Desarrollo de un UAV Electrical Rig

Santiago R López Gordo, Airbus Military

 

 

"El SW asociado tanto al sistema de control como el de adquisición ha sido desarrollado utilizando la herramienta LabVIEW, que permite de manera sencilla la implementación de las funcionalidades requeridas y las futuras modificaciones que tengan lugar sobre la instalación de ensayo. Con esto se consigue un desarrollo en un plazo reducido, adaptado a las cada vez mayores exigencias en tiempo y coste requeridas en este tipo de instalaciones. "

- Santiago R López Gordo, Airbus Military

El Reto:

Como parte del desarrollo de un nuevo UAV, se tienen dos objetivos fundamentales: •Generar un entorno de ensayo que permita ejercitar el sistema eléctrico del UAV a las diferentes condiciones de operación para las cuales ha sido diseñado, así como monitorizar los parámetros de interés del mismo. •Ejecutar los correspondientes tests, que demuestren la integración de los equipos y las funcionalidades del sistema eléctrico.

La Solución:

El sistema eléctrico del avión UAV está formado por una parte de generación de potencia –generador y unidad de control de generador- y una parte de distribución de potencia –unidad de control y dispositivos de distribución de cargas-. Para ejercitar el sistema eléctrico se dispone de un motor eléctrico que arrastra mecánicamente al generador, de la misma manera que en el avión real es arrastrado por el motor de avión. Asimismo, se dispone de un sistema de bancos de carga, que permiten aplicar al sistema eléctrico los mismos niveles de carga a los cuales suministraría potencia eléctrica en el avión real. Por tanto se requiere de un sistema de control sobre el que resida el gobierno de estas funcionalidades. Asimismo se incluye un sistema de adquisición de datos, en este caso los parámetros de interés del sistema eléctrico, tales como voltaje y corriente en puntos de interés, estado de contactores, estado de señales I/O de las unidades de control y simulación de los equipos no presentes en el sistema eléctrico pero que interaccionan con el mismo en el avión real.

El entorno de ensayo –rig eléctrico- objeto de este artículo, comprende dos partes diferenciadas. Una parte es la responsable de la excitación del sistema eléctrico, de tal manera que pueda ser ejercitado sobre las diferentes condiciones de funcionamiento para las cuales ha sido diseñado. Otra parte es la responsable de la monitorización del estado del sistema,necesario para poder determinar mediante los ensayos que se realizan sobre el sistema, si se verifica la correcta integración de los equipos y si el sistema completo demuestra los requerimientos para los cuales ha sido diseñado.

 

La ejercitación del sistema se realiza mediante:

  • La simulación del motor de avión que mueve al generador, mediante un motor eléctrico BOSCH. A este motor eléctrico, va asociado un variador de frecuencia. Este variador de frecuencia presenta un interfaz de entradas/salidas analógicas y discretas que son manejadas por un sistema de control basado en cRIO. En el sistema de control reside la lógica de puesta en marcha y parada del conjunto driver y motor, así como la lógica de los dos modos de funcionamiento del mismo, como arrastrador y como freno, respondiendo así al requerimiento que indica que se han de probar las dos funcionalidades que presenta el conjunto generador y unidad de control de generador, y que son la propia función de generación de potencia eléctrica –el generador es arrastrado por el motor- y la función de arranque –el generador arrastra al motor, realizando la función de arrancador-. Asimismo se incluyen las correspondientes alarmas que permitan la segura respuesta del sistema de ensayo ante imprevistos.
  • La simulación del entorno de cargas a las que el sistema eléctrico proporciona potencia eléctrica. Para ello se utilizan bancos de carga dinámicos que permiten reproducir dinámicamente los perfiles de carga que serán aplicados al sistema eléctrico en un vuelo real.
  • Asimismo y como parte del entorno de ensayos, se incluye un sistema basado en tarjetas de inserción de fallos, de Pickering, que permite interrumpir cualquier señal del sistema eléctrico, que circula entre los equipos del mismo, por ejemplo el estado de un contactor o el senseo de una medida de voltaje en una barra. Este dispositivo se utiliza para simular condiciones de fallo, de manera automática, sobre las diversas evoluciones del SW de las unidades de control del sistema eléctrico, permitiendo la realización de una batería de pruebas sobre cada nueva release de SW que se desarrolle.

 

 

Por otra parte se tiene el sistema de adquisición. El sistema empleado utiliza un chasis cDAQ y una serie de tarjetas de entradas/salidas analógicas y discretas. Los parámetros a monitorizar y grabar son los relacionados con el sistema eléctrico como: voltaje y corriente en puntos de interés, estado de contactores, estado de señales del sistema. Asimismo se utiliza la infraestructura del sistema de adquisición para la simulación de elementos del sistema de avión que interaccionan con el sistema eléctrico, mediante la utilización de modelos cuyas entradas/salidas se asocian a las entradas y salidas del sistema de adquisición cDAQ.

 

Una vez definidos el sistema de control y el sistema de adquisición, el tercer pilar que constituye el entorno de ensayo es el SW desarrollado por el departamento de laboratorios que posee las siguientes funcionalidades:

 

  • Adquisición de señales analógicas a una frecuencia de 5000 muestras/segundo. Esta frecuencia es la que permite la correcta representación de las señales en AC así como el cálculo con precisión de señales elaboradas tales como magnitudes rms, frecuencia, power factor, etc…
  • Adquisición de señales discretas a una frecuencia de 1000 muestras/segundo, con el objeto de poder determinar con precisión suficiente secuencias de operación de contactores del sistema eléctrico, así como la transferencia de potencia que tiene lugar en las diversas configuraciones.
  • Simulación de señales hardware, como por ejemplo señales de peso en ruedas, switches de operación…
  • Simulación de equipos externos conectados mediante bus serie a las unidades de control del sistema eléctrico.
  • Análisis on-line de parámetros de calidad de potencia eléctrica según norma aplicable MIL-STD-704. Para ello se generan en el SW las señales elaboradas correspondientes sobre las que comparar con la norma, así como señales elaboradas y discretas que tienen como objeto indicar el cumplimiento o no de un cierto aspecto de la norma.
  • Grabación en formato TDMS, para garantizar compatibilidad con el SW de análisis Diadem.
  • Implementación de sinópticos del sistema y sistemas de interfaz gráfico del sistema de control (cRIO, bancos de carga y sistema Pickering) y de adquisición (cDAQ). Integración con entorno de ejecución de tests automáticos. Para ello se utilizan librerías dinámicas (dlls) integradas en Labview que permiten la comunicación con el sistema SEAS (Sistema de Estimulación y Adquisición de Señales) que a su vez es manejado por un entorno de ensayos automáticos basado en Matlab.

 

 

Con todos los elementos descritos anteriormente quedaría conformado el rig eléctrico, tal y como quedaría en la siguiente figura. Se ha optado por una disposición de rack vertical que alberga los elementos del sistema eléctrico del avión, así como el sistema de adquisición (cDAQ). El conjunto motor, driver, generador, unidad de control y cRIO se incluye en un bastidor aparte conectado al rack.

 

Conclusión:

Se ha desarrollado un rig eléctrico para un UAV, que comprende un sistema de control basado en cRIO que maneja las funcionales de excitación requeridas en este tipo de instalaciones, y un sistema de adquisición mediante cDAQ que monitoriza y simula parámetros de interés. El SW asociado tanto al sistema de control como el de adquisición ha sido desarrollado utilizando la herramienta LabVIEW, que permite de manera sencilla la implementación de las funcionalidades requeridas y las futuras modificaciones que tengan lugar sobre la instalación de ensayo. Con esto se consigue un desarrollo en un plazo reducido, adaptado a las cada vez mayores exigencias en tiempo y coste requeridas en este tipo de instalaciones.

 

Información del Autor:

Santiago R López Gordo
Airbus Military
Spain

Figure 1: