Étude et conception de systèmes miniaturisés « intelligents » pour l’amortissement non-linéaire de vibration

par Jean-Nicolas Viant

Thèse de doctorat en Conception microélectronique

Sous la direction de Guo Neng Lu, Laurent Quiquerez et de Daniel Guyomar.

Le président du jury était Skandar Basrour.

Le jury était composé de Daniel Guyomar.

Les rapporteurs étaient Olivier Romain, Pascal Nouet.


  • Résumé

    L’amortissement de vibrations mécaniques trouve de nombreuses applications dans le domaine du contrôle acoustique ou de la réduction de contraintes dans l’industrie (machine outil), le génie civil (structure autoportée), ou encore l’aéronautique (réduction de contrainte lors des manoeuvres). Les recherches actuelles tendent principalement vers des méthodes utilisant des matériaux piézoélectriques collés à la surface des structures à traiter. Une technique prometteuse, développée au LGEF à l’INSA de Lyon, est l’amortissement de vibration d’une structure mécanique par méthode SSDI (pour Synchronized Switch Damping on an Inductor). Cette technique d’amortissement semi-active exploite un procédé non-linéaire de traitement de la tension aux bornes d’un élément piézoélectrique, capteur et actionneur à la fois. L’objectif de ce travail est de réaliser l’intégration de l’électronique de traitement de la tension aux bornes des éléments piézoélectriques en technologie microélectronique, afin de pouvoir l’embarquer sur le patch piézoélectrique à terme. Une analyse des techniques d’amortissement publiées permet d’y situer ce travail et de définir les points clés de la technique SSDI. Au deuxième chapitre, un certain nombre de modèles sont développés pour comparer et guider les choix de conception, et pour aboutir à des arbitrages architecturaux. Le troisième chapitre développe la conception d’un ASIC dans une technologie avec option haute tension, comprenant une fonction haute-tension de traitement du signal piézoélectrique et une chaine basse-tension d’analyse, de décision et de commande. La première réalise l’inversion de la tension piézoélectrique à l’aide d’un circuit RLC passif de conversion de l’énergie. La seconde s’attache à la détection des extremums de manière à optimiser l’amortissement. Un diviseur de tension auto-adaptatif avec protection contre les surtensions ainsi qu’un détecteur de pic de tension permettent de réaliser cette opération. Ces fonctions sont caractérisées en simulations et mesures. Le fonctionnement de l’ASIC est ensuite testé sur une structure mécanique, et les performances sont décrites et interprétées au chapitre 4. Le comportement multi-mode et la grande dynamique des signaux mécaniques traités sont des avancées par rapport à la bibliographie.

  • Titre traduit

    Study and design of "smart" miniaturized systems for non-linear vibration damping


  • Résumé

    Mechanical vibration damping has many applications in industry (machine tools), civil engineering (bridge construction), or aeronautics (stress during maneuvers). Current research tends mainly to use piezoelectric materials based methods. A promising technique from the LGEF of INSA Lyon is the vibration damping of mechanical structure by so-called SSDI method (for Synchronized Switch Damping on an Inductor). This semi-active damping technique uses a non-linear process to invert the voltage across a piezoelectric element. The element is used as sensor and actuator at a time. The aim of this work is to achieve an integration of the electronic process with the SSDI voltage inversion in a microelectronic technology. It has ultimately to embed the electronic controller on the piezoelectric patch. The analysis of published damping techniques can situate this work and identify key points of the SSDI technique. In the second chapter, several models are developed to compare and decide of the best architectural design choice. The third chapter presents an ASIC design in a technology with high voltage option. The ASIC consists of a high-voltage piezoelectric signal processing part and a low-voltage control part. The first function performs piezoelectric voltage reversing by mean of a passive RLC energy conversion circuit. The second function focuses on the extremum voltage detection circuit in order to optimize damping efficiency. A self-tuning voltage divider with over-voltage protection and a peak voltage detector can perform this operation. These functions are characterized by simulations and measurements. The ASIC operation is then tested with mechanical structures, and damping performances are described and interpreted in Chapter 4. The multimodal behavior and the mechanical signals high-dynamic are new contribution as regard in the bibliography.


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