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)

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Plan de la présentation

Présentation de l’applicationCaractéristiques de l’actionneurConception des électroniques de puissance et de commandeRésultats expérimentauxConclusion

Présentation de l’application

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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

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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

+ -

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Types de servovalves

Servovalve classique:Amplification hydrauliqueCompacteFuites élevées

Direct Drive Valve:Entraînement direct du tiroirMoteur linéaire ou rotatifFaibles fuites

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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