Brevet FR2584207A1 — publié le 19870102

Circuit de commande pour un organe de régLage piézoélectrique. L'invention concerne un circuit de commande pour un organe de réglage pièzoélectrique dont la déformation est obtenue par application d'un courant électrique de charge ou de décharge. Un montage de commande de ce type est déjà connu par l'article de F. Schmeisser "Organes de réalagle pièzo- électriques:puissants et rapides", paru dans ELEKTRONIK, fascicule 8/1984, pages 92 et suivantes (voir en particu- lier la colonne de gauche de la page 93), qui divulgue la caractéristique selon laquelle la charge et la décharge sont commandées, au moyen de courants imposés, pour réali- ser une déformation sans hystérésis d'un organe de réglage piézoélectrique. Dans le domaine de l'optique physique on connaît l'utilisation d'organes de réglage piézoélectriques pour de faibles déplacements de miroirs d'interféromètres, selon des lois linéaires en fonction du temps et avec une valeur prescrite déterminée de la vitesse de déplacement. On utilise pour cela des sources à courant constant, que l'on enclenche pendant des intervalles de temps définis pour agir sur la charge de l'organe de réglage piizoélec- trique, afin d'obtenir des déplacements à vitesse constante entre des positions extrêmes déterminées. Les circuits de commande de ce genre déjà connus présentent des inconvénients dus en particulier aux limi- tations dynamiques de la commande de déplacement. La tendance actuelle vers des circuits de commande travaillant par impulsions ouvre bien des perspectives plus largesquant à la technique des montages utilisés, mais cela conduit à des dépenses supplémentaires très importantes pour des amplificateurs de forte puissance et pour des courses de réglage de grande amplitude, du fait de la nécessité d'éliminer par filtrage les composantes à haute fréquence présentes dans le signal par suite du fonctionnement en discontinu qui, court-circuitées par la capacité importante de l'organe de réglage, auraient une influence néfaste pour le rendement du circuit de commande. Par ailleurs, en particulier dans les dommaines d'application des organes de réglage de forte puissance, on se trouve en présence de conditions qui ne sont pas linéaires car aux points d'application des efforts mécaniques de l'organe de réglage on trouve des comportements souples ou élastiques, de sorte qu'une simple iinéarisation des fonctions de commande ne suffit absolument pas pour garantir une réponse linéaire de l'organe de réglage. Le but de la présente invention est d'obvier à ces inconvénients et de réaliser un circuit de commande du genre précité qui, avec un bon rendement et une dyna- mique étendue, tolère un comportement quelconque de la tension de commande en fonction du temps en assurant un comportement identique en fonction du temps de la déflexion de l'organe de réglage, et qui puisse fonctionner dans un domaine de fréquences de commande extrêmement étendu en assurant une réponse linéaire et enfin qui accepte aussi des charges mécaniques élevées. Pour atteindre ce but, le circuit de commande selon l'invention comporte deux canaux d'amplification dont les entrées sont connectées en parallèle et dont les étages de sortie constituent des sources de courant commandées par une tension, disposées en série avec une source de tension continue, l'organe de réglage piézoélectrique étant connecté en dérivation sur l'un des deux étages de sortie et le système étant conçu de manière qu'à tout moment il y ait au moins un des deux étages de sortie qui ne soit pas débloqué. Cette solution, avec des sources de courant comman- dées par une tension autorise une structure simple, réali- sable avec un petit nombre de composants normalisés, avec possibilité de recours à des montages en cascade dans des cas o l'on aurait besoin de puissances de commande par- ticulièrement élevées. Le montage fonctionne selon des techniques analogiques, avec une bonne linéarité dans une plage de fréquences étendue allant jusqu'au fonctionnement avec une tension de commande continue, ceci sans exigences particulières pour ce qui concerne-les circuits de filtrage. La linéarité peut encore être améliorée avec une réinjection de la tension de sortie de l'amplificateur, appliquée à l'organe de réglage piézoélectrique, au moyen d'une branche de contre-réaction. La nécessité éventuelle de prévoir un découplage entre le côté haute tension et le côté entrée du circuit de commande, qui est à un potentiel basse ten- sion, se trouve éliminée et la linéarité du comportement global du système est encore améliorée si pour alimenter la branche de contre- réaction on utilise un capteur de déplacement. Un dispositif convenant particulièrement à cet usage est un capteur mesurant directement le déplace- ment provoqué par l'organe de réglage, capteur de dépla- cement opto-électronique à fibres de verre fonctionnant par réflexion, sans contact, qui n'est donc pas affecté par des non-linéarités éventuelles dues par exemple au système de liaison entre l'organe de réglage et l'élément actionné par celui-ci. Un tel circuit de commande convient ainsi tout particulièrement aux organes de réglage piézoélectriques déterminant la déformation localisée d'une plaque réflec- trice, servant de miroir dans un système laser pour la compensation des perturbations de la géométrie du rayonne- ment dues à des phénomènes atmosphériques, ainsi qu'on l'a décrit plus en détail dans une demande de brevet allemand antérieure du même déposant n P 34 22 232.4 du 15.06.1984. Une variante du système consiste, selon la présen- te invention, à prévoir dans l'entrée commune des deux canaux d'amplification un amplificateur de tension d'écart faisant fonction de régulateur, amplifiant la différence entre la tension de commande et le signal de contre-réac- tion. Ce signal de contre-réaction peut être obtenu à partir de la valeur instantanée de la tension de sortie appliquée à l'organe de réglage. Il peut aussi être obtenu à partir d'un capteur de déplacement mesurant directement la déformation de l'élément actionné par l'organe de réglage; avantageusement dans ce cas un capteur opto- électronique à fibres de verre, fonctionnant sans contact, par réflexion, peut être monté à l'intérieur de l'organe de réglage piézoélectrique, lequel est alors préférentiel- lement réalisé sous la forme d'un cylindre creux. Afin d'obtenir pour les deux étages de sortie des caractéristi- ques en opposition, en fonction de la tension de commande commune, on prévoit selon l'invention l'insertion d'un étage inverseur dans l'entrée de l'un des deux canaux et pour la séparation galvanique entre les étages d'entrée, à basse tension, et les étages de sortie qui travaillent à des potentiels élevés on prévoit des optocoupleurs avec des contre-réactions locales pour la linéarisation. En variante également, un circuit amortisseur filtre passe-bas peut être inséré dans le circuit de la tension de commande, avant l'entrée commune de l'ampli- ficateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaitront dans la description ci-dessous d'un exemple préférentiel de réalisation du circuit de commande selon l'invention, accompagnée du dessin à figure unique représentant le circuit de commande sous la forme d'un schéma fonctionnel, avec l'organe de réglage pièzoélectri- que connecté en sortie (on y a prévu deux possibilités différentes pour l'obtention d'un signal de contre- réaction). Le circuit de commande 10 qui a été représenté sert à commander électriquement un organe de réglage piézoélectrique 11, de préférence un dispositif linéaire permettant de commander électriquement la déformation de la zone 12 d'une plaque métallique 13, servant de miroir laser, sur laquelle il exerce mécaniquement son action et dont des exemples de réalisation ont été décrits plus en détail dans une demande de brevet allemand antérieure, du même déposant, n P 35 02 025.3 du 23.01.1985. Le circuit de commande 10 se compose de deux canaux de construction identique: un premier canal 10.1 pour l'alimentation électrique contrôlée (d'une valeur de charge électrique) d'un organe de réglage piézoélectrique 11 formant capacité et un second canal 10.2 pour une extraction de courant contrôlée, par conséquent, pour une décharge contrôlée dudit organe de réglage 11, lequel subit alors une dilatation ou une contraction (selon son axe longitudinal 14, dans le cas considéré) de manière à obte- nir une déformation plus ou moins prononcée de la zone 12 de la plaque réflectrice. Les deux canaux d'amplification 10.1 et 10.2 sont connectés en parallèle sur l'entrée 15 de l'amplifi- cateur,tandis que leurs étages de sortie 16 sont connectés en série entre une source de courant continu à haute tension 17 et la masse 18 de l'appareil. Chaque étage de sortie 16 est soumis à un réglage du courant, par un étage de commande 19, de sorte que pour chacun des canaux 10.1 et 10.2 on obtient une configuration d'ensemble correspondant à un montage de Darlington. Pour simplifier la représentation, sur le dessin on a utilisé pour les différents étages 16 et 19 des transistors bipo- laires; ceux-ci peuvent cependant être remplacés, par exem- ple, par des transistors de puissance à effet de champ (ceci n'a pas été indiqué sur le dessin). Pour chaque étage de commande 19 le point de fonc- tionnement est déterminé de manière connue en soi au moyen d'un réseau de résistances20, afin qu'en l'absence d'un signal de commande en provenance de l'amplificateur 21 correspondant,l'étage de sortie 16 considéré ne soit pas débloqué, qu'en l'absence de signal à l'entrée 30 il ne circule aucun courant de repos dans les étages de sortie 16.1 ou 16.2. Il en résulte un rendement on ne peut plus favorable car la totalité du courant soutiré à la source haute tension 17 par le seul étage 16.1 sert à charger la capacité de l'organe de réglage 11, c'est-à-dire à obtenir la déformation de l'organe de réglage; ladite déformation se résorbant par la suite dans des conditions bien définies, avec la décharge contrôlée obtenue en déblo- quant l'étage de sortie 16.2. Comme la capacité de l'organe de réglage pièzo- électrique 11 est connectée en parallèle avec l'un des étages de sortie 16 (de préférence l'étage de sortie 16.2) afin de permettre le raccordement au potentiel bien défini de la masse 18 de l'appareil, tandis que les étages de sortie eux-mêmes, 16.1 et 16.2 sont disposés en série pour éviter d'établir un court-circuit entre la sortie 17 de la source haute tension et la masse 18 de l'appareil, lesdits étages de sortie ne doivent jamais être débloqués simultanément. Ce montage en série des étages de sortie a pour conséquence que le potentiel de la masse interne 23 et de la source d'alimentation 24.1 du canal 10.1 au potentiel le plus élevé fluctue avec celui de la sortie 22 de l'amplificateur. Comme les deux canaux 10.1 et 10.2 sont commandés par une même tension de signal 45 appliquée à la borne d'entrée 15, dans l'un des canaux (ici le 10.2) il est prévu un étage inverseur 46. Avec des réglages conve- nablement décalés des éléments de polarisation 25, prévus par exemple sur les préamplificateurs.21, on peut être assuré également que ni l'un ni l'autre des deux canaux 10.1 et 10.2 ne sera débloqué pour la valeur zéro de la tension de signal d'entrée. On est certain ainsi qu'en cours de fonctionnement il ne peut pas se produire d'em- piètement entre les deux canaux, donc pas de court-circuit par conséquent de la source haute tension 17. Pour des raisons de sécurité de fonctionnement, dans la conception de la structure du circuit de commande , ou prévoira judicieusement une séparation entre une partie raccordée à la source haute tension 17, le côté haute tension, ou côté sortie 10.3, et le côté basse tension ou côté entrée 10.4, toute liaison galvanique éventuelle devant être évitée dans la mesure du possible entre ces deux parties. Au point de séparation galvanique, pour la transmission du signal de commande 26 on utilisera judicieusement des optocoupleurs 27. L'amplificateur 21 déjà mentionné (fournissant le signal d'entrée de l'étage de commande 19) est aussi utilisé dans ce cas, en parti- culier, comme amplificateur de sortie pour l'optocoupleur 27 pour linéariser la caractéristique de transmission du signal dudit optocoupleur. Une tension de réglage 31 appliquée à la borne d'entrée 30 du circuit, arrivant à la borne d'entrée 15 de l'amplificateur, passe directement dans l'un des deux canaux d'amplification, dans le canal 10.1, tandis que dans l'autre canal, le canal 10.2, elle passe d'abord par l'inverseur 46, pour arriver à un amplificateur d'entrée 32 qui fournit le signal d'entrée d'un optocoupleur 27. Selon la polarité de la tension de signal 45 appliquée à l'entrée 15 de l'amplificateur, c'est donc l'un ou l'autre des deux canaux 10.1 ou 10.2 et lui seul qui est commandé et c'est l'un ou l'autre des deux étages de sorties 16.1 ou 16.2 qui devient ainsi conducteur, chargeant ou déchargeant électriquement la capacité de l'organe de réglage piézoélectrique 11. Celui-ci, par l'intermédiaire du circuit de commande 10 fonctionnant d'une manière ana- logique, subit ainsi une déformation dont l'amplitude dépend de la valeur de la tension de réglage unipolaire 31. Dans la mesure o par l'intermédiaire du circuit de commande 10 la tension de commande 31 est proportionnelle à un courant de charge ou de décharge 33 imposé dans l'organe de réglage piézoélectrique 11, on obtient la relation linéaire désirée entre la déformation de l'organe de réglage 11 et l'évolution de la tension de commande 31. D'un autre côté, avec une réalisation pratique et en par- ticulier dans la combinaison de l'étage de commande 19 avec l'étage de sortie 16 du canal 10.1 ou 10.2 considéré, il peut apparaître des distorsions non linéaires qui nui- sent à la linéarité recherchée. Une telle situation peut être améliorée en linéarisant la caractéristique de trans- mission au moyen d'un signal de contre-réaction 34 commun pour les deux canaux 10.i et 10.2 (qui agissent à tour de rôle). On applique ce signal 34 en opposition avec la tension de réglage 31 à l'entrée d'un amplificateur d'écart de réglage 35 jouant un rôle de régulateur avec un réseau d'entrée 36 déterminant une caractéristique proportionnelle. En sortie dudit amplificateur 35 on obtient une tension d'écart de réglage 45 appliquée à l'entrée commune 15 des deux canaux amplificateurs. Si avec une valeur donnée de la déformation on réduit par exemple la tension de réglage 31, parce que l'on désire réduire la déviation de l'organe de réglage 11, pour commencer la tension de signal 45 s'inverse et par l'intermédiaire de l'étage inverseur 46 on débloque la canal de décharge 10.2. La contraction de l'organe de réglage 11, provoquée par la décharge de la capacité correspondante, prend fin lorsque la tension 45, c'est-à-dire l'écart de réglage, est revenue à zéro. Le signal de contre-réaction 34 peut être prélevé directement en 22, en tant que tension de sortie du circuit, c'est-à-dire sur la capacité de l'organe de réglage pièzo- électrique 11, puisque ladite tension est directement pro- portionnelle à la charge électrique emmagasinée et par conséquent à la valeur instantanée de la déviation. Il peut aussi être judicieux, dans ce cas, de réaliser une coupure galvanique de la branche de contre-réaction 37 entre le côté haute tension 10.3 et le côté basse tension 10.4, au moyen d'un optocoupleur (ceci n'a pas été indi- qué dans le dessin). On obtient une branche de contre-réaction 37 qui se trouve entièrement au potentiel basse tension en mesu- rant la déformation effective de la zone 12, au moyen d'un capteur spécialisé 38 dont le signal de sortie 39 fournit la tension du signal de contre-réaction 34. Cette solution présente en outre l'avantage que les défauts de linéarité, possibles dans le comportement de l'organe de réglage piézoélectrique 11 du fait par exemple du couplage avec la plaque 13 et du comportement élastique de celle-ci, sont pris en compte dans l'élaboration du signal de contre- réaction 34 et ainsi également dans celle de la tension de signal 45 et sont composés ainsi par linéarisation, puisqu'on introduit maintenant la déformation effectivement obtenue de la zone 12 en fonction de la valeur instantanée de la tension de réglage 31. On assure ainsi une proportion- nalité rigoureuse entre la tension de réglage 31, pouvant être choisie librement et que l'onpeut faire varier à vo- lonté, et la déviation mécanique de la zone 12 de la plaque; ceci même dans un domaine de fréquences très étendu, du fait du caractère analogique du fonctionnement du circuit de commande 10, avec une large dynamique et un excellent rendement du fait de l'utilisation directe des courants des étages de sortie 16.1 et 16.2 comme courants de charge 33.1 et de décharge 33.2 purement capacitifs pratiquement, pour l'organe de règlage 11. Le capteur 38 est réalisé de préférence sous la forme d'un dispositif de mesure de déplacement sans contact, évaluant la valeur instantanée de la distance entre la zone 12 de la plaque et une partie de la structure 40 ser- vant de référence. Un détecteur opto-électrique à fibres de verre 41, tel que le type MTI 1000 de la firme Mechanical Technology Inc. (USA), disponible dans le commerce, convient tout particulièrement à cet usage. L'élément capteur à fibres de verre proprement dit peut être disposé coaxialement à l'intérieur d'un organe piézoélectrique de réglage 11 réalisé sous la forme d'un cylindre creux (voir la vue en coupe schématisée sur le dessin) directement en dessous de la zone 12 de la plaque dont il faut observer la déformation, et raccordée à un circuit d'évaluation 42, disposé à proximité, on obtient ainsi les informations sur la déformation sous la forme d'un signal de tension 39 (34). Le signal de contre- réaction 34 se trouve ainsi élaboré directement à partir de la valeur effective de la déformation, dans la zone 12 d'application de la force, de sorte que l'on élimine ainsi toute altération de la précision dudit signal qui serait due par exemple au comportement non linéaire de quelque élément intercalaire 43 inséré entre l'organe de réglage 11 et la plaque 13. De préférence, ainsi qu'on l'a indiqué sur le dessin, pour la tension de réglage 31 on prévoit un circuit amortisseur filtre passe-bas 44, qui sert de circuit de protection contre des influences perturbatrices à haute fréquence (telles que des oscillations de réglage, par exemple), faute de quoi la charge purement capacitive de la sortie 22 du montage pourrait constituer pour lesdites oscillations un court-circuit. REVENDICATIONS 1. Circuit de commande (10) d'un organe de réglage piézoélectrique (11) dont la déformation est obtenue par application d'un courant électrique de charge ou de déchar- ge (33), caractérisé en ce qu'il est prévu deux canaux d'amplification (10.1, 10.2) dont les entrées sont connec- tées en parallèle, dont les étages de sortie (16.1, 16.2) constituent des sources de courant commandées par une tension, disposées en série avec une source de tension continue (17), l'organe de réglage piézoélectrique (11) étant connecté en parallèle avec l'un des deux étages de sortie (16), et en ce qu'à tout moment il y a au moins l'un des deux étages de sortie qui n'est pas débloqué. 2. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée commune (15) des deux canaux d'amplification (10.1, 10,2) est précédée d'un amplificateur (35) faisant fonction de régulateur, qui amplifie la tension d'écart entre une tension de commande (31) et un signal de contre-réaction (34). 3. Circuit de commande selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le signal de contre-réaction (34) est obtenu à partir de la valeur instantanée de la tension de sortie appliquée à l'organe de réglage pièzo- électrique (11), fournie par la sortie (22) de l'ampli- ficateur. 4. Circuit de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal de contre-réaction (34) est proportionnel à la valeur mesurée de la déviation, obtenue directement sur l'organe de réglage pièzoélectri- que (11) au moyen d'un capteur de déflexion (38). 5. Circuit de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur (38) est un dispositif à fibres de verre mesurant le déplacement, sans contact, fonctionnant par réflexion. 5. Circuit de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur (38) est un dispositif à fibres de verre mesurant le déplacement, sans contact, fonctionnant par réflexion. 6. Circuit de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur (38) est monté à l'inté- rieur de l'organe de réglage pièzoélectrique (11) qui a la forme d'un cylindre creux. 7. Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que dans l'un des canaux (10.2) il est prévu un étage inverseur (46). 8. Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que pour chacun des canaux (10.1, 10.2) il comporte un côté haute tension (10.3) et un côté basse tension (10.4) réalisés séparément l'un de l'autre, qui sont reliés au moyen d'autocoupleurs (27), la caractéristique résultante étant linearisée au moyen d'une contre-réaction (29) à partir de la sortie d'un étage amplificateur (21) faisant suite à chacun des- dits optocoupleurs. 9. Circuit de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'un circuit amortisseur filtre passe-bas (44) est inséré en amont de l'entrée commune (15) des amplificateurs.