Banco di collaudo per servocomandi rotore "L utilizzo di strumentazione modulare di National Instruments, unita ad un ambiente di programmazione come LabWindows/CVI, ha permesso di implementare un banco di collaudo automatico di discreta complessità al cui fondamento è un software di controllo che ha garantito sia un notevole miglioramento nella qualità delle misure, che una drastica riduzione del tempo di collaudo." - S. Zaccardi, ELETTRONICA ASTER (http://www.elaster.it) La sfida: Realizzare un banco di collaudo da utilizzare presso il nostro stabilimento e proporre al cliente HAL Ltd per i test di produzione, accettazione e caratterizzazione di servocomandi aeronautici di propria produzione. Il banco dovrà implementare diversi loop di controllo di pressione, posizione e forza, acquisire varie grandezze fisiche quali pressioni, portate, forze, posizioni, temperature ed infine presentare i risultati per analisi statiche e dinamiche. La soluzione: Visti i requisiti di un applicazione di controllo e misura dalle spiccate caratteristiche di flessibilità e affidabilità, abbiamo scelto di integrare su piattaforma NI PXI con controller real-time sia l acquisizione dati che i diversi loop di controllo mediante software sviluppato in ambiente NI LabWindows/CVI. Autore (i): S. Zaccardi - ELETTRONICA ASTER (http://www.elaster.it) Breve riassunto Il collaudo di un servocomando consiste nell osservazione di alcune sue caratteristiche funzionali al variare delle sollecitazioni ad esso imposte dal banco di collaudo. L utilizzo di strumentazione modulare di National Instruments, unita ad un ambiente di programmazione come LabWindows/CVI, ha permesso di implementare un banco di collaudo automatico di discreta complessità al cui fondamento è un software di controllo che ha garantito sia un notevole miglioramento nella qualità delle misure, che una drastica riduzione del tempo di collaudo. Articolo Elettronica Aster S.p.A., con la sua cinquantennale esperienza nel settore aeronautico, si propone oggi come fornitore di soluzioni integrate per l attuazione elettro-idraulica a bordo velivolo. Lo sviluppo di un banco di collaudo di nuova concezione per servocomandi si inserisce nel contesto di un piano di technology transfert verso il nostro cliente indiano, comprendente la fornitura degli strumenti necessari a interventi di manutenzione e test funzionali sui servocomandi di nostra progettazione e produzione. Il servocomando ALH I servocomandi prodotti da Elettronica Aster per Hindustan Aeronautics Limited vengono montati su elicotteri ALH per il controllo dei rotori principali e di coda. Ciascun servocomando è composto essenzialmente da uno stadio di potenza costituito da un pistone interno a due cilindri in tandem, pilotati da due valvole a cassetto indipendenti i cui spool sono connessi al medesimo sistema di leve. In prima approssimazione, possiamo considerare come grandezze di output del servocomando la posizione del pistone principale e la forza da esso esercitata sul carico. Il suddetto sistema di leve implementa un feedback meccanico tra pistone e spool delle valvole distributrici, ma anche un nodo sommatore meccanico tra una leva di ingresso su cui va ad agire direttamente la cloche del pilota; ed un altra leva su cui agiscono i sistemi autopiloti a bordo del servocomando e pilotati dal computer di bordo dell elicottero per un controllo fly-by-wire. Ogni servocomando main monta due sistemi autopilota, ciascuno costituito da un piccolo martinetto idraulico comandato da una servovalvola e una valvola a solenoide per abilitare il flusso d olio al sistema autopilota; in asse al suo pistone vi è poi un sensore LVDT per il rilevamento della posizione lineare. I servocomandi tail, pur essendo anch essi ridondanti nello stadio di potenza con la presenza di due cilindri, dispongono però un solo stadio autopilota. Consideriamo quindi come grandezze in ingresso al servocomando, da un lato posizione e forza necessari al controllo della leva meccanica di ingresso e dall altro il segnale elettrico necessario per comandare le servovalvole a bordo. L hardware di collaudo Un banco di collaudo per un servocomando così costituito deve quindi essere in grado di alimentare idraulicamente l unità sotto test e fornire degli stimoli meccanici ed elettrici per misurarne la risposta. Per simulare il controllo del pilota sulla leva manuale è stato utilizzato un martinetto idraulico di piccola sezione comandato da una servovalvola. Al pistone sono connessi una cella di carico da 200N ed il magnete di un sensore di posizione magnetostrittivo. Un secondo martinetto idraulico, di maggiore sezione, fornisce invece sollecitazioni di carico al pistone principale simulando il carico aerodinamico a cui è sottoposto il rotore. Questo è pilotato da una valvola proporzionale DDV con elettronica a bordo e mediante un gancio idraulico si connette a uno stelo su cui è montata una cella di carico da 50kN ed il magnete di un secondo sensore magnetostrittivo. Lo stelo, assiale al martinetto di carico e al pistone principale del servocomando, viene fissato a quest ultimo per le caratterizzazione di posizione e carico in uscita. Valvola DDV e cella di carico fanno parte dell anello di controllo in forza del martinetto di carico, mentre, per il martinetto di input, servovalvola e trasduttore magnetostrittivo sono elementi del loop di controllo in posizione. Altri due loop di controllo in posizione sono invece costituiti da servovalvola e sensore LVDT a bordo dei sistemi autopiloti del servocomando. Tutti questi anelli si chiudono direttamente su una scheda di acquisizione dati NI PXI-6229 della Serie M che funziona da convertitore A/D e D/A al servizio di quattro controllori PID indipendenti realizzati programmaticamente, i cui algoritmi vengono eseguiti dal controller embedded PXI-8106 RT. La scelta del cestello è ricaduta sul sistema a bus combinati NI PXI 1050 per la disponibilità in formato SCXI di schede di signal conditioning NI SCXI-1520 per l acquisizione da cella di carico e NI SCXI-1540 per l acquisizione da LVDT. Gli ingressi analogici della scheda della Serie M, oltre ai sensori già menzionati, gestiscono anche l acquisizione di 12 trasduttori di pressione posizionati in punti chiave del circuito idraulico del banco, un flussometro al suo ingresso, un sensore di temperatura sulla condotta di ritorno del servocomando sotto test e varie tensioni di eccitazione. I quattro canali di output analogico fungono invece da segnali di controllo per le valvole proporzionali e, in particolari fasi di collaudo, vengono multiplexati per generare set-point variabili per il controllo proporzionale della pressione di mandata al servocomando, gestito dall unico controllore PID esterno al sistema National Instruments utilizzato nel banco. La scheda della Serie M è stata sfruttata appieno anche per i suoi I/O digitali. Una decina di linee di output sono servite al controllo di apertura/chiusura delle elettrovalvole su banco mediante dei moduli esterni a basso costo con relay elettromeccanici pilotati da livelli logici TTL. Abbiamo invece utilizzato linee di input digitali per leggere gli stati binari di interruttori di fine corsa e proximity switch sulla struttura meccanica, come pure lo stato del relay sul filtro idraulico sulla mandata del banco che ne segnala l intasamento. Infine, un ingresso counter è stato utilizzato per una misura di frequenza del treno di impulsi digitali provenienti da una turbina volumetrica ad ingranaggi utilizzata per le misure di leakage del servocomando. Il software di collaudo L emissione della prima release del test program è il risultato della compilazione di circa 15000 linee di codice sorgente sviluppato interamente in ambiente LabWindows/CVI. Lo stile di programmazione ha sfruttato gran parte delle soluzioni tecnologiche più avanzate messe a disposizione dall ambiente di sviluppo National Instruments, realizzando un applicazione multitasking, multithreading e multicore sotto RTOS; attribuendo esplicitamente l esecuzione dei thread principali 1/5 www.ni.com
Instruments, realizzando un applicazione multitasking, multithreading e multicore sotto RTOS; attribuendo esplicitamente l esecuzione dei thread principali ai singoli µp e utilizzando strumenti come le thread safe queue e le network variables per la comunicazione tra thread o tra Host PC e target real-time. La gestione delle callback a connessioni network è alla base della presentazione dati su una HMI dalla grafica chiara e intuitiva che consente in pochi gesti misure ed analisi precise, ripetibili e affidabili impensabili con i vecchi banchi di collaudo su base completamente analogica, favorendo inoltre un sostanziale dimezzamento del tempo di test. Analisi di tipo statico, come il rilevamento di velocità sotto carico, corse meccaniche, linearità e isteresi tra ingresso e uscita, oppure di tipo dinamico come sfasamenti e attenuazione nella risposta in frequenza, sono ora alla portata di tutti gli operatori, indipendentemente dalla conoscenza approfondita o meno della struttura hardware del banco di collaudo, con ridotti margini di discrezionalità. Informazioni sull'autore: S. Zaccardi ELETTRONICA ASTER (http://www.elaster.it) simone.zaccardi@elaster.it (mailto:simone.zaccardi@elaster.it) Figura 1 2/5 www.ni.com
Figura 2 Figura 3 3/5 www.ni.com
Figura 4 4/5 www.ni.com
Figura 5 Informazioni Legali Questo case study (questo "case study") è stato fornito da un cliente di National Instruments ("NI"). QUESTO CASE STUDY È FORNITO SENZA NESSUN TIPO DI GARANZIA ED È SOGGETTO AD ALCUNE LIMITAZIONI PIÙ SPECIFICATAMENTE DESCRITTE NEI TERMINI D USO DI NI.COM 5/5 www.ni.com