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5.5 Contrôle en vitesse de la bobine

5.5.3 Asservissement d’une masse

2 ×

au bout de 100 s de temps d’intégration [Figure 5-18].

5.5.3 Asservissement d’une masse

Les résultats représentés dans le paragraphe précèdent ont été obtenus avec un simple

miroir pesant quelques grammes. Dans le cas de la balance du watt, l’objet à déplacer est une

bobine pesant environ 3 kg. Dans un premier temps, la bobine est simulée par un cylindre en

laiton afin de concentrer le volume de la masse à contrôler.

A cause de la grande masse introduite dans le système, la boucle d’asservissement ne

peut plus corriger les erreurs détectées d’une manière aussi efficace. Le module PID a été

modifié afin de l’adapter au nouveau système. L’actionneur piézoélectrique également, il

s’agit d’une céramique précontrainte (Jena - RA25/24) afin de la faire fonctionner au mieux

de ses performances. La céramique est précontrainte à 300 N et présente 12 kHz de fréquence

de résonance. Une telle précontrainte permet la suspension de la masse qui exerce une force

de 30 N au dessous de l’actionneur piézoélectrique. Dans cette configuration l’inertie de la

masse joue le rôle le plus important, elle oblige l’augmentation de la contribution du module

dérivateur D dans la boucle de contrôle afin d’assurer un asservissement robuste.

Le système est installé sur un châssis provisoire de 2,5 m de hauteur représenté dans la

Figure 5-12. Cette structure métallique porte le système de guidage et le moteur pesant 200 kg

à une hauteur de 1 m. L’ensemble est installé sur une dalle de 160 tonnes (de dimensions

6m × 6m × 2m) oscillant à 10 Hz en vertical et 20 Hz en horizontal [Rapport d’activité 2004].

Les mesures des vibrations mécaniques sur la structure du châssis sont captées par un

accéléromètre et traitées par un appareil FFT. Elles sont illustrées sur la Figure 5-18. La

courbe montre une fréquence de résonance principale à 34 Hz avec une amplitude de

Vrms

10

2×

3

ce qui correspond à une accélération de 2×10

3

m/s

2

environ.

0 20 40 60 80 100

0

1

2

3

Sortie de l'accéléromètre (

m

Vrms)

Fréquence (Hz)

Figure 5-18 :Analyse spectrale des vibrations mécaniques sur le châssis quand le moteur se

déplace à 2mm/s

Ces vibrations apparaissent également sur le miroir mobile. L’interféromètre mesure la

position du miroir mobile en temps réel par rapport à la position du miroir fixe avec une

cadence de 1 kHz environ. En éliminant la pente due à la vitesse nous pouvons accéder à la

mesure des vibrations existant entre les deux miroirs. Les mesures montrent des vibrations à

34 Hz de fréquence et de 2 à 4 µm d’amplitude.

La fréquence principale de vibration de 34 Hz est dans la bande de correction de

l’actionneur piézoélectrique. Lorsque l’on teste le système sans la masse additionnelle, cette

perturbation est correctement maîtrisée grâce à la méthode de contrôle de vitesse car la

fréquence de résonnance de l’actionneur piézoélectrique peu chargé (le miroir est très léger)

reste très supérieure à 34 Hz. Le gain du correcteur PID est suffisant.

Lorsque l’on ajoute une masse au miroir, cela fait chuter la fréquence de résonance de

l’actionneur piézoélectrique suivant la formule :

M

m

m

f

M

m

C

2

1

f

eff eff 0 res eff T 1 res

= π + = + (V-12)

où f1res est la fréquence de résonance de l’actionneur piézoélectrique chargé d’une masse M,

f0res est la fréquence de résonance de l’actionneur piézoélectrique libre, CT la raideur de

l’actionneur, meff masse effective.

La charge appliquée à l’actionneur fait chuter la fréquence de résonance de 12 kHz

(fréquence naturelle de l’actionneur piézoélectrique utilisé) à quelques centaines de hertz ce

qui demeure en théorie suffisant étant donné que les fréquences des perturbations mécaniques

sur la masse sont principalement de quelques hertz. Cependant le gain du correcteur PID ne

permet alors plus de compenser correctement les perturbations. Dans ce cas, l’actionneur

piézoélectrique n’arrive pas à faire déplacer la masse sur des grandes courses avec une

fréquence de 34 Hz et une accélération de 2 mm/s2.

Nous représentons sur la Figure 5-19 le profil de la vitesse asservie pour une masse de

1200 g. Cette figure a été obtenue en mettant bout à bout plusieurs séries de données de la

fréquence Doppler. Le moteur est configuré pour effectuer automatiquement et en

permanence des mouvements verticaux dans les deux sens, ce qui permet d’avoir une

séquence de mesure assez longue. En abscisse figure le numéro du point de mesure. Chaque

point est intégré sur une seconde, un léger temps mort existe entre chaque point (temps de

transmission GPIB), ainsi qu’un temps mort au moment du changement de sens du moteur

(ascendant/descendant).

0 100 200 300 400 500 600

6318

6319

6320

6321

6322

6323

Fréquence Doppler (Hz)

Point de mesure

On peut clairement voir par moment des points de valeur anormalement éloignés de la

valeur moyenne. Nous pourrions agrandir certaines parties et retrouver également des points

écartés de quelques 10

4

ou 10

5

en valeur relative.

L’hypothèse actuelle est que lorsqu’une vibration du châssis, et par suite de la masse,

existe ponctuellement avec une amplitude trop importante, l’actionneur piézoélectrique arrive

ponctuellement à saturation. Quant l’actionneur piézoélectrique sature, l’asservissement perd

la frange sur laquelle la vitesse était asservie et il s’asservit sur une frange arbitraire située a

«

4

kλ » ou « k » est un entier positif ou négatif. C’est le propre des asservissements de phase

qui ont un point de fonctionnement valable modulo 2π. La valeur de la vitesse moyenne en est

ensuite perturbée d’une manière aléatoire.

La solution demeure dans l’échange du bâti portant le moteur et le système de guidage.

Des travaux sont en cours afin de l’améliorer en utilisant une structure d’hexapode et de le

rendre le plus compact possible afin de placer le moteur à une petite hauteur. De plus un

système de guidage est en cours de fabrication permettant un déplacement plus souple et

présentant moins d’erreur d’Abbe.

Une autre solution serait d’augmenter la tension de commande de l’actionneur

piézoélectrique. Les premiers travaux ont été menés avec une tension de ± 15 V. Puis nous

sommes passé à – 10 V/+ 35 V. Cela a permis de diminuer nettement la saturation de

l’actionneur piézoélectrique (10 V représente environ 1 µm de dynamique ce qui n’est pas

beaucoup). Néanmoins, la dissipation thermique d’une céramique piézoélectrique est

fortement dépendante de la fréquence et de l’amplitude du champ électrique comme le montre

la Figure 5-20 (cas de la céramique AE0505D16 utilisée au début des expériences) :

Amplitude DC bias marque

40 V 20 V

100 V 50 V

150 V 75 V

Cinq minutes après l’alimentation de la

céramique

Fréquence sinusoïdale (Hz)

Ch

ale

ur gé

e

Δ

T (

°C)

20

80

60

40

100

10 100 1000

Figure 5-20 : Chaleur générée en fonction de la fréquence et de l’amplitude

[Documentation Thorlabs]

Or il est indispensable de dissiper le moins possible dans l’enceinte, et notamment à

l’intérieur de l’aimant qui est très sensible en température. D’autre part le rayonnement

électromagnétique est à proscrire également. Il est donc délicat d’augmenter la tension

d’alimentation jusqu’au maximum classique accepté par une céramique, à savoir 150 V. Nous

avons donc préféré rester en basse tension.

Bien que le système présente en fonctionnement ces points aberrants, les premiers

résultats obtenus avec une masse de 1200 g ont montrés une instabilité relative résiduelle de

vitesse de 4,2×10

7

sur 100 secondes de temps d’intégration [Figure 5-21]. La mesure a été

faite de la même manière que dans le paragraphe 5.5.1.

τ(s)

σy

(τ)

10

1

10-6

100

Figure 5-21 :Écart type d’Allan de la fréquence Doppler d’une masse de 1200 g

La courbe ci-dessus a été obtenue en supprimant les points les plus aberrants.

Certaines plages de fonctionnement du moteur peuvent aussi présenter de meilleures

caractéristiques. Sur certaines portions de la course, des variances de l’ordre de quelques 10-8

en valeur relative ont été observées.

L’objectif n’est donc pas encore atteint mais d’autres séries de mesures seront

développées lorsque les diverses améliorations citées ci-dessus auront été mises en œuvre.

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