Controlo de micro-atuadores eletrostáticos na zona de instabilidade

Abstract

Nos dias de hoje, os dispositivos baseados em MEMS (Micro-electromechanical systems) são uma constante no mercado, desempenhando as mais diversas tarefas, desde a medição da aceleração ou pressão, até à utilização como microfones. Dispositivos MEMS são também usados como micro-atuadores, sendo que no caso dos micro-atuadores electroestáticos, devido às suas características, foram desenvolvidos sistemas contendo microsondas ou micro-espelhos com resultados muito promissores. O deslocamento entre placas paralelas electrostaticamente atuadas é apenas estável até 1/3 da distância total. Esta dissertação propõe o controlo de micro-atuadores na zona de instabilidade, sendo que a implementação de leis de controlo adequadas a MEMS permite deslocamentos controlados para além da zona de estabilidade. Foram implementadas duas leis distintas, o controlo On-Off e controlo PID com linearização em malha fechada, de forma a controlar bidireccionalmente o deslocamento dos elétrodos. Os resultados experimentais do sistema de controlo demonstram o seguimento de diversas referências a diferentes frequências. Foi conseguido um deslocamento superior a 88.9% da distância entre placas, o que equivale a uma melhoria de 267%. Estes resultados foram obtidos de forma muito similar nas duas teorias implementadas. A utilização de sistemas de controlo com leis adaptadas a MEMS é eficiente para minimizar as limitações dos micro-atuadores electroestáticos. O uso de uma FPGA aumenta o desempenho do sistema de forma significativa.

Nowadays, devices based on MEMS (Micro-electromechanical systems) are a reality in the market, being used, for example, to measure acceleration, pressure or to serve as microphones. In the field of electrostatic microactuators, due to their characteristics, some micro-probes and micro-mirrors were developed with very promising results. The displacement between parallel-plates electrostatically actuated is just stable until 1/3 of the total gap. Therefore, this dissertation proposes the control of microactuators in the instability zone, where the implementation of appropriate control laws for MEMS are used to enable controlled displacements in the instability region. Two distinct laws were implemented, the On-Off control and a PID control with feedback linearization, enabling bidirectional control of the electrodes displacement along the full available gap. The experimental results show the tracking of many references for different frequencies. A displacement up to 88.9% was reached, leading to an improvement of 267%. Both implemented theories obtained very similar results. A control system made with appropriate control laws for MEMS is efficient to minimize the electrostatic microactuators limitations. A FPGA was used to increase the performance of the entire setup.

Actuellement, les dispositifs basés sur la technologie MEMS (Microelectromechanical systems) se sont imposés sur le marché, réalisant différentes tâches, telle que, mesurer des accélérations, des pressions ou pouvant encore servir de microphone. Cependant, dans le champ des micro-actuateurs électrostatiques, due à leur caractéristique, des microsondes e des micro-miroirs ont été implémentés, obtenant des résultats très prometteurs. Le déplacement, entre plaques parallèles actionnées de forme électrostatique, est juste stable jusqu’à un tiers de la distance totale. Donc, cette dissertation propose le contrôle de micro-actuateurs dans la région d’instabilité, étant l’implémentation de loi de contrôle adéquate au MEMS une solution pour augmenter le déplacement au-delà de la région instable. Deux différentes loi ont été implémentées, le contrôle On-Off et le contrôle PID avec une linéarisation, pour contrôler bi-directionnellement le déplacement des électrodes. Les résultats expérimentaux du système de contrôle démontrent le suivi de plusieurs références à certaines fréquences. Le déplacement atteint a été supérieurs à 88.9% de la distance entre plaques, ce qui équivaut à une amélioration de 267%. Ces résultats ont été obtenus par les deux théories de forme similaires. L’utilisation de système de contrôle contenant des lois adaptées au dispositif MEMS est efficace pour minimiser les limitations inhérentes aux micro-actuateurs électrostatiques. L’emploi d’une FPGA augmente la performance du système significativement.