Prototypage virtuel incrémental des actionneurs électromécanique pour la synchronisation en position

Incremental Virtual Prototyping of Electromechanical Actuators for Position Synchronization

• Auteur / Autrice : Jian Fu
• Direction : Jean-Charles Maré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux
• Date : Soutenance le 06/07/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader - Institut Clément Ader
• Jury : Président / Présidente : Genevieve Dauphin-Tanguy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Charles Maré, Ion Hazyuk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Genevieve Dauphin-Tanguy, Jesus Felez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique

Synchronisation

Dissipation d'énergie

Graphes de lien

Actionneurs

Mots clés libres

Actionneur électromécanique

Avion plus électrique

Bond-Graph

Power-by-Wire

Pertes d'énergie

Réponse aux fautes

Simulation

Synchronisation

Electromechanical actuators

More Electric Aircraft

Bond-Graph

Power-by-Wire

Energy losses

Response to faults

Simulation

Synchronization

Résumé

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.