Dans le domaine de l'aéronautique, les concepts basés sur l’usage étendu de l'électricité dans les aéronefs plus électriques (MEA) et même tout électriques (AEA) font appel à des actionneurs électromécaniques (EMA) en replacement des actionneurs servo-hydrauliques conventionnels (HSA). Lorsque les EMA sont utilisés pour des applications d'actionnement critique comme les commandes de vol, certains problèmes spécifiques liés à l’équilibre thermique, l'inertie réfléchie, le mouvement parasite dû aux élasticités structurelles, la réponse aux fautes (grippage et rupture) et la synchronisation d’EMA actifs sur charges indépendantes ne peuvent être ignorés. La simulation apporte un support indéniable à la conception pour l’évaluation et la validation des concepts. A cet effet, il est nécessaire de développer des prototypes virtuels des EMA avec une vision système et de façon structurée pour répondre aux besoins des ingénieurs. Malheureusement, les phénomènes physiques qui apparaissent dans les EMA sont multidisciplinaires, couplés et fortement non linéaires. De nombreux logiciels commerciaux de simulation système multi-domaines sont désormais disponibles. Cependant, le processus de modélisation et les besoins des ingénieurs sont rarement pris en compte selon une vision globale, en raison du manque d'approches scientifiques pour la définition d’architectures, la modélisation incrémentale et l’amélioration de l’implémentation numérique des modèles. Dans cette thèse, le prototypage virtuel de l'EMA est adressé en utilisant le formalisme Bond-Graph. De nouvelles approches sont proposées pour permettre la modélisation incrémentale de l'EMA en vue de fournir des modèles pour la synthèse de la commande, l’évaluation de la consommation d'énergie, l'analyse thermique, le calcul des forces de réaction, la simulation de la pollution du réseau d'alimentation électrique, la réponse aux fautes et l'influence de la température. L’intérêt des modèles proposés est illustré sur l’exemple de la synchronisation de position de deux EMA actionnant des charges indépendantes. / In the aerospace field, the concepts based on extended use of electricity in “More Electric Aircraft” (MEA) and even “All Electric Aircraft” (AEA), involve electromechanical actuators (EMAs) to replace conventional hydraulic servo actuators (HSAs). When EMAs are used for safety-critical actuation applications like flight controls, some specific issues related to thermal balance, reflected inertia, parasitic motion due to compliance, response to failure (jamming and free-run) and synchronization of EMAs driving independent loads cannot be ignored. The simulation-aided design process can efficiently support the assessment and validation of the concepts fixing these issues. For that, virtual prototypes of EMAs at system-level have to be developed in a structured way that meets the engineers’ needs. Unfortunately, the physical effects governing the EMAs behavior are multidisciplinary, coupled and highly nonlinear. Although numerous multi-domain and system-level simulation packages are now available in the market of simulation software, the modelling process and the engineers’ needs are rarely addressed as a whole because of lack of scientific approaches for model-based architecting, multi-purpose incremental modelling and model implementation for efficient numerical simulation. In this thesis, the virtual prototyping of EMAs is addressed using the Bond-Graph formalism. New approaches are proposed to enable incremental modelling of EMAs that provides models supporting control design, energy consumption and thermal analysis, calculation of reaction forces, power network pollution simulation, prediction of response to faults and influence of temperature. The case of preliminary design of EMAs position synchronization is used to highlight the interests and advantages of the proposed process and models of EMAs.

Les actionneurs électromécaniques supplantent les solutions d’actionnement hydrauliques concurrentes dans un nombre croissant d’applications industrielles, particulièrement en aéronautique. Ils le doivent à leurs rendements élevés et à une relative simplicité de commande. Fort de ces avantages, cette technologie a été mise en place dans le cadre du projet ELEXC, en vue de remplacer les vérins hydrauliques sur une mini-excavatrice tout-électrique et s’attaquant pour la première fois au secteur du bâtiment et des travaux publics. Cependant, cette intégration s’accompagne de doutes sur la performance et la durabilité de ces actionneurs dans ce cas précis d’utilisation. Pour répondre à ces interrogations, ce manuscrit se focalisera dans un premier volet sur la caractérisation des performances d’une structure spécifique, permise par la mise en place d’un banc de test multi-énergies instrumenté. Cette étude aboutira à la mise en place d’un modèle par lois physiques dont les paramètres auront été identifiés expérimentalement.Deux solutions innovantes vont ensuite être proposées, visant respectivement à réduire les répercussions, notamment énergétiques, de la caractéristique discrète du convertisseur à découpage, et à parer au manque de compliance de l’actionneur tout en conservant ses capacités de creusage. Elles seront toutes deux associées au concept de commande prédictive, mais offriront chacune une spécificité par rapport à l’implémentation standard de ce type de commande tout en conservant ses avantages. La première prendra la forme d’un modulateur fondé sur le principe d’une modulation de largeur d’impulsion vectorielle, dont la séquence sera sélectionnée par un contrôleur prédictif en rapport avec une fonction de coût alliant les ondulations de courant, les pertes par commutation et la tension de mode commun spécifiques aux séquences. La seconde consistera en un contrôleur d’impédance à boucle de position interne, dont les paramètres d’impédance seront variables et définis par un contrôleur prédictif afin de permettre une bonne pénétration dans l’environnement tout en limitant la dynamique et la valeur maximale de l’effort de compression sur la transmission. / Nowadays, the electro-mechanical actuators (EMA) are seen as an alternative to the conventional hydraulic cylinders in a growing number of industrial applications, including the aeronautic sector, thanks to their high efficiency and relatively simple commandability. According to this features, this actuator technology was selected to replace the hydraulic cylinders of the actuation system of a full-electric compact excavator in the ELEXC project. However, some concerns arose from the lack of existing examples with EMA functioning in relatively severe working conditions implying collisions of the actuators with stiff environments. Therefore, this manuscript will first focus on the characterization of the electro-mechanical actuator and of its performances in this specific case of application, enabled by the development of a multi-energy test-rig. Beside the validation of the EMA capacities, a physic law model will be developed, and its parameters tuned according to the experimental results. In a second part of this manuscript, two novel control laws will be proposed, aiming respectively to reduce the negative repercussions of the discrete characteristic of the electrical converter, and to counterpart the lack of natural compliance of the mechanical actuator. They will be both based on the concept of predictive control, but will differ from the conventional implementation of this type of controller. The first proposed topology is a modulator based on a vector Pulse Width Modulation, in which the PWM sequence to be used is defined online by a predictive controller according to a cost function that takes into account the current ripples, the switching losses and the common mode voltages specific to the sequences. Next, a position-based impedance controller, whose impedance parameters are defined online by a predictive controller, is introduced, in order to enable the EMA to penetrate a stiff environment with a relatively low dynamic increase of compression force on the mechanical transmission.