vibration. Le couple capteur-actionneur comporte un convertisseur continu-alternatif pour alimenter l’actionneur en amplifiant les signaux du circuit de contrôle exploitant les mesures du capteur. Il agit localement et rapidement pour suivre les consignes qui lui sont assignées par le processeur maître.
Un esclave est donc un système de capteurs-actionneurs intégrant :
- les références de tension pour le convertisseur continu/alternatif
- des capteurs pour la mesure de la vibration des actionneurs
- un algorithme de contrôle qui intègre la commande des actionneurs dans un repère tournant
- un module de communication la plus rapide possible
Le contrôleur ou processeur « maître » envoie les références vibratoires locales à chaque capteur-actionneur déterminées à partir de la référence à réaliser globalement. Il reçoit des grandeurs (mesures, tensions) de la part des capteurs-actionneurs unitaires. En agrégeant ces informations, le maître dispose d’une information globale et peut ajuster les références transmises à chacun des esclaves.
L’invention a donc pour objet un capteur-actionneur unitaire, destiné à être fixé sur une surface à actionner selon au moins un mode vibratoire prédéterminé, et comportant un actionneur électromécanique et un capteur de déformation ou de vitesse vibratoire, caractérisé en ce que l’actionneur électromécanique et le capteur sont co-localisés sur ladite surface, c’est à dire que la mesure par le capteur est effectuée à proximité immédiate de l’actionneur électromécanique, cette proximité étant telle que l’actionneur et le capteur puissent respectivement actionner et mesurer le même mode vibratoire prédéterminé.
De cette manière, on évite qu’un capteur-actionneur donné puisse mesurer des modes vibratoires qu’il n’est pas capable d’actionner.
Selon un mode de réalisation, correspondant à un fonctionnement à modes vibratoires multiples, la distance entre le capteur et l’actionneur est inférieure ou égale à la demie longueur d’onde de la vibration à la plus faible fréquence de résonance à laquelle l’actionneur doit actionner ladite surface.
Selon un autre mode de réalisation correspondant à un fonctionnement à mode vibratoire unique, la distance entre le capteur et l’actionneur est égale à un multiple de la demi longueur d’onde de la vibration.
Selon un mode de réalisation avantageux, l’actionneur électromécanique est un actionneur piézoélectrique.
De préférence, la taille maximale de l’actionneur (à savoir sa longueur dans le cas d’un actionneur rectangulaire) est comprise entre 2 et 25 mm, de façon à assurer les fonctions d’actionnement et de mesure tout en étant suffisamment petite pour pouvoir exciter les modes vibratoires des plus petites longueurs d’ondes dans une gamme de fréquence vibratoire ultrasonique comprise entre 20 kHz et 200 kHz.
Selon un mode de réalisation, le capteur est agencé pour fournir un signal de mesure w(t) à un processeur associé au capteur-actionneur, et ledit processeur est agencé pour calculer la valeur instantanée notée Vin(t) de la tension d’alimentation à délivrer à l’actionneur.
Le capteur-actionneur selon l’invention comporte un convertisseur de tension continue vers alternative commandé par le processeur associé au capteur-actionneur.
Selon un mode de réalisation avantageux du capteur-actionneur, la valeur de la tension d’alimentation Vin(t) est asservie par un contrôleur numérique à la valeur instantanée du signal de mesure w(t) délivré par le capteur.
L’invention a également pour objet un dispositif tactile comportant une surface vibrante, caractérisé en ce qu’il comporte un ensemble de capteurs-actionneurs unitaires tels que décrits plus haut, répartis et fixés sur la surface vibrante.
Selon un mode de réalisation, ce dispositif tactile comporte un processeur maître connecté en parallèle à une entrée de chacun des processeurs esclaves des capteurs-actionneurs unitaires, de façon à pouvoir dissocier les signaux de contrôle des différents actionneurs.
Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif, le processeur maître est configuré pour envoyer à chaque processeur esclave une information de synchronisation à une fréquence inférieure à la fréquence de vibration des capteurs.
Selon un mode de réalisation du dispositif, le processeur maître est configuré pour exécuter pendant une phase d’initialisation un algorithme d’auto-adressage de manière à établir automatiquement la cartographie du réseau de capteur-actionneurs sur la surface à actionner.
Selon un mode de réalisation, le processeur maître est configuré pour transmettre aux processeurs esclaves des paramètres de travail, à savoir les données nécessaires au contrôle d’un ou de plusieurs mode(s) vibratoire(s). Il peut également être configuré pour transmettre aux processeurs esclaves des valeurs de consigne de tension pour chaque mode vibratoire, en fonction de la répartition spatiale des capteurs-actionneurs, des fréquences de résonance attribuées aux différents capteurs-actionneurs pendant la phase d’initialisation, et en fonction de l’effet recherché sur la surface à actionner.
Selon un mode de réalisation, le processeur maître est configuré pour, pendant une phase de diagnostic, interroger les processeurs esclaves pour obtenir leurs paramètres de fonctionnement et pour rectifier le paramétrage des capteurs-actionneurs individuels si nécessaire.
Enfin, selon un mode de réalisation avantageux, le processeur maître est configuré pour, pendant une phase d’interfaçage, communiquer à un dispositif de traitement externe les données recueillies auprès des processeurs esclaves afin de permettre leur post-traitement.
L’invention sera décrite plus en détail en référence aux figures ci-jointes dans lesquelles :
La figure 1 représente un schéma de l’architecture d’un ensemble capteur-actionneur unitaire selon l’invention.
La figure 2 représente le schéma interne du processeur qui contrôle chacun des capteurs-actionneurs ;
La figure 3 représente le principe du contrôle de la vibration à l’aide d’un repère tournant ;
La figure 4 représente le circuit d’alimentation électrique de différents actionneurs piézoélectriques ;
La figure 5 représente un schéma de l’architecture d’une pluralité de capteur-actionneurs conformes à l’invention pour actionner une interface tactile.
On se réfère à la figure 1 représentant le schéma de principe d’un capteur-actionneur 1 unitaire selon l’invention. Un capteur-actionneur 1 comporte un actionneur électromécanique 2 (de type piézoélectrique ou électromécanique ou autre) et un capteur 3 de déformation ou de vitesse vibratoire (du même type que les exemples cités plus haut par exemple). Selon l’invention, l’actionneur 2 et le capteur 3 sont co-localisés sur la surface 4, c’est à dire que la mesure par le capteur 3 est très proche de l’endroit où s’applique l’actionnement par l’actionneur 2.
De préférence, la distance entre le capteur 3 et l’actionneur 2 est inférieure à la demie longueur d’onde de la vibration selon la plus faible fréquence de résonance à laquelle l’actionneur doit actionner ladite surface 4.
Cet ensemble capteur-actionneur 1 est attaché à une structure ou surface vibrante, représentée ici sous la forme d’une dalle vibrante 4. La fixation du capteur 3 et de l’actionneur 2 se fait par exemple par collage. La taille de l’ensemble capteur-actionneur 1 doit être suffisamment grande pour assurer les fonctions d’actionnement et de mesure, mais suffisamment petite pour pouvoir exciter les modes vibratoires de petite longueur d’onde. A titre d’exemple, la taille maximale de l’actionneur 2 (à savoir sa longueur dans le cas d’un actionneur rectangulaire) est comprise entre 2 et 25 mm, de façon à assurer les fonctions d’actionnement et de mesure tout en étant suffisamment petite pour pouvoir exciter les modes vibratoires de fréquence élevée et donc de petite longueur d’onde. On s’intéresse typiquement à des fréquences d’actionnement dans un domaine ultrasonique compris entre 20 kHz et 200 kHz.
Chaque capteur-actionneur 1 du dispositif est contrôlé par un processeur 5 de signal numérique (encore noté DSP, acronyme pour « Digital Signal Processor » en terminologie anglo-saxonne) qui reçoit en entrée le signal issu du capteur 3 et délivre en sortie un signal de commande à un convertisseur de tension 6 continu/alternatif afin d’asservir localement l’amplitude vibratoire à une valeur de consigne. Dans une implémentation envisagée, on peut utiliser un contrôle de la vibration dans un repère tournant, comme cela est expliqué dans l’article (2) cité plus haut.
Dans l’idéal, le processeur DSP 5 et le convertisseur de tension 6 sont également très proches du capteur 3 et de l’actionneur 2. Mais dans la réalité ils doivent être à une certaine distance car ils ne doivent pas gêner la vibration de la surface vibrante 4.
On se réfère à la figure 2 qui représente le schéma interne du processeur DSP 5 qui contrôle chacun des capteurs-actionneurs 1. Le bloc en trait pointillé représente une boucle de travail à fréquence élevée, par exemple la fréquence de 1 Mhz donnée par une horloge 7. Le reste des blocs travaille à plus faible fréquence.
W(t) est la mesure issue du capteur 3. C’est une tension alternative à priori sinusoïdale qui peut être analogue à la vitesse vibratoire ou au déplacement de la surface 4 au voisinage de l’actionneur 2. La tension de sortie destinée à être délivrée à un capteur-actionneur 1 est notée vin(t). Elle est aussi alternative sinusoïdale.
Il n’est pas facile de contrôler une grandeur alternative sinusoïdale à fréquence élevée, comme w(t). C’est pourquoi, après un étage de conversion analogique/numérique par un convertisseur analogique-numérique 8 (noté ADC dans la figure 2, acronyme pour « Analog to Digital Converter » en terminologie anglo-saxonne), la mesure w(t) est d’abord démodulée par une porteuse à la pulsation ω (une telle démodulation s’appelle parfois Rotation dans les systèmes mécatroniques). En sortie du démodulateur 9, on retrouve deux grandeurs Udet Uq. En régime permanent, Udet Uqsont constantes, c’est pourquoi il est plus simple de contrôler Udet Uqplutôt que de contrôler w(t) directement. L’étage de démodulation 9 réalise :
[Math 1] Ud= (N/T)∫(NT)w(t) x cos(ωt)dt et Uq= (N/T)∫(NT)w(t) x sin(ωt)dt
où T=2π/ω est la période de la vibration et N un entier, qui traduit l’horizon de calcul de Udet Uq.
Les valeurs de Udet Uqsont alors comparées à l’intérieur d’un bloc 10 VCM (acronyme pour « Vector Control Method » ou Commande Vectorielle) à des valeurs de référence Udrefet Uqref, et des correcteurs à l’intérieur du bloc VCM réalisent l’asservissement de la valeur de tension en fournissant des valeurs de réglage de la tension d’alimentation Vin(t), notées Vdet Vq.
Les valeurs de réglage de tension Vdet Vqsont transmises à un modulateur 11 (qui s’appelle également Rotation Inverse). La tension Vin(t) est alors calculée par :
[Math 2] Vin(t) = Vdsin(ωt) – Vqcos(ωt)
Puisque les signaux sin(ωt) et cos(ωt) sont générés à l’intérieur d’un même microprocesseur, la porteuse de la démodulation est forcément synchrone et possède la même pulsation que la vibration, puisque celle-ci est générée à partir de la tension v(t).
Ces signaux cos(ωt) et sin(ωt) sont générés à partir d’une synthèse directe DDS 12 (DDS étant un acronyme pour « Direct Digital Synthesis » en terminologie anglo-saxonne). Dans un bloc DDS, une minuterie (notée « Timer ») génère une horloge à période fixe Te, bien inférieure à la période du mode de vibration contrôlé (par exemple Te=1 µsec). A chaque pas d’horloge, un compteur C de Nc bits (par exemple N=32) est incrémenté d’une valeur notée Δθ. Au bout d’un certain temps, le compteur va déborder. Ce temps se calcule par : T = (Δθ/2N) Te.
Par principe, ce temps T sera égal à la période de vibration du mode considéré, donc de la fréquence de résonance considérée.
En effet, les Ns bits de poids le plus fort du compteur C servent d’adresse à une mémoire ROM contenant les valeurs de la fonction sinus. Par décalage, on trouve également les valeurs de cosinus pour le même instant. Les changements de fréquence de vibration sont effectués en modifiant la valeur de Δθ.
Dans un certain mode de fonctionnement, appelé « suivi de la fréquence de résonance », on cherche à exciter le mode vibratoire exactement à la fréquence de résonance de l’actionneur, malgré les éventuelles variations de celle-ci. La valeur de Vqest systématiquement imposée à 0 par le bloc VCM. Alors, l’évolution de Udet de Uqlorsque Vdest fixe et que ω (ω=2πf) est variable, se fait selon un cercle particulier, comme représenté en figure 3.
En effet, à la fréquence de résonance du mode considéré (ω=ω₀), Uq=0. Ainsi, il n’est pas nécessaire de connaître précisément la valeur de la fréquence de résonance du mode, puisqu’elle s’identifie grâce à la valeur de Uq. Alors, un algorithme de suivi de fréquence peut être associé (il peut être introduit dans le VCM) afin de suivre la fréquence de résonance.
Dans un autre mode de fonctionnement appelé « mode synchrone », la fréquence de travail est imposée (par exemple, par un processeur maître comme décrit plus loin). Alors, la valeur de Vqn’est pas nulle, mais une boucle d’asservissement du bloc VCM est utilisée pour imposer Uqà une valeur particulière, par exemple 0.
Enfin, chaque capteur-actionneur 1 possède en plus une alimentation électrique 13, capable d’amplifier la tension Vin, tout en assurant l’adaptation d’impédance. Par exemple, un bras de pont comme celui schématisé en figure 4 peut être utilisé. Une tension de bus notée HV est découpée par la méthode de la modulation de largeur d’impulsion par deux transistors 14. Une inductance 15 filtre le contenu harmonique tout en assurant l’alternance des sources. Par exemple, l’actionneur piézoélectrique est capacitif. Si on le connecte à une source de tension, cela génère des courants transitoires énormes. Pour éviter cela, on s’arrange pour intercaler une source de courant, pour se conformer à la règle d’alternance des sources comme connu en électronique de puissance. Éventuellement, un asservissement en boucle fermée de la tension peut être mis en œuvre au niveau du processeur DSP 5 de chaque capteur-actionneur 1 unitaire.
La figure 5 représente un schéma d’un système 16 utilisant une pluralité de capteurs-actionneurs 1 unitaires tels que décrits précédemment, ce qui permet d’alimenter et de contrôler un ensemble d’actionneurs électromécaniques répartis sur un résonateur, par exemple une interface tactile 4.
Le dispositif 16 est hiérarchisé comme représenté sur la figure 5. Il comporte un processeur principal 17 qui joue le rôle de maître coordonnant les processeurs 5 des différents capteurs-actionneurs unitaires 1 qui jouent le rôle de processeurs esclaves. Le processeur maître 17 a des capacités de calcul adaptées, mais il n’est pas nécessairement très rapide, et ne requiert pas de périphériques spécialisés. Son coût est de ce fait limité. Les capteur-actionneurs 1 esclaves sont en nombre variable. Ce nombre est déterminé par l’utilisateur en fonction de la structure 4 à actionner et des modes vibratoires à maîtriser.
La communication entre les différents éléments est assurée via une communication en réseau 18 sur un ou deux fils (du type I2C ou SPI par exemple). La communication entre le processeur maître 17 et les processeurs esclaves 5 peut être relativement lente comparée à une structure à processeur unique conforme à l’état de la technique. Elle est utilisée pour les opérations d’administration peu exigeantes en bande passante telles que la structuration du réseau de capteurs-actionneurs 1, l’assignation des processeurs esclaves 5, la transmission des valeurs de consigne, la synchronisation, le diagnostic du système, ou l’interfaçage vers des dispositifs externes (non représentés). Ces opérations sont décrites plus en détail ci-dessous.
- Structuration du réseau : le processeur maître 17 exécute un algorithme d’auto-adressage par lequel il établit automatiquement la cartographie du réseau de capteur-actionneurs 1.
- Assignation des processeurs esclaves 5 : en se basant sur une connaissance à priori de la disposition des capteurs-actionneurs unitaires 1 sur la structure 4 à faire vibrer, le processeur maître 17 transmet aux processeurs esclaves 5 les paramètres de travail (concrètement les données nécessaires au contrôle d’un ou de plusieurs mode(s) vibratoire(s), telles que la ou les fréquence(s) de résonance, les amortissement(s), gains, paramètres du ou des contrôleur(s)).
- Définition et transmission des valeurs de consigne : par la décomposition modale, les références pour chaque mode sont calculées en fonction de la répartition spatiale de déplacement, vitesse ou accélération nécessaire à l’effet recherché sur la surface 4 à actionner (contrôle de vibrations, focalisation). Les références, exprimées dans le repère tournant décrit plus haut (figure 3), correspondent aux enveloppes des trajectoires réelles. Au niveau d’un capteur-actionneur 1 donné, elle(s) sera(ont) modulées par les capteur-actionneurs en fonction des fréquences de résonance qui leur ont été signifiées durant la phase d’initialisation du réseau. Ceci permet de minimiser les besoins de communication, car le nombre de points permettant de décrire l’enveloppe est inférieur à celui nécessaire pour décrire un signal modulé à fréquence ultrasonore. En effet, l’enveloppe d’un signal sinusoïdal représente par exemple l’évolution de l’amplitude crête au cours du temps. Comme l’évolution de l’amplitude est plus lente que le signal sinusoïdal, il faut moins de points par seconde pour la décrire, que pour le signal lui-même.
- Synchronisation : pour des applications de type vibration focalisée, les déphasages entre les différentes modulations sont critiques. Le processeur maître 17, une fois que les processeurs esclaves 5 ont été initialisés, assure le déclenchement simultané de l’exécution des consignes par un « mot » transmis sur le canal de communication.
- Diagnostic : sur interrogation du processeur maître 17, un processeur esclave 5 fait remonter au processeur maître les éléments nécessaires (tensions Vd, Vq, vitesse UdUqpar exemple) à un diagnostic de fonctionnement. Sur la base de ces données, le processeur maître 17 recale les caractéristiques du système à partir par exemple d’un modèle interne de la structure. Le recalage permet d’ajuster les paramètres dynamiques et éventuellement de rectifier le paramétrage des capteurs-actionneurs individuels 1 si nécessaire.
- Interfaçage : le processeur maître 17 est capable de communiquer avec un dispositif plus évolué (ordinateur, tablette électronique). Cela permet de disposer d’outils de haut niveau pour assister l’utilisateur dans la phase de description de la structure à actionner, de la cartographie de la disposition des capteurs-actionneurs, du paramétrage du modèle interne, à savoir un ensemble d’équations qui décrivent par exemple les modes de vibrations (déformations modales). On peut rentrer les paramètres de ces équations par la liaison série. Les consignes réelles sont transmises par ce moyen (le processeur maître 17 étant chargé ensuite de la projection dans la base modale, c’est-à-dire qu’à partir d’une déformation de référence que l’on souhaite, on calcule à partir d’algorithmes de produit scalaire les amplitudes pour chaque mode vibratoire. Le processeur maître 17 peut remonter les données recueillies auprès des processeurs esclaves 5 pour permettre leur post-traitement par l’utilisateur.
AVANTAGES DE L’INVENTION
L’invention répond aux buts fixés et permet de résoudre les problèmes identifiés avec les actionneurs conformes à l’état de la technique.
En particulier, la structure de chaque capteur-actionneur individuel 1 combinée avec une commande par un processeur maître 17 permet de simplifier la connectique et de partager l’alimentation électrique des actionneurs (souvent haute tension) et le réseau de communication, tout en évitant les diaphonies inter câble. La synchronisation des capteurs-actionneurs unitaires 1 est assurée par le lien de communication et par la stabilité́ des Quartz des processeurs locaux 5.
Les capteurs-actionneurs unitaires 1 peuvent être utilisés en réseau sur plusieurs structures, le processeur maître 17 fournissant des références de tension adaptées à̀ l’application, ce qui permet une grande polyvalence d’utilisation.
La commande en boucle fermée permet de s’adapter aux variations paramétriques dues aux changements de conditions environnementales, de sorte que le fonctionnement du dispositif est robuste.
On sait que le problème du contrôle de la vibration non co-localisée avec le capteur est que la phase relative entre l’actionnement et le signal mesuré par le capteur change selon le mode. Ainsi actionneur et capteur peuvent être en phase pour un mode et en opposition pour un mode voisin. Par conséquent en boucle fermée, la boucle stable pour un mode peut être potentiellement déstabilisée par le mode voisin en raison du changement de signe dans la rétroaction.
La co-localisation du capteur et de l’actionneur permet de supprimer ce défaut.
Par ailleurs, le fait pour un capteur-actionneur d’avoir un lien logique qui remonte au processeur maître permet que tous les capteurs-actionneurs soient synchronisés. En outre, le processeur maître n’a besoin que d’une communication basse fréquence avec les processeurs esclaves qui eux travaillent localement à une fréquence plus élevée, ce qui évite d’avoir à surdimensionner le processeur maître.
Claims (16)
- Capteur-actionneur unitaire (1), destiné à être fixé sur une surface (4) à actionner selon au moins un mode vibratoire prédéterminé, et comportant un actionneur électromécanique (2) et un capteur (3) de déformation ou de vitesse vibratoire, caractérisé en ce que l’actionneur électromécanique (2) et le capteur (3) sont co-localisés sur ladite surface (4), c’est à dire que la mesure par le capteur (3) est effectuée à proximité immédiate de l’actionneur électromécanique (2), cette proximité étant telle que l’actionneur (2) et le capteur (3) puissent respectivement actionner et mesurer le même mode vibratoire prédéterminé.
- Capteur-actionneur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre le capteur (3) et l’actionneur (2) est inférieure ou égale à la demie longueur d’onde de la vibration à la plus faible fréquence de résonance à laquelle l’actionneur doit actionner ladite surface (4).
- Capteur-actionneur (1) selon la revendication 1, utilisé avec un mode vibratoire unique, caractérisé en ce que la distance entre le capteur (3) et l’actionneur (2) est égale à un multiple de la demi longeur d’onde de la vibration.
- Capteur-actionneur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caratérisé en ce que l’actionneur électromécanique (2) est un actionneur piézoélectrique.
- Capteur-actionneur (1) selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que sa taille maximale est comprise entre 2 et 25 mm, de façon à assurer les fonctions d’actionnement et de mesure tout en étant suffisamment petite pour pouvoir exciter les modes vibratoires des plus petites longueurs d’ondes dans une gamme de fréquence vibratoire ultrasonique comprise entre 20 kHz et 200 kHz.
- Capteur-actionneur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur (3) est agencé pour fournir un signal de mesure w(t) à un processeur (5) associé au capteur-actionneur (1), et en ce que ledit processeur (5) est agencé pour calculer la valeur notée Vin(t) de la tension d’alimentation à délivrer à l’actionneur (2).
- Capteur-actionneur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’il comporte un convertisseur de tension (6) continue vers alternative commandé par ledit processeur (5) associé au capteur-actionneur (1).
- Capteur-actionneur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur de la tension d’alimentation Vin(t) est asservie par ledit processeur numérique (5) à la valeur instantanée du signal de mesure w(t) délivré par le capteur (3).
- Dispositif tactile (16) comportant une surface vibrante (4), caractérisé en ce qu’il comporte un ensemble de capteurs-actionneurs unitaires (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, répartis et fixés sur la surface vibrante (4).
- Dispositif tactile (16) selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comporte un processeur maître (17) connecté en parallèle à une entrée de chacun des processeurs esclaves (5) des capteurs-actionneurs unitaires (1), de façon à pouvoir dissocier les signaux de contrôle des différents actionneurs (2).
- Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour envoyer à chaque processeur esclave (5) une information de synchronisation à une fréquence inférieure à la fréquence de vibration des capteurs (2).
- Dispositif selon l’une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour exécuter pendant une phase d’initialisation un algorithme d’auto-adressage de manière à établir automatiquement la cartographie du réseau de capteur-actionneurs (1) sur la surface (4) à actionner.
- Dispositif selon l’une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour transmettre aux processeurs esclaves (5) les paramètres de travail, à savoir les données nécessaires au contrôle d’un ou de plusieurs mode(s) vibratoire(s).
- Dispositif selon l’une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour transmettre aux processeurs esclaves (5) des valeurs de consigne de tension pour chaque mode vibratoire, en fonction de la répartition spatiale des capteurs-actionneurs (1), des fréquences de résonance attribuées aux différents capteurs-actionneurs (1) pendant la phase d’initialisation, et en fonction de l’effet recherché sur la surface (4) à actionner.
- Dispositif selon l’une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour, pendant une phase de diagnostic, interroger les processeurs esclaves (5) pour obtenir leurs paramètres de fonctionnement et pour rectifier le paramétrage des capteurs-actionneurs (1) individuels si nécessaire.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que le processeur maître (17) est configuré pour, pendant une phase d’interfaçage, communiquer à un dispositif de traitement externe les données recueillies auprès des processeurs esclaves (5) afin de permettre leur post-traitement.
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