Desarrollar una plataforma eléctrica de UAV usando LabVIEW, CompactRIO y NI CompactDAQ

El sistema eléctrico del UAV se compone de dos partes: la generación de energía que consta de un generador de energía y una unidad de control del generador y la distribución de energía que controla la unidad y los dispositivos de distribución de carga. Para ejecutar el sistema eléctrico, usamos un motor eléctrico para arrastrar mecánicamente al generador de la misma manera que el motor arrastra el UAV real. También utilizamos un sistema de banco de carga para aplicar los mismos niveles de carga al sistema eléctrico que se aplican al avión real. Necesitábamos un sistema de control para administrar todas estas funciones. La aplicación también incluye un sistema de adquisición de datos para medir ciertos parámetros como voltaje, estado del contactor, señales de E/S de la unidad de control y simulación del equipo que no está presente en el sistema eléctrico pero que interactúa con el sistema en el avión real.

Creamos un entorno de pruebas de la plataforma eléctrica que realiza dos funciones: excitación del sistema eléctrico para que pueda ser probado en las diferentes condiciones para las que fue diseñado y monitoreo del estado del sistema que ayuda a determinar si el equipo está correctamente integrado y si todo el sistema cumple con los requisitos de diseño.

Ejecución del sistema

Usamos un motor eléctrico Bosch para simular el motor de avión que mueve al generador. Un variador de frecuencia conectado al motor eléctrico tiene una interfaz de E/S discreta y analógica administrada por un sistema de control basado en NI CompactRIO. El sistema de control aloja la lógica de inicio/finalización para el conductor y el motor, así como la lógica para los dos modos de funcionamiento: arrastre y freno, que responden al requisito de probar tanto la función de generación de energía eléctrica en sí (donde el motor arrastra al generador) y la función de arranque (donde el generador arrastra al motor). El sistema cuenta con alarmas para que responda de forma segura bajo circunstancias imprevistas.

Los bancos de carga dinámica ofrecen energía eléctrica para simular el entorno de carga. Pueden reproducir dinámicamente los perfiles de carga aplicados al sistema eléctrico durante un vuelo real.

El entorno de pruebas también utiliza un sistema basado en módulos de inserción de fallas de Pickering que puede interrumpir cualquier señal del sistema eléctrico que circule entre los equipos, por ejemplo, el estado de un contactor o una medida de voltaje. Este dispositivo automáticamente simula las condiciones de falla en los diferentes desarrollos de software de control, así podames desarrollar nuevos conjuntos de prueba con cada nueva versión de software.

Otra parte de la aplicación es el sistema de adquisición de datos que usa un chasis NI CompactDAQ y tarjetas de E/S analógicas y discretas. El sistema monitorea y registra medidas eléctricas como voltaje y corriente, estado del contactor y estado de la señal del sistema. Además, esta infraestructura simula ciertos elementos del avión que interactúan con el sistema eléctrico utilizando modelos con E/S asociadas a las E/S del sistema DAQ.

Software del sistema

Otro pilar de esta aplicación es el software desarrollado por nuestro departamento de laboratorios. El software cuenta con adquisición de señales analógicas a 5,000 muestreos por segundo. Con esta frecuencia, tenemos la representación correcta de las señales en AC así como un cálculo preciso de señales sofisticadas como rms, frecuencia y factor de potencia.

El software presenta una adquisición de señal discreta a 1,000 muestreos por segundo, por lo que podemos determinar con precisión las secuencias de operación de los contactores de los sistemas eléctricos, así como la transferencia de energía en diferentes configuraciones. El software también puede simular señales de hardware como el peso sobre las ruedas y los interruptores de operación. Conectamos simulaciones de equipos externos a las unidades de control del sistema eléctrico a través de bus serial. El análisis de calidad en línea de la energía eléctrica cumple con la MIL-STD-704 aplicable. Esto lo verificamos generando las señales a través de software para compararlas con el estándar, así como con las señales discretas para comprobar si se cumple una determinada parte del estándar.

La grabación de Technical Data Management Streaming (TDMS) garantiza la compatibilidad con el software NI DIAdem. Implementamos cuadros sinópticos y una interfaz gráfica para el sistema de control (CompactRIO, bancos de carga y sistema Pickering) y el sistema de adquisición (NI CompactDAQ). Logramos la integración con el entorno de ejecución de pruebas automatizadas utilizando DLLs integrados en LabVIEW. Los usamos para comunicarnos con el sistema de estimulación y adquisición de señales que es administrado por un entorno de pruebas automatizadas del software MathWorks, Inc. MATLAB®.

Todos los elementos descritos anteriormente constituyen la plataforma eléctrica (ver Figura 1). Elegimos un rack vertical que aloja los elementos del sistema eléctrico del UAV, así como el sistema NI CompactDAQ. El motor, el controlador, el generador, la unidad de control y CompactRIO están ubicados fuera del rack conectado a él.

Conclusión

Desarrollamos una plataforma eléctrica para un UAV que incluye un sistema de control basado en CompactRIO para administrar los requisitos típicos de excitación de estas aplicaciones y un sistema de adquisición de datos basado en NI CompactDAQ para monitorear y simular ciertos parámetros. Usamos LabVIEW para desarrollar el software tanto en el sistema de adquisición como en el de control. Con LabVIEW, implementamos fácilmente las funciones requeridas y nos permitió modificaciones futuras en el sitio de prueba. El hardware y software de NI nos ayudaron a lograr un corto tiempo de desarrollo y responder a los requisitos de tiempo y costo cada vez más exigentes para estas aplicaciones.

MATLAB® is a registered trademark of MathWorks, Inc.

Información del autor:

Santiago R López Gordo

Airbus Military

España