WO2004073076A1 - Dispositif de commande d'un actionneur piezoelectrique et scanner commande par ce dispositif de commande - Google Patents
Dispositif de commande d'un actionneur piezoelectrique et scanner commande par ce dispositif de commande Download PDFInfo
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
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- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
- H02N2/062—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. for removing hysteresis
Definitions
- the invention relates to a device for controlling a piezoelectric actuator, as well as a scanner provided with the piezoelectric actuator controlled by this control device.
- a piezoelectric actuator comprises one or more piezoelectric elements deformable as a function of a control signal applied to the terminals of the piezoelectric element (s).
- the document US-A-4 263 527 describes a command in charge of a piezoelectric actuator.
- the piezoelectric element is put in series with a capacitor whose voltage is amplified towards the inverting input of an operational amplifier, receiving on its non-inverting input a control input signal, and whose output is connected to the piezoelectric element.
- an initialization circuit is provided to center the response of the actuator in the middle of its deformation curve as a function of the load.
- This initialization circuit includes a switch making it possible to short-circuit the capacity and a switch making it possible to connect the inverting input of the operational amplifier to the midpoint of a series circuit of two resistors connected between the ground and the output of the operational amplifier, controlled by a clock.
- the invention aims to obtain a device for controlling a piezoelectric actuator which overcomes the drawbacks of the prior art.
- a first object of the invention is a device for controlling a piezoelectric actuator comprising at least one piezoelectric element, the control device comprising:
- control device also comprises: - means for measuring the potential present on the second of the terminals output for supplying a measured value, as a function of this potential, the control means comprising at least one access for receiving the measured value supplied by the measurement means and being arranged so that, by switching the second circuit , the potential present on the second output terminal is maintained at a constant value and substantially equal to the value of the potential corresponding to the measurement value present on the reception port.
- the control of the piezoelectric actuator is linearized as a function of an input signal. It is compensated for the pressure drops occurring in the piezoelectric actuator. Thus, the deformation obtained is maintained substantially at a constant value which is a function of the input signal, and for example increases with the value of the latter.
- said constant value is substantially equal to the value of the potential of the second output terminal, corresponding to a measurement value present on the reception access after a determined time after the application of the input signal to the input of reception;
- the second circuit comprises: a second circuit for imposing the value of the potential of the second output terminal as a function of a voltage present on an output of the control means and determined as a function of said measurement value present on the reception access, to maintain the value of the potential of the second output terminal at said constant value, a short-circuit branch of the first output terminal on the reception input, and controlled switching means by the control means for
- the first imposition circuit comprises an operational amplifier capable of being connected by its non-inverting input to the input for receiving the input signal, connected by its output to the second output terminal and capable of being connected by its input inverting at the first output terminal
- the second imposition circuit comprises said operational amplifier in non-inverting amplifier assembly, the non-inverting input of which is capable of being connected to said voltage output of the control means
- the switching means comprising : a first switch of the non-inverting input between the input reception of the input signal in the first switching state and said voltage output of the control means in the second switching state, a second switch of the input inverter between the first output terminal in the first switching state and the midpoint of the non-inverting amplifier assembly in the second switching state, means for interrupting the short circuit branch, open in the first switching state and closed in the second switching state;
- the means of interruption includes: a first switch in series in the short-circuit branch, open in the first switching state and closed in the second switching state as well as in a reset state, and a third switch in the short-circuit branch between the receive input in the second switching state and ground in a reset state, the control means comprising a reset control input for closing the first switch and causing the third switch to go to ground in said reset state; the control means comprise means for calculating the voltage applied to the voltage output as a function of the measurement value present on the reception access.
- control means comprise an input for receiving the input signal and a means for monitoring the change in the value present on their input, capable of causing the change to the first switching state in the event of detection of a change in the value present on the entrance;
- the second circuit comprises a circuit connected in parallel with the capacitive means and comprising: at least one determined load, means for switching the determined load to vary the impedance of the circuit connected in parallel, seen by the capacitive means, the switching means being controlled by the control means to maintain the potential of the second output terminal at said constant value;
- the determined load is formed by a resistor in series with a switch forming a switching means, in parallel with the capacitive means;
- the resistance has an r value equal to or less than
- CPZT designates the value of the capacitance formed between the two terminals of the piezoelectric element, and C Re denotes the value of the capacity formed by the capacitive means;
- control means comprise a control unit capable of calculating the cyclic opening / closing ratio of the switch to maintain equal to said constant value the value of the potential present on the second output terminal, depending at least on the measured value present on the reception port;
- control means comprise a circuit for forming the difference between the value present on the reception input and the measured value present on the reception access, for said control unit;
- the first imposition circuit comprises an operational amplifier, connected by its non-inverting input to the input for receiving the input signal, by its output to the second output terminal and by its inverting input to the first output terminal ;
- the measurement means comprise a module for measuring the voltage present on the second output terminal and a memory for a measurement value, a function of this potential, supplied by the measurement module, this memory being triggered by the means of ordered.
- a second object of the invention is a scanner with piezoelectric actuator controlled by said control device.
- FIG. 1 schematically shows a first embodiment of the control device according to the invention
- FIG. 2 schematically shows a second embodiment of a control device according to the invention
- FIG. 3 schematically shows a flow diagram of the operation of the control device according to the invention
- FIG. 4 represents timing diagrams of the operation of the control device according to the invention, namely, from top to bottom, of a voltage Ve applied to an input terminal of the device, of a spatial deformation ⁇ of l piezoelectric actuator, of a voltage Vs of a second output terminal of the device, and of a signal ⁇ for switching control of the device.
- the piezoelectric actuator is described as comprising a single piezoelectric element 1. However, the invention is also applicable to the case where the piezoelectric actuator comprises several piezoelectric elements 1.
- the piezoelectric element 1 comprises first and second terminals
- the second output terminal 4 is connected to the output 6c of an operational amplifier 6, the non-inverting input 6a of which is connected via a first switch 7, ie to an input terminal 8 for receiving d 'An input signal, either at an output 9 of voltage of control means 10.
- the inverting input 6b of the operational amplifier 6 is connected via a second switch 11, either to a conductor 12 connected to the first output terminal 3, or to the midpoint 13 of a divider.
- voltage comprising a first resistor 14 connecting the midpoint 13 to the output 6c of the operational amplifier 6 and a second resistor 15 connecting the midpoint 13 to ground.
- the output 6c of the operational amplifier 6 is connected on the other hand to a module 16 for measuring the instantaneous voltage, providing at its output 17 a value Vm for measuring the voltage Vs present on the output 6c.
- the output 17 of the measurement module 16 is connected to a memory 18 for storing the measurement value Vm present on the output 17, connected to an input 19 or reception access, of the control means 10.
- the module 16 is for example formed by a voltage gain, the control means 10 by an electronic computer or any other logic control circuit.
- the first output terminal 3 is also connected to the midpoint 20 of a third switch 21 comprising a first switching terminal 22 and a second switching terminal 23 itself connected to the midpoint 24 of a fourth switch 25, comprising a first switching terminal 26 connected to ground and a second switching terminal 27 connected to the input terminal 8.
- the first, second and third switches 7, 11, 21 each have a switching position control terminal 28, 29, 30 respectively, which are connected to a common control output 31 switching means 10 control, providing the switching control signal ⁇ .
- the fourth switch 25 includes a switching control terminal 32 connected to a switching control terminal 33 of the control means 10.
- the input terminal 8 is also connected to a voltage input terminal 34 of the control means 10.
- control means 10 comprise an input 35 for resetting control.
- control device The operation of the control device according to FIG. 1 is as follows.
- a reset control signal to terminal 35 causes the third switch 21 to pass over terminal 23 and the fourth switch 25 to terminal 26, in order to short-circuit and discharge the capacitive means 5, during a first step E1 represented in FIG. 3.
- an input voltage Ve is applied to the input terminal 8, for example a voltage step Ve1 as well as shown in Figure 4.
- the first switch 7 is set to the position connected to the input terminal 8
- the second switch 11 is set to the position connected to the conductor 12
- the third switch 21 is set to the position connected to terminal 22, as shown by the letter Q in the figures.
- the charge present in the piezoelectric element 1 is imposed by the product of the capacity of the capacitive means 5 and of the voltage Ve present on the input terminal 8, thanks to the first circuit for imposing the voltage of the capacitive means 5, formed by the conductor 12 connected by the switch 11 to the inverting input 6b, the operational amplifier 6, its non-inverting input 6a connected by the switch 7 to the input terminal 8.
- the voltage Vs present on the second output terminal 4 tends to decrease, due to the pressure drops in the piezoelectric element 1, as shown in FIG. 4 by the curve Vs during the duration Ti and its extension in dotted after the duration Ti.
- step E2 After the command in charge of step E2, the voltage is measured by the module 16 and it is recorded in the memory 18 triggered by the control means 10, via a link 10a, during the step E3, the value Vm of measurement obtained on the output 17 of the means 16 of measurement after the duration Ti elapsed since the application of the input voltage Ve.
- the control means 10 calculate, by appropriate means, a voltage value, which they apply to the output 9 so that the voltage present on the second terminal 4 output is kept at a constant value. In the case of FIG. 1, the value of the voltage Vc applied by the control means 10 to the output 9. is equal
- Vc represents the voltage present on the output 9
- Vs represents the voltage on output 6c
- R1 represents the value of resistor 14
- R2 represents the value of resistor 15.
- the control means 10 After the measurement and storage of the measurement value Vm, the control means 10 cause the switching, via the outputs 31 and 33, of the switches, namely of the switch 7 to the voltage output 9, of the switch 11 at the midpoint 13, of the switch 21 on the terminal 23 and of the switch 25 on the terminal 27, during the next step E4 of voltage control, as marked by the letter V in the figures.
- the first output terminal 3 is connected to a second circuit comprising the operational amplifier 6 connected to the resistors 14 and 15 to impose the value of the potential of the second output terminal 4 as a function of the voltage present on the output 9 control means 10, as well as a short-circuit branch of the first output terminal 3 on the input terminal 8, formed by the terminals 20, 23, 24 and 27 connected together.
- the voltage Vs present at the output 6c of the operational amplifier 6 and on the second output terminal 4 is then maintained equal to a constant value, for a duration T 2 shown in FIG. 4 and after the duration Ti, which provides a constant deformation ⁇ of the actuator as a function of the value Ve1 of the input voltage applied to the input terminal 8.
- step E5 it is examined during the next step E5 by the control means 10 if the value of the voltage present on their input 34 changes.
- a change of the input voltage on the input terminal 8 and therefore on the terminal 34 corresponds to a change of setpoint Ve of deformation of the piezoelectric actuator. If so in step E5, it is returned to step E2 of load control, which corresponds to the duration T 3 following the duration T 2 at the Figure 4.
- the spacing between the durations Ti, T 3 of the load command may not be periodic.
- the first circuit for imposing the voltage of the capacitive means 5 is retained and is formed by the conductor 12 directly connecting the first output terminal 3 to the inverting input 6b of the operational amplifier 6, the non-inverting input 6a of the operational amplifier 6 connected directly to the input terminal 8 and the output 6c of the operational amplifier 6 connected to the second output terminal 4.
- the control means include a difference forming circuit 42 and a control unit 46.
- the second output terminal 4 is connected to the measurement module 16, itself connected to the memory 18, the latter being triggered by the control unit 46 via a link 46a.
- the output 19 is connected to the subtracting terminal 41 of the difference formation circuit 42, receiving on its adding input 43 the value of the voltage present on the input terminal 8.
- the output 44 of the difference forming circuit 42 on which the difference between the signal present on its summing input 43 and its subtracting input 41 is present, is connected to an input 45 of the control unit 46 comprising a control output 47 .
- a second circuit comprises a circuit connected in parallel with the capacitive means 5 and comprising a load 48, for example formed of a resistor, connected to ground and by means of a switch 49 at the first 3 terminal Release.
- the switch 49 includes an input 50 for control connected to the output 47 for controlling the means 46.
- step E4 the control signal supplied to the control input 50 by the means 46 is such that it maintains the potential of the second output terminal 4 at the substantially constant voltage value of the second output terminal, corresponding to the measurement value stored in memory 18.
- the control means 46 for example vary the opening and closing duty cycle of the switch 49 as a function of the value present on their input 45 in step E3, this duty cycle being kept constant for a constant value present on their input 45 during step E4, when the voltage of terminal 8 does not change. If it is determined during step E5 that the voltage Ve present on the input terminal 8 changes, it is returned to step E2 during which the switch 49 is controlled in the open state for the application of the voltage Ve to input terminal 8.
- the control means 46 comprise a means for monitoring the change in the set value Ve (8). They also include a reset input 51 making it possible to open the switch 49 during step E1 by applying a corresponding signal to the input 51.
- the measurement value Vm measured by the measurement modules 16 and stored in memory 18 corresponds to a value measured on the second output terminal 4 after the determined time Ti after the application of the input signal Ve on the input terminal 8.
- This determined time Ti is fixed as a function of the establishment time of the deformation ⁇ of the piezoelectric element 1 in response to a load step and corresponds to an almost total establishment of the deformation under load control, as shown in Figure 4. This time Ti is for example fixed in advance. This time Ti is for example of the order of a millisecond.
- the invention makes it possible to obtain precise open-loop control of the actuator at a low cost.
- the invention is applicable to a large number of fields, in particular to those requiring very good positioning precision, for example in atomic force microscopes, in which the scanning of the surface, of which an image must be formed, is achieved by the control of a piezoelectric tube.
- Such microscopes are used to form images of surfaces with nanometric resolution, and the principle is to scan the surface with a microlever and measure in real time the changes in the behavior of this lever (deflection, natural frequency, etc.). .) which provide information on the surface topography. The precision of the positioning of the lever during scanning then partly conditions the quality of the images obtained.
- These microscopes can comprise two types of scanner, namely scanners with open-loop voltage control, which are generally piezotubes, or position-controlled scanners. In the first case especially, the invention makes it possible to linearize the operation without any modification of the technological system, but by considerably improving the quality of the image obtained.
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique comportant au moins un élément (1) piézoélectrique, le dispositif de commande comportant des moyens capacitifs (5) connectés ô une première borne (3) de sortie pour former avec l'élément piézoélectrique (1) un circuit en série. Le dispositif est caractérisé par des moyens (16) de mesure du potentiel présent sur une deuxième borne (4) de sortie pour fournir une valeur (Vm) de mesure, des moyens (10) de commande comportant un accès (19) de réception de la valeur de mesure (Vm) et étant agencés pour faire en sorte que, par commutation d'un deuxième circuit (6, 14, 15), le potentiel présent sur la deuxième borne (4) de sortie soit maintenu ô une valeur constante et sensiblement égale ô la valeur du potentiel correspondant ô la valeur (Vm) de mesure présente sur l'accès (19) de réception.
Description
DISPOSITIF DE COMMANDE D'UN ACTIONNEUR PIEZOELECTRIQUE ET SCANNER COMMANDE PAR CE DISPOSITIF DE COMMANDE
L'invention concerne un dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique, ainsi qu'un scanner muni de l'actionneur piézoélectrique commandé par ce dispositif de commande.
Un actionneur piézoélectrique comporte un ou plusieurs éléments piézoélectriques déformables en fonction d'un signal de commande appliqué aux bornes du ou des éléments piézoélectriques.
Le document US-A-4 263 527 décrit une commande en charge d'un actionneur piézoélectrique. A cet effet, l'élément piézoélectrique est mis en série avec une capacité dont la tension est amplifiée vers l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel, recevant sur son entrée non inverseuse un signal d'entrée de commande, et dont la sortie est reliée à l'élément piézoélectrique. En outre, un circuit d'initialisation est prévu pour recentrer la réponse de l'actionneur au milieu de sa courbe de déformation en fonction de la charge. Ce circuit d'initialisation comprend un commutateur permettant de court-circuiter la capacité et un commutateur permettant de relier l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel au point milieu d'un circuit série de deux résistances connecté entre la masse et la sortie de l'amplificateur opérationnel, sous la commande d'une horloge.
Ces circuits permettent certes de réduire les effets de l'hystérésis de la commande en tension de l'actionneur piézoélectrique. Toutefois, il apparaît un autre problème lorsque l'on commande en charge l'actionneur piézoélectrique. En effet, lorsque l'on commande en charge l'actionneur piézoélectrique, celui-ci a tendance à se décharger au cours du temps, ce qui provoque une dérive de la position de l'actionneur. Il s'ensuit que, pour un signal de commande prescrit, devant aboutir à une déformation prescrite constante de l'actionneur piézoélectrique, on obtient en réalité une déformation diminuant dans le temps.
L'invention vise à obtenir un dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique palliant les inconvénients de l'état de la technique.
A cet effet, un premier objet de l'invention est un dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique comportant au moins un élément piézoélectrique, le dispositif de commande comportant :
- au moins une entrée de réception d'un signal d'entrée,
- au moins deux bornes de sortie destinées à être reliées à au moins deux bornes de l'élément piézoélectrique,
- des moyens capacitifs connectés à une première des deux bornes de sortie pour former avec l'élément piézoélectrique un circuit en série, - un premier circuit pour imposer la tension des moyens capacitifs en fonction de la. valeur du signal présent sur l'entrée de réception,
- des moyens de commande de commutation d'un deuxième circuit relié à au moins l'une des bornes de sortie, caractérisé en ce que le dispositif de commande comprend en outre : - des moyens de mesure du potentiel présent sur la deuxième des bornes de sortie pour fournir une valeur de mesure, en fonction de ce potentiel, les moyens de commande comportant au moins un accès de réception de la valeur de mesure fournie par les moyens de mesure et étant agencés pour faire en sorte que, par commutation du deuxième circuit, le potentiel présent sur la deuxième borne de sortie soit maintenu à une valeur constante et sensiblement égale à la valeur du potentiel correspondant à la valeur de mesure présente sur l'accès de réception.
Grâce à l'invention, on linéarise la commande de l'actionneur piézoélectrique en fonction d'un signal d'entrée. Il est pallié aux pertes de charge survenant dans l'actionneur piézoélectrique. Ainsi, la déformation obtenue est maintenue sensiblement à une valeur constante fonction du signal d'entrée, et par exemple croissante avec la valeur de celui-ci.
Suivant d'autres caractéristiques de l'invention :
- ladite valeur constante est sensiblement égale à la valeur du potentiel de la deuxième borne de sortie, correspondant à une valeur de mesure présente sur l'accès de réception après un temps déterminé après l'application du signal d'entrée sur l'entrée de réception ;
- ledit temps déterminé est fixé en fonction du temps d'établissement de la déformation de l'élément piézoélectrique en réponse à un échelon de charge ;
- le deuxième circuit comprend : un deuxième circuit pour imposer la valeur du potentiel de la deuxième borne de sortie en fonction d'une tension présente sur une sortie des moyens de commande et déterminée en fonction de ladite valeur de mesure
présente sur l'accès de réception, pour maintenir la valeur du potentiel de la deuxième borne de sortie à ladite valeur constante, une branche de court-circuit de la première borne de sortie sur l'entrée de réception, et des moyens de commutation commandés par les moyens de commande pour
* soit, dans un premier état de commutation, relier la première borne de sortie au premier circuit d'imposition, déconnecter la deuxième borne de sortie du deuxième circuit d'imposition et déconnecter de la première borne de sortie la branche de court-circuit,
* soit, dans un deuxième état de commutation, relier la deuxième borne de sortie au deuxième circuit, déconnecter la première borne de sortie du premier circuit d'imposition et connecter la première borne de sortie à la tension d'entrée pour maintenir le potentiel de la deuxième borne de sortie à ladite valeur constante ;
- le premier circuit d'imposition comprend un amplificateur opérationnel apte à être relié par son entrée non inverseuse à l'entrée de réception du signal d'entrée, relié par sa sortie à la deuxième borne de sortie et apte à être relié par son entrée inverseuse à la première borne de sortie, le deuxième circuit d'imposition comprend ledit amplificateur opérationnel en montage amplificateur non inverseur, dont l'entrée non inverseuse est apte à être reliée à ladite sortie de tension des moyens de commande, les moyens de commutation comprenant : un premier commutateur de l'entrée non inverseuse entre l'entrée de réception du signal d'entrée dans le premier état de commutation et ladite sortie de tension des moyens de commande dans le deuxième état de commutation, un deuxième commutateur de l'entrée inverseuse entre la première borne de sortie dans le premier état de commutation et le point milieu du montage amplificateur non inverseur dans le deuxième état de commutation, un moyen d'interruption de la branche de court-circuit, ouvert dans le premier état de commutation et fermé dans le deuxième état de commutation ;
- le moyen d'interruption comprend :
un premier interrupteur en série dans la branche du court-circuit, ouvert dans le premier état de commutation et fermé dans le deuxième état de commutation ainsi que dans un état de réinitialisation, et un troisième commutateur de la branche de court-circuit entre l'entrée de réception dans le deuxième état de commutation et la masse dans un état de réinitialisation, les moyens de commande comprenant une entrée de commande de réinitialisation pour fermer le premier interrupteur et provoquer le passage du troisième commutateur sur la masse dans ledit état de réinitialisation ; - les moyens de commande comportent des moyens de calcul de la tension appliquée sur la sortie de tension en fonction de la valeur de mesure présente sur l'accès de réception.
- les moyens de commande comportent une entrée de réception du signal d'entrée et un moyen de surveillance de changement de la valeur présente sur leur entrée, apte à provoquer le passage dans le premier état de commutation en cas de détection de changement de la valeur présente sur l'entrée ;
- ou le deuxième circuit comprend un circuit relié en parallèle avec les moyens capacitifs et comprenant : au moins une charge déterminée, des moyens de commutation de la charge déterminée pour faire varier l'impédance du circuit reliée en parallèle, vue par les moyens capacitifs, les moyens de commutation étant commandés par les moyens de commande pour maintenir le potentiel de la deuxième borne de sortie à ladite valeur constante ; - la charge déterminée est formée par une résistance en série avec un interrupteur formant moyen de commutation, en parallèle avec les moyens capacitifs ;
- la résistance a une valeur r égale ou inférieure à
Rf Cpzr Re/ où Rf désigne la valeur d'une résistance de fuite de l'élément piézoélectrique,
CPZT désigne la valeur de la capacité formée entre les deux bornes de l'élément piézoélectrique,
et CRe désigne la valeur de la capacité formée par les moyens capacitifs ;
- les moyens de commande comprennent une unité de commande apte à calculer le rapport cyclique d'ouverture/fermeture de l'interrupteur pour maintenir égale à ladite valeur constante la valeur du potentiel présent sur la deuxième borne de sortie, en fonction au moins de la valeur de mesure présente sur l'accès de réception ;
- les moyens de commande comprennent un circuit de formation de différence entre la valeur présente sur l'entrée de réception et la valeur de mesure présente sur l'accès de réception, pour ladite unité de commande ;
- le premier circuit d'imposition comprend un amplificateur opérationnel, relié par son entrée non inverseuse à l'entrée de réception du signal d'entrée, par sa sortie à la deuxième borne de sortie et par son entrée inverseuse à la première borne de sortie ; - les moyens de mesure comprennent un module de mesure de la tension présente sur la deuxième borne de sortie et une mémoire d'une valeur de mesure, fonction de ce potentiel, fournie par le module de mesure, cette mémoire étant déclenchée par les moyens de commande.
Un deuxième objet de l'invention est un scanner à actionneur piézoélectrique commandé par ledit dispositif de commande.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins, sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif de commande suivant l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de commande suivant l'invention ;
- la figure 3 représente schématiquement un organigramme du fonctionnement du dispositif de commande suivant l'invention ; et - la figure 4 représente des chronogrammes du fonctionnement du dispositif de commande suivant l'invention, à savoir , de haut en bas, d'une tension Ve appliquée sur une borne d'entrée du dispositif, d'une déformation spatiale ε de l'actionneur piézoélectrique, d'une tension Vs d'une deuxième borne de sortie du dispositif, et d'un signal Φ de commande de commutation du dispositif.
Aux figures 1 et 2, l'actionneur piézoélectrique est décrit comme comportant un seul élément piézoélectrique 1. Toutefois, l'invention est également applicable au cas où l'actionneur piézoélectrique comporte plusieurs éléments piézoélectriques 1. L'élément piézoélectrique 1 comporte des première et deuxième bornes
2a, 2b électriques, auxquelles sont reliées des première et deuxième bornes 3, 4 de sortie du dispositif de commande. Des moyens capacitifs 5, formés aux figures 1 et 2 par une capacité, sont reliés en série entre la première borne de sortie 3 et la masse. La deuxième borne de sortie 4 est reliée à la sortie 6c d'un amplificateur opérationnel 6, dont l'entrée non inverseuse 6a est reliée par l'intermédiaire d'un premier commutateur 7, soit à une borne d'entrée 8 de réception d'un signal d'entrée, soit à une sortie 9 de tension de moyens 10 de commande. En outre, l'entrée inverseuse 6b de l'amplificateur opérationnel 6 est reliée par l'intermédiaire d'un deuxième commutateur 11, soit à un conducteur 12 relié à la première borne 3 de sortie, soit au point milieu 13 d'un diviseur de tension comportant une première résistance 14 reliant le point milieu 13 à la sortie 6c de l'amplificateur opérationnel 6 et une deuxième résistance 15 reliant le point milieu 13 à la masse.
La sortie 6c de l'amplificateur opérationnel 6 est reliée d'autre part à un module 16 de mesure de la tension instantanée, fournissant sur sa sortie 17 une valeur Vm de mesure de la tension Vs présente sur la sortie 6c. La sortie 17 du module 16 de mesure est reliée à une mémoire 18 de mémorisation de la valeur Vm de mesure présente sur la sortie 17, reliée à une entrée 19 ou accès de réception, des moyens 10 de commande. Le module 16 est par exemple formé par un gain en tension, les moyens 10 de commande par un calculateur électronique ou tout autre circuit logique de commande.
La première borne 3 de sortie est en outre reliée au point milieu 20 d'un troisième commutateur 21 comportant une première borne de commutation 22 et une deuxième borne de commutation 23 elle-même reliée au point milieu 24 d'un quatrième commutateur 25, comportant une première borne de commutation 26 reliée à la masse et une deuxième borne de commutation 27 reliée à la borne 8 d'entrée. Les premier, deuxième et troisième commutateurs 7, 11 , 21 comportent chacun respectivement une borne de commande de position de commutation respectivement 28, 29, 30, qui sont reliés à une sortie commune 31 de commande
de commutation des moyens 10 de commande, fournissant le signal Φ de commande de commutation. En outre, le quatrième commutateur 25 comporte une borne 32 de commande de commutation reliée à une borne 33 de commande de commutation des moyens 10 de commande. La borne 8 d'entrée est également reliée à une borne 34 d'entrée de tension des moyens 10 de commande.
En outre, les moyens 10 de commande comportent une entrée 35 de commande de réinitialisation.
Le fonctionnement du dispositif de commande suivant la figure 1 est le suivant.
L'application d'un signal de commande de réinitialisation à la borne 35 provoque le passage du troisième commutateur 21 sur la borne 23 et du quatrième commutateur 25 sur la borne 26, pour court-circuiter et décharger les moyens capacitifs 5, au cours d'une première étape E1 représentée à la figure 3. Puis, au cours d'une étape E2 de commande en charge, on applique une tension Ve d'entrée sur la borne 8 d'entrée, par exemple un échelon de tension Ve1 ainsi que représenté à la figure 4. Par l'intermédiaire de la sortie 31 de commande de commutation, le premier commutateur 7 est mis sur la position reliée à la borne 8 d'entrée, le deuxième commutateur 11 est mis sur la position reliée au conducteur 12 et le troisième commutateur 21 est mis sur la position reliée à la borne 22, ainsi que représenté par la lettre Q aux figures. Dans ce cas, la charge présente dans l'élément piézoélectrique 1 est imposée par le produit de la capacité des moyens capacitifs 5 et de la tension Ve présente sur la borne 8 d'entrée, grâce au premier circuit d'imposition de la tension des moyens capacitifs 5, formé par le conducteur 12 relié par le commutateur 11 à l'entrée inverseuse 6b, l'amplificateur opérationnel 6, son entrée non inverseuse 6a reliée par le commutateur 7 à la borne d'entrée 8.
Toutefois, la tension Vs présente sur la deuxième borne 4 de sortie a tendance à diminuer, du fait des pertes de charge dans l'élément piézoélectrique 1 , ainsi que représenté sur la figure 4 par la courbe Vs pendant la durée Ti et son prolongement en pointillés après la durée Ti.
Après la commande en charge de l'étape E2, on mesure la tension par le module 16 et on enregistre dans la mémoire 18 déclenchée par les moyens de commande 10, par l'intermédiaire d'une liaison 10a, au cours de l'étape E3, la
valeur Vm de mesure obtenue sur la sortie 17 des moyens 16 de mesure après la durée Ti écoulée depuis l'application de la tension d'entrée Ve. En fonction de la valeur de tension présente dans la mémoire 18, les moyens 10 de commande calculent, par des moyens appropriés, une valeur de tension, qu'ils appliquent sur la sortie 9 de manière à ce que la tension présente sur la deuxième borne 4 de sortie soit maintenue à une valeur constante. Dans le cas de la figure 1, la valeur de la tension Vc appliquée par les moyens 10 de commande sur la sortie 9. est égale
où Vc représente la tension présente sur la sortie 9, Vs représente la
tension sur la sortie 6c, R1 représente la valeur de la résistance 14 et R2 représente la valeur de la résistance 15.
Après la mesure et la mémorisation de la valeur Vm de mesure, les moyens 10 de commande provoquent la commutation, par l'intermédiaire des sorties 31 et 33, des commutateurs, à savoir du commutateur 7 sur la sortie 9 de tension, du commutateur 11 sur le point milieu 13, du commutateur 21 sur la borne 23 et du commutateur 25 sur la borne 27, au cours de l'étape suivante E4 de commande en tension, ainsi que marqué par la lettre V aux figures. Ainsi, la première borne 3 de sortie est-elle reliée à un deuxième circuit comprenant l'amplificateur opérationnel 6 relié aux résistances 14 et 15 pour imposer la valeur du potentiel de la deuxième borne 4 de sortie en fonction de la tension présente sur la sortie 9 des moyens de commande 10, ainsi qu'une branche de court-circuit de la première borne 3 de sortie sur la borne 8 d'entrée, formée par les bornes 20, 23, 24 et 27 reliées entre elles.
La tension Vs présente à la sortie 6c de l'amplificateur opérationnel 6 et sur la deuxième borne 4 de sortie est alors maintenue égale à une valeur constante, pendant une durée T2 représentée à la figure 4 et postérieure à la durée Ti, ce qui permet d'obtenir une déformation constante ε de l'actionneur en fonction de la valeur Ve1 de la tension d'entrée appliquée sur la borne 8 d'entrée.
Puis il est examiné au cours de l'étape suivante E5 par les moyens 10 de commande si la valeur de la tension présente sur leur entrée 34 change. Un changement de la tension d'entrée sur la borne 8 d'entrée et donc sur la borne 34 correspond à un changement de consigne Ve de déformation de l'actionneur piézoélectrique. Dans l'affirmative à l'étape E5, il est repassé à l'étape E2 de commande en charge, ce qui correspond à la durée T3 suivant la durée T2 à la
figure 4. Bien entendu, l'espacement entre les durées T-i, T3 de commande en charge peut ne pas être périodique.
A la figure 2, les éléments identiques ou analogues à ceux de la figure 1 portent les mêmes signes de référence. Le premier circuit d'imposition de la tension des moyens capacitifs 5 est conservé et est formé par le conducteur 12 reliant directement la première borne 3 de sortie à l'entrée inverseuse 6b de l'amplificateur opérationnel 6, l'entrée 6a non inverseuse de l'amplificateur opérationnel 6 reliée directement à la borne 8 d'entrée et la sortie 6c de l'amplificateur opérationnel 6 reliée à la deuxième borne 4 de sortie. Les moyens de commande comprennent un circuit 42 de formation de différence et une unité 46 de commande. La deuxième borne 4 de sortie est reliée au module 16 de mesure, lui-même relié à la mémoire 18, cette dernière étant déclenchée par l'unité de commande 46 par l'intermédiaire d'une liaison 46a. La sortie 19 est reliée à la borne soustractrice 41 du circuit 42 de formation de différence, recevant sur son entrée additionneuse 43 la valeur de la tension présente sur la borne 8 d'entrée. La sortie 44 du circuit 42 de formation de différence, sur laquelle est présente la différence entre le signal présent sur son entrée additionneuse 43 et son entrée soustractrice 41 est reliée à une entrée 45 de l'unité 46 de commande comportant une sortie 47 de commande. En outre, un deuxième circuit comprend un circuit relié en parallèle avec les moyens capacitifs 5 et comportant une charge 48, par exemple formée d'une résistance, reliée à la masse et par l'intermédiaire d'un interrupteur 49 à la première 3 borne de sortie. L'interrupteur 49 comporte une entrée 50 de commande reliée à la sortie 47 de commande des moyens 46. L'ouverture et la fermeture de l'interrupteur 49 sous la commande de son entrée 50 fait varier l'impédance globale vue par les moyens capacitifs 5. Au cours de l'étape E4, le signal de commande fourni à l'entrée 50 de commande par les moyens 46 est tel qu'il maintient le potentiel de la deuxième borne 4 de sortie à la valeur sensiblement constante de tension de la deuxième borne de sortie, correspondant à la valeur de mesure mémorisée dans la mémoire 18.
Ainsi, on compense les charges perdues dans l'élément piézoélectrique 1 en drainant un courant dans la charge 48. Si l'on modélise ces pertes de charge dans l'élément piézoélectrique 1 par une résistance de fuite Rf, ainsi que représenté en traits interrompus à la figure 2, la compensation est exacte
à chaque fermeture de l'interrupteur 49, pour une valeur r de la résistance 48 vérifiant la formule suivante (égale ou inférieure) : r = R f CPZT
CRe où CPZT représente la capacité de l'élément piézoélectrique 1 et CRβf est la capacité des moyens capacitifs 5.
Bien entendu, on pourrait également envisager de rendre variable l'impédance de la charge 48 par les moyens 46 de commande.
Les moyens 46 de commande font par exemple varier le rapport cyclique d'ouverture et de fermeture de l'interrupteur 49 en fonction de la valeur présente sur leur entrée 45 à l'étape E3, ce rapport cyclique étant maintenu constant pour une valeur constante présente sur leur entrée 45 au cours de l'étape E4, lorsque la tension de la borne 8 ne change pas. Si on détermine au cours de l'étape E5 que la tension Ve présente sur la borne 8 d'entrée change, il est repassé à l'étape E2 au cours de laquelle l'interrupteur 49 est commandé à l'état ouvert pour l'application de la tension Ve à la borne 8 d'entrée.
Les moyens 46 de commande comprennent un moyen de surveillance du changement de la valeur de consigne Ve (8). Ils comportent également une entrée 51 de réinitialisation permettant d'ouvrir au cours de l'étape E1 l'interrupteur 49 par l'application d'un signal correspondant sur l'entrée 51. La valeur Vm de mesure mesurée par les modules 16 de mesure et mémorisée dans la mémoire 18 correspond à une valeur mesurée sur la deuxième borne 4 de sortie après le temps déterminé Ti après l'application du signal d'entrée Ve sur la borne 8 d'entrée. Ce temps déterminé Ti est fixé en fonction du temps d'établissement de la déformation ε de l'élément piézoélectrique 1 en réponse à un échelon de charge et correspond à un établissement quasi-total de la déformation en commande en charge, ainsi que représenté à la figure 4. Ce temps T-i est par exemple fixé à l'avance. Ce temps Ti est par exemple de l'ordre d'une milliseconde.
Il a ainsi été obtenu une hystérésis résiduelle de 2,8 % par la commande suivant l'invention, pour une hystérésis de 20,8 % du même élément piézoélectrique en commande en tension classique.
Il est ainsi obtenu un dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique sans capteur de position, ni asservissement en position de l'actionneur, qui sont très lourds et très coûteux à mettre en oeuvre, notamment du
fait du capteur de position à très haute précision et du système de régulation à utiliser. Ainsi, l'invention permet d'obtenir une commande précise en boucle ouverte de l'actionneur à un coût peu élevé. L'invention est applicable à un grand nombre de domaines, notamment à ceux exigeant une très bonne précision de positionnement, par exemple dans les microscopes à force atomique, dans lesquels le balayage de la surface, dont il faut former une image, est réalisé par la commande d'un tube piézoélectrique. De tels microscopes sont utilisés pour former des images de surfaces avec une résolution nanométrique, et le principe en est de faire balayer par un microlevier la surface et de mesurer en temps réel les modifications du comportement de ce levier (déflection, fréquence propre, ...) qui renseignent sur la topographie de la surface. La précision du positionnement du levier pendant le balayage conditionne alors pour partie la qualité des images obtenues. Ces microscopes peuvent comporter deux types de scanner, à savoir des scanners à commande en tension en boucle ouverte, qui sont en général des piezotubes, ou des scanners asservis en position. Dans le premier cas surtout, l'invention permet de linéariser le fonctionnement sans aucune modification du système technologique, mais en améliorant considérablement la qualité de l'image obtenue.
Claims
1. Dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique comportant au moins un élément (1) piézoélectrique, le dispositif de commande comportant : - au moins une entrée (8) de réception d'un signal (Ve) d'entrée,
- au moins deux bornes (3, 4) de sortie- destinées à être reliées à au moins deux bornes (2a, 2b) de l'élément piézoélectrique (1),
- des moyens capacitifs (5) connectés à une première (3) des deux bornes (3, 4) de sortie pour former avec l'élément piézoélectrique (1) un circuit en série,
- un premier circuit (6, 12) pour imposer la tension des moyens capacitifs (5) en fonction de la valeur du signal (Ve) présent sur l'entrée (8) de réception,
- des moyens (10, 46) de commande de commutation d'un deuxième circuit (6, 14, 15 ; 48, 49) relié à au moins l'une des bornes (3,4) de sortie, caractérisé en ce que le dispositif de commande comprend en outre :
- des moyens (16) de mesure du potentiel présent sur la deuxième (4) des bornes (3, 4) de sortie pour fournir une valeur (Vm) de mesure, en fonction de ce potentiel, les moyens (10, 46) de commande comportant au moins un accès
(19) de réception de la valeur de mesure (Vm) fournie par les moyens (16) de mesure et étant agencés pour faire en sorte que, par commutation du deuxième circuit (6, 14, 15 ; 48, 49), le potentiel présent sur la deuxième borne (4) de sortie soit maintenu à une valeur constante et sensiblement égale à la valeur du potentiel correspondant à la valeur (Vm) de mesure présente sur l'accès (19) de réception.
2. Dispositif de commande suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite valeur constante est sensiblement égale à la valeur du potentiel de la deuxième borne (4) de sortie, correspondant à une valeur (Vm) de mesure présente sur l'accès (19) de réception après un temps déterminé (T-i) après l'application du signal (Ve) d'entrée sur l'entrée (8) de réception.
3. Dispositif de commande suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit temps déterminé (Ti) est fixé en fonction du temps d'établissement de la déformation de l'élément piézoélectrique (1) en réponse à un échelon de charge.
4. Dispositif de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le deuxième circuit comprend : - un deuxième circuit (6, 14, 15) pour imposer la valeur du potentiel de la deuxième borne (4) de sortie en fonction d'une tension (Vc) présente sur une sortie (9) des moyens (10) de commande et déterminée en fonction de ladite valeur de mesure (Vm) présente sur l'accès (19) de réception, pour maintenir la valeur du potentiel de la deuxième borne (4) de sortie à ladite valeur constante, - une branche (20, 23, 24, 27) de court-circuit de la première borne de sortie sur l'entrée (8) de réception, et
- des moyens (7, 11 , 21 , 25) de commutation commandés par les moyens (10) de commande pour
* soit, dans un premier état de commutation, relier la première borne (3) de sortie au premier circuit (6, 12) d'imposition, déconnecter la deuxième borne (4) de sortie du deuxième circuit (6, 14, 15) d'imposition et déconnecter de la première borne (3) de sortie la branche (20, 23, 24, 27) de court-circuit,
* soit, dans un deuxième état de commutation, relier la deuxième borne (4) de sortie au deuxième circuit (6, 14, 15), déconnecter la première borne (3) de sortie du premier circuit d'imposition et connecter la première borne (3) de sortie à la tension d'entrée pour maintenir le potentiel de la deuxième borne (4) de sortie à ladite valeur constante.
5. Dispositif de commande suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le premier circuit (6, 12) d'imposition comprend un amplificateur opérationnel (6) apte à être relié par son entrée non inverseuse (6a) à l'entrée de réception (8) du signal d'entrée, relié par sa sortie (6c) à la deuxième borne (4) de sortie et apte à être relié par son entrée inverseuse (6b) à la première borne (3) de sortie, le deuxième circuit (6, 14, 15) d'imposition comprend ledit amplificateur opérationnel (6) en montage amplificateur non inverseur, dont l'entrée non inverseuse (6a) est apte à être reliée à ladite sortie (9) de tension des moyens (10) de commande, les moyens de commutation comprenant : - un premier commutateur (7) de l'entrée non inverseuse (6a) entre l'entrée (8) de réception du signal d'entrée dans le premier état de commutation et ladite sortie (9) de tension des moyens (10) de commande dans le deuxième état de commutation, - un deuxième commutateur (11) de l'entrée inverseuse (6b) entre la première borne (3) de sortie dans le premier état de commutation et le point milieu (13) du montage amplificateur non inverseur dans le deuxième état de commutation,
- un moyen (21 , 25) d'interruption de la branche de court-circuit, ouvert dans le premier état de commutation et fermé dans le deuxième état de commutation.
6. Dispositif de commande suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen (21 , 25) d'interruption comprend :
- un premier interrupteur (21) en série dans la branche du court- circuit, ouvert dans le premier état de commutation et fermé dans le deuxième état de commutation ainsi que dans un état de réinitialisation, et
- un troisième commutateur (25) de la branche de court-circuit entre l'entrée (8) de réception dans le deuxième état de commutation et la masse dans un état de réinitialisation, les moyens (10) de commande comprenant une entrée (35) de commande de réinitialisation pour fermer le premier interrupteur (21) et provoquer le passage du troisième commutateur (25) sur la masse dans ledit état de réinitialisation.
7. Dispositif de commande suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les moyens (10) de commande comportent des moyens de calcul de la tension appliquée sur la sortie (9) de tension en fonction de la valeur (Vm) de mesure présente sur l'accès (19) de réception.
8. Dispositif de commande suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les moyens (10) de commande comportent une entrée (34) de réception du signal (Ve) d'entrée et un moyen de surveillance de changement de la valeur présente sur leur entrée (34), apte à provoquer le passage dans le premier état de commutation en cas de détection de changement de la valeur présente sur l'entrée (34).
9. Dispositif de commande suivant l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le deuxième circuit (48, 49) comprend un circuit (48, 49) relié en parallèle avec les moyens capacitifs (5) et comprenant : - au moins une charge (48) déterminée,
- des moyens (49) de commutation de la charge (48) déterminée pour faire varier l'impédance du circuit (48, 49) reliée en parallèle, vue par les moyens capacitifs (5), les moyens (49) de commutation étant commandés par les moyens
(46) de commande pour maintenir le potentiel de la deuxième borne (4) de sortie à ladite valeur constante.
10. Dispositif de commande suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la charge déterminée (48) est formée par une résistance en série avec un interrupteur (49) formant moyen de commutation, en parallèle avec les moyens capacitifs (5).
11. Dispositif de commande suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la résistance a une valeur r égale ou inférieure à r = Rf CPZT
CReJ où Rf désigne la valeur d'une résistance de fuite de l'élément piézoélectrique (1), CPZT désigne la valeur de la capacité formée entre les deux bornes de l'élément piézoélectrique (1), et CRβf désigne la valeur de la capacité formée par les moyens capacitifs (5).
12. Dispositif de commande suivant l'une quelconque des revendications 10 et 11 , caractérisé en ce que les moyens (46) de commande comprennent une unité (46) de commande apte à calculer le rapport cyclique d'ouverture/fermeture de l'interrupteur (49) pour maintenir égale à ladite valeur constante la valeur du potentiel présent sur la deuxième borne (4) de sortie, en fonction au moins de la valeur (Vm) de mesure présente sur l'accès (19) de réception.
13. Dispositif de commande suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens (42, 46) de commande comprennent un circuit (42) de formation de différence entre la valeur présente sur l'entrée (8) de réception et la valeur (Vm) de mesure présente sur l'accès (19) de réception, pour ladite unité (46) de commande.
14. Dispositif de commande suivant l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le premier circuit (6, 12) d'imposition comprend un amplificateur opérationnel (6), relié par son entrée non inverseuse (6a) à l'entrée (8) de réception du signal d'entrée, par sa sortie (6c) à la deuxième borne (4) de sortie et par son entrée inverseuse (6b) à la première borne (3) de sortie.
15. Dispositif de commande suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (16, 18) de mesure comprennent un module (16) de mesure de la tension présente sur la deuxième borne (4) de sortie et une mémoire (18) d'une valeur de mesure, fonction de ce potentiel, fournie par le module (16) de mesure, cette mémoire étant déclenchée par les moyens de commande (10, 46).
16. Scanner à actionneur piézoélectrique commandé par un dispositif de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW |
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| AL | Designated countries for regional patents |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |