Électronique de puissance pour actionneurs ...grepes.be/PDF/presentation/Grepes-Piezo.pdf ·...
Transcript of Électronique de puissance pour actionneurs ...grepes.be/PDF/presentation/Grepes-Piezo.pdf ·...
Journée d’étude en électronique de puissance
Électronique de puissance pour actionneurs
piézoélectriques linéaires amplifiés :
Application à une servovalve direct drive
Paul Alexandre (SABCA)Christophe Vloebergh (UCL)Paul Sente (UCL)Thierry Daras (UCL)
27/02/2008 2
Plan de la présentation
Présentation de l’applicationCaractéristiques de l’actionneurConception des électroniques de puissance et de commandeRésultats expérimentauxConclusion
Présentation de l’application
27/02/2008 4
Présentation de l’application
Projet dans le cadre du programme CVF « Commandes de Vol du Futur »Partenaires: Airbus/Sagem/SABCA et UCL-LEIApplication : Freinage de secours AirbusDirect Drive Valve : Vanne hydraulique àfaible fuite pour circuit de secoursMise en œuvre d’un actionneur piézoélectrique
27/02/2008 5
Freinage Anti-Skid: principe
Slip velocity
Tire
-Gro
und
Fric
tion
μ
Optimum braking
~12% slip
Dry
Wet
Flooded
Icy
Aircraft Speed at impact (wheel speed)
Aircraft decelerationreference
V0γref
V0 – γ ref . t
Vref
Wheel speed
SELECTOR
Release orderif wheel SPD <0.88 V_ref
Normal ServoValve
Green
Yellow
HYD
Brak
e&
Ste
erin
gCo
ntro
l Uni
t
AlternateServoValve
+ -
27/02/2008 6
Types de servovalves
Servovalve classique:Amplification hydrauliqueCompacteFuites élevées
Direct Drive Valve:Entraînement direct du tiroirMoteur linéaire ou rotatifFaibles fuites
27/02/2008 7
Servovalve à action directe
Valve spool
Forcemotor
Spring
Positionfeedbacksensor
Valve spoolSliding
rotary joint
Torquemotor
Torsionstiffness
Eccentric
shaft
Positionfeedback
sensor
Direct Drive Valve(Tiroir Linéaire)Moteur rotatif
Moteur linéaireAccouplement directRaideur intrinsèque
Caractéristiques de l’actionneur
27/02/2008 9
Avantages de la DDV-PIEZO par rapport à la DDV classique
Taille du moteur plus petite gain de masse 50%
Transmission mécanique simplifiée Pas d’excentriqueAlignement du moteur et du tiroir
Inertie très faible (0.1kg/2kg avec moteur couple)Pas de consommation de puissance en l’absence de mouvement (maintien du tiroir de distribution à une position donnée)
27/02/2008 10
Inconvénients de la DDV-PIEZO par rapport à la DDV classique
Tension d’alimentation élevée (150V)Impossibilité de l’alimenter directement à partir du 28V avion
Énergie électrostatique stockée et déstockée dans les élements piézo lors du mouvement
Nécessité de récupérer cette énergie au niveau de l’alimentation
Effet d’hystérésis et de creepA prendre en compte dans la régulation
Coût des céramiques piézoélectriques
Conception des électroniques
27/02/2008 12
Définition du besoin en alimentation
Alimentation des 2 paires de stacks:0 à 150V et 0 à -75V -> déplacement 0 à 500µm0 à -75V et 0 à 150V -> déplacement 0 à -500µm
Stacks 2Stacks 1
27/02/2008 13
Modèle électrique du moteur
Fa
m/2
1 N2
F1 = N1.U1
K.ΔX
1/K
ΔX
C2U2
1
C1U1
N1
F2 = N2.U2
céramiques piézoélectriques
Cellule amplificatrice
27/02/2008 14
Électronique de puissance 1
Objectifs:Alimenter chaque stack piézoélectrique entre -75 et 150V à partir du 28V avionRécupérer au niveau de l’alimentation l’énergie stockée dans les éléments piézoélectriques lors d’un mouvement « aller »
85% énergie fournie au système
27/02/2008 15
Électronique de puissance 2Solution retenue:
Élévation de tension via un Boost -> 150V ou plusRéduction de la taille de l’élément de stockage inductif / flyback
Alimentation des stacks par Hacheurs en pont via inductancesde lissage
Récupération de l’énergie stockée dans les éléments piézoélectriques Compromis entre la taille des inductances de lissage et une ondulation de courant acceptable au niveau des éléments piézoélectriques
28V
1
1
RL/2 RL/2
RL/2 RL/2
27/02/2008 16
Électronique de puissance 3: Boost 28 / 165V
Système de soft-start à la mise sous tension: montée progressive de la référence vers 165V via un filtre RC du premier ordre
27/02/2008 17
Électronique de puissance 4: Hacheurs en pont alimentant les stackspiézoélectriques
Minimiser la taille de LFréquence de hachage élevéeStratégie de modulation optimisée
165V PIEZO
L/2 L/2R/2 R/2
27/02/2008 18
Électronique de puissance 5: stratégies de commande MLI
Commande symétrique
Uref
Uref
Im
+U
-U
2Δi
LTUi
4max =Δ pour Uref = 0
MLIUref Bras 1
Bras 2
27/02/2008 19
Électronique de puissance 6:stratégies de commande MLICommande avec deux références en opposition
Réduction de l’ondulation de courant par un facteur 4
Meilleur choix!
LTUi
16max =Δ pour Uref = 0.5
MLIUref Bras 1
Bras 2MLI-1-Uref
Uref
Uref+U/2
-U/2
-Uref
-Uref
+U/2
-U/2
Uref
+U
27/02/2008 20
Électronique de commande: signaux de commande des 2 ponts en H
Uref est « l’image » de la position souhaitéeL’effet de creep, l’hystérèse et l’influence de la force hydraulique sur la relation Uref/position sont pris en compte dans la régulation principale
Limiteur de vitesse
Résultats expérimentaux
27/02/2008 22
Mesure de l’ondulation de courant et de tension
Tension d’alimentation 175VRapport cyclique 0.5Commande symétriqueOndulation de courant
< 20mA Ondulation de tensionrésultante mesurée au niveau des éléments piézoélectriques << 1mV Aucun effet perceptible sur la position du moteur
27/02/2008 23
Test du limiteur de vitesse
Consigne de tension UrefÉvolution de la tension du moteur
La rampe correspond à la vitesse maximale de déplacement du moteur
Courant fourni au moteurCourant limité à 80mA pour l’excursion positive (+150V)Courant limité à 40mA pour l’excursion négative (-75V)
27/02/2008 24
Conclusion
Un design approprié a permis de concevoir et réaliser une électronique
dont le volume est compatible avec celui défini par les fabricants de DDVdont les pertes sont minimiséeset qui permet de tirer le plein avantage des actionneurs piézoélectriques