Pour des applications depositionnement, les moteurs piézoélectriquesprésentent aujourd’hui une alternativeintéressante aux moteurs électromagnétiquesclassiques en raison de leur forte précision del’ordre de quelques nanomètres ainsi que de leurfaible niveau de bruit électromagnétique. Dansce contexte, les travaux de cette thèse portent surla modélisation, la conception, et l’implantationen temps réel de contrôleurs en position pour desmoteurs piézoélectriques. L’objectif est deproposer un système de contrôle en positionrobuste pour des applications robotiques avecun cahier des charges prédéfini. Trois moteurspiézoélectriques avec des principes defonctionnement différents (USR60, PAD7220,N-310.13) ont été choisis. Leurs modèlesélectromécaniques ont été développés afin devalider leurs principes de fonctionnement etd’analyser leurs comportements dynamiquesface à des perturbations (variation de couple decharge, de température, etc…). Ensuite, cesmodèles sont utilisés pour simuler et valider lesperformances des algorithmes de contrôle enboucle fermée notamment en termes deprécision, de robustesse et de stabilité. Desbancs de test expérimentaux ont été mis enœuvre pour les trois moteurs, et des modèlesréduits reliant les positions des moteurs auxsignaux de commande correspondants ont étéidentifiés expérimentalement. Deux contrôleursde position de type H-infini (H∞) et RST sontensuite synthétisés et simulés. Ces contrôleurssont implantés en temps réel sur les bancs detests expérimentaux via un système dSPACE.Les performances de chaque moteur associé à sacommande sont évaluées. Une étudecomparative entre les résultats expérimentauxde ces deux contrôleurs et ceux d’un contrôleurPID classique est aussi présentée. / The Piezoelectric motors present aninteresting alternative to electromagneticsmotors for precise positioning systems. This ismainly due to their high accuracy in thenanometer scale, and to their very lowelectromagnetic noise levels. In this context, thework presented in this thesis deals with themodeling, design, and real time implementationof position controllers for piezoelectric motors.The objective is to propose robust closed loopposition controller of piezoelectric motors forrobotic applications. Based on the applicationspecification requirements, three motors withdifferent topologies (USR60, PAD7220, N-310.10) are selected. Their electro mechanicmodels are developed in order to validate theiroperating principle and to analyze theirdynamics.These models are also used to simulate thecontroller algorithms in closed loop.Experimental platforms based on the threemotors are designed, and the reduced modelslinking the motor positions to the correspondingcontrol signals are experimentally identified.Afterwards, two position controllers of type Hinfinity(H∞) and RST are synthesized andsimulated. These controllers are implemented inreal time via the experimental platformsequipped by dSPACE boards. The performancesof each motor in closed loop associated to theposition controllers are evaluated using theexperimental results. Comparative studybetween the experimental results of twoproposed controllers and conventional PIDcontroller is also presented.Université Paris-

Les moteurs piézoélectriques inertiels sont classiquement considéréscomme des moteurs d’une grande simplicité, mais offrant des forces et desvitesses inférieures aux autres technologies de moteurs piézoélectriques. L’étudeprésentée porte sur l’introduction d’un actionneur piézoélectrique amplifiécomme composant actif du moteur inertiel. L’objectif des travaux est decomprendre et valider, théoriquement et expérimentalement, l’intérêt del’innovation sur la vitesse maximale du moteur ainsi sur l’appel de courantnécessaire à son fonctionnement. La modélisation, analytique puis numérique,permet d’argumenter sur le réel intérêt et les limites de l’amplification dans lesmoteurs piézoélectriques inertiels. En complément, les conceptions, réalisationset tests de trois échelles de moteurs sont effectués, pour divers environnements.Les contraintes vont de la compatibilité à un fort champ magnétique (typeImagerie médicale par Résonnance Magnétique) jusqu’aux contraintes dudomaine spatial (vide, sollicitations mécaniques), en passant par laminiaturisation, la maximisation des efforts, ainsi que le fonctionnement à desbasses températures (jusqu’à -180°C). L’utilisation de paramètres « ajustables »des moteurs inertiels, tels que le signal de commande par exemple, permet des’assurer de la possible répétabilité des moteurs mais aussi d’étendre lespossibilités d’application. Finalement, la démarche de conception à l’aide deparamètres « arrêtés » complétés par des paramètres « ajustables » semblantoffrir de bonnes perspectives d’application au domaine mécatronique, elle estsynthétisée et globalisée afin de permettre aux concepteurs de la mettre enoeuvre. / Inertial Piezoelectric Motors are basically considered as extremely simplemotors, but weak and slow compared to other piezoelectric motor technologies.The present study is about introduction of amplified piezoelectric actuator asactive component of an inertial motor. The aim of this work is to understand andvalidate the benefits from amplification in terms of motor maximal speed as wellas motor input current, with theory and experimentations. Building of models,analytical and numerical, allows arguing on real interests and limitations of theproposed innovation. As a complement, designs, realisations and tests are madeon three different scales of motors, in order to fit various environmentsconstrains. These constrains go from strong magnetic fields compatibility (suchas Magnetic Resonant Medical Imaging) to space application field (vacuum,vibrations…), passing by miniaturisation, force maximisation, as well as lowtemperature operation (down to -180°C). In addition to design, use of“adjustable” parameters of inertial motors, input signal as an example, giveslarger application opportunities, by increasing force range, etc. Finally, becausedesign process using “stopped” and “adjustable” parameters seems to offergood application perspectives to mechatronics field, this process is summarisedand generalised in order to be implemented by designers.

Les SPA sont des moteurs piézoélectriques inertiels amplifiés. Ils fonctionnent en convertissant des vibrations asymétriques en μ-déplacements par frottement, grâce au phénomène d’adhérence-glissement. Ces vibrations et ce frottement soulèvent des problématiques liées à l’usure et au bruit. Pour y répondre, ces travaux étudient les comportements tribologique et vibratoire de ces moteurs. Dans un premier temps, un tribomètre pion-plan, actionné par un SPA, a été développé. Il a permis d’observer, in-situ et en fonctionnement, les débits solides interfaciaux: le 3ème corps. Ces observations directes, couplées à des analyses post-mortem ont permis de décrypter les sollicitations tribologiques et de multiplier par dix la durée de vie des moteurs. Dans un second temps, des analyses numérique et expérimentale ont été proposées afin de mieux appréhender le comportement vibratoire des SPA. Le modèle existant, à constantes localisées, a été modifié en une version hybride, constantes localisées-FEM, plus versatile. Les tests expérimentaux ont permis de déterminer le principal contributeur acoustique et de réduire le niveau de bruit de seize dBA. Finalement, la double approche tribologie/mécanique vibratoire a permis de mieux saisir les subtilités des SPA. Elle a notamment mené au développement de structures innovantes tels qu’un moteur à trois degrés de liberté et deux moteurs rotatifs. / SPA are amplified piezoelectric inertia motors. They operate by converting asymmetrical vibrations into μ-displacements by means of friction through stick-slip. These vibrations and this friction raise issues related to wear and noise. So, the present work investigates both the tribological and vibratory behaviours of these motors. First, a pin-on-pad tribometer, actuated by a SPA, was developed. It led us to observe, in-situ and in operation, interfacial solid flows: the 3rd body. These direct observations carried out in conjunction with post-mortem analyses resulted in decrypting the tribological solicitations and in increasing by ten the lifetime of the motors. Second, numerical and experimental considerations have been proposed to better grasp the vibratory behaviour of SPA. The existing lumped model was modified to a more versatile hybrid lumped-FEM model. The experimental tests made it possible to determine the main acoustic contributor and to reduce the noise level by sixteen dBA. Finally, this dual - tribology/vibratory - approach provided a better understanding of the SPA intricacies. In particular, it led to develop innovative structures such as a motor with three degrees of freedom and two rotary motors.