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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.3.2014.tde-13082015-113019
Documento
Autor
Nome completo
Victor Atilio Marchiori
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2014
Orientador
Banca examinadora
Fialho, Fabio de Oliveira (Presidente)
Kassab Junior, Fuad
Parro, Vanderlei Cunha
Título em português
Projeto e implementação de sistema eletrônico para atenuação de não linearidades dos atuadores piezoelétricos do interferômetro de Fabry-Pérot do espectrômetro astronômico BTFI.
Palavras-chave em português
Atuador piezoelétrico
Controle por carga
Creep
Fabry-Pérot
Histerese
Nanoposicionamento
Resumo em português
Este trabalho apresenta o projeto de pesquisa desenvolvido para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica, na área de concentração de engenharia de sistemas, da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um sistema de acionamento (driver) para os atuadores piezoelétricos do interferômetro de Fabry-Pérot do espectrômetro BTFI (Brazilian Tunable Filter Imager), um instrumento visitante do telescópio SOAR (Southern Astrophysical Research Telescope), no Chile. O Fabry-Pérot é um instrumento óptico composto de duas superfícies paralelas altamente reflexivas (espelhos), cuja distância é controlada por um sistema de nanoposicionamento composto de três atuadores piezoelétricos (piezos) do tipo APA® (Amplified Piezoelectric Actuators) e um sistema de medida capacitivo. O principal requisito técnico de desempenho do sistema de nanoposicionamento do Fabry-Pérot é tal que o ruído de posicionamento dos espelhos deve ser limitado a 3 . No entanto, os fenômenos não lineares de histerese e escorregamento (creep) dos piezos limitam a precisão de posicionamento do sistema de controle, razão pela qual foi desenvolvido um sistema de acionamento por carga e tensão para os piezos, com o intuito de atenuar suas não linearidades e, consequentemente, melhorar o desempenho do sistema de controle em malha fechada, em termos de ruído de posicionamento. A primeira etapa deste trabalho consistiu da caracterização do modelo e da instrumentação do sistema de nanoposicionamento do Fabry-Pérot, composto de sensores capacitivos, conversores de sinal, atuadores piezoelétricos e sistema de aquisição de dados. Após a caracterização dos componentes do sistema, sua especificação técnica de desempenho de 3 foi traduzida em requisitos de engenharia para o projeto do sistema eletrônico de acionamento dos piezos por carga e tensão, notadamente em termos de ruído, tempo de resposta, banda de resposta em frequência, ganho, corrente e tensão elétricas e dissipação de potência. Uma vez concluído o projeto do driver, um protótipo foi implementado e testado com o sistema real, a fim de se verificar experimentalmente a atenuação dos efeitos não lineares. Finalmente, foram realizados alguns experimentos com o driver e o sistema de nanoposicionamento em malha fechada, controlado por um compensador PI, a fim de se verificar a influência da atenuação das não linearidades dos piezos nesta configuração. Após a análise dos resultados experimentais obtidos, verificou-se que o ruído de posicionamento do sistema, em malha fechada, é significativamente menor quando os fenômenos não linearidades dos piezos são atenuados.
Título em inglês
Design and realization of an electronic charge control circuit to attenuate the nonlinearities of the high resolution Fabry-Pérot interferometer's amplified piezoelectric actuators.
Palavras-chave em inglês
Charge control
Creep
Fabry-Pérot
Hysteresis
Nanopositioning
Piezoelectric actuator
Resumo em inglês
This work represents the research project to obtain the degree of Master of Sciences in Electrical Engineering, specializing in Systems Engineering, at the Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, in São Paulo, Brazil. The main objective of this project was to design an electronic power driver for the piezoelectric actuators of the Fabry-Pérot interferometer of the BTFI spectrometer, a visitor instrument of the SOAR telescope, in Chile. Fabry-Pérot is an optical instrument composed by two high reflexive parallel surfaces (mirrors), which distance is controlled by a nanopositioning system composed by three piezoelectric actuators (piezos) of the class APA® (Amplified Piezoelectric Actuators) and a capacitive measurement system. The main performance specification of the Fabry-Pérots nanopositioning system is such that the positioning noise must be limited to 3 . However, the nonlinear behaviors (hysteresis and creep) of the piezos limit the positioning precision of the control system, for which reason a charge and voltage actuation system was developed for the piezos, in order to mitigate its nonlinearities and, consequently, improve the performance of the control system in closed loop, in terms of positioning noise. The first step in this work consisted on the characterization of the Fabry-Pérot nanopositioning systems model and instrumentation, which are composed by capacitive sensors, signal converters, piezoelectric actuators and a data acquisition board. After the characterization of the components of the nanopositioning system, the 3 specification was interpreted to low level engineering requirements for the design of the charge and voltage driver, especially in terms of noise, response time, frequency bandwidth, gain, electrical current, voltage and power dissipation. Once concluded the design of the driver, a prototype was implemented and tested in the real system, in order to verify the attenuation of the nonlinear effects. Finally, some experiments with the driver and the nanopositioning system were performed in closed loop, controlled by a PI compensator, in order to verify the influence of the attenuation of the nonlinearities of the piezos in such configuration. The analysis of the obtained experiment results showed that the nanopositioning systems noise, in closed loop, is significantly reduced when the nonlinear effects of the pizeos are attenuated.
 
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Data de Publicação
2015-08-13
 
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  • Ana María Molina Arcila, et al. HIGH RESOLUTION FABRY-PÉROT INTERFEROMETER DYNAMIC SYSTEM MODELING AND NANOPOSITIONING CONTROL SYSTEM DESIGN USING LQG/LTR TECHNIQUE. In 22nd International Congress of Mechanical Engineering (COBEM 2013), Ribeirão Preto - SP, 2013. 22nd International Congress of Mechanical Engineering (COBEM 2013).Ribeirão Preto, SP, Brazil : ABCM, 2013.
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