Study on electric propulsion solutions for vertical takeoff and landing air vehicles

This study has the main objective of using Simulink for the implementation of control strategies for the tilt angle of an experimental system, built from scratch with quickly available material. The system consists of a horizontal bar, oscillating on its midpoint, at the ends of which two electric motors are positioned, which are able to move the bar through the propellers placed on them. The power supply of the motors is done through Pulse Width Modulation, using an inverter programmed with Simulink. The system is designed for a movement that recalls what happens on tilt-wing and tiltrotor vertical take-off and landing aircraft (VTOL) in the transition from takeoff to cruise. The tilt is controlled through the electric drive of the motors (DC and AC brushless), tested before the practical application in various simulations; for their realization it was necessary to define a mathematical model of the system and of the motors, and to measure (or estimate) the parameters contained. Virtually, the control proved able to achieve the goal, but its practical application has been unfeasible due to the malfunction of the accelerometer supposed to measure the angular position, the lack of which, however, prompted to improve the mathematical model of the system in order to test the control in open loop, obtaining valid results at least for a single starting position.

Questo studio ha l’obiettivo principale di utilizzare Simulink per l’implementazione di alcune strategie di controllo dell’angolo di inclinazione di un sistema sperimentale, costruito da zero con pezzi velocemente reperibili. Il sistema consiste in un asta orizzontale, oscillante sul suo punto medio, alle cui estremità sono posizionati due motori elettrici in grado di muoverla tramite le eliche su di essi montate. L’alimentazione dei motori è effettuata tramite modulazione a larghezza d’impulso, utilizzando un inverter programmato con Simulink. Il sistema è pensato per realizzare un movimento che ricordi quanto accade sui velivoli a decollo e atterragio verticale (VTOL) di tipo tilt-wing e tilt-rotor nel passaggio da decollo a crociera. L’inclinazione è controllata tramite l’azionamento elettrico dei motori (DC e AC brushless), esaminato prima dell’applicazione pratica in svariate simulazioni; per la loro realizzazione è stato necessario definire un modello matematico del sistema e dei motori, e misurarne (o stimarne) i parametri contenuti. Virtualmente, il controllo si è dimostrato in grado di raggiungere l’obiettivo, ma è stata impossibile la sua applicazione pratica a causa del malfunzionamento dell’accelerometro con il compito di misurare la posizione angolare, la cui mancanza ha tuttavia spinto a perfezionare il modello matematico del sistema per poter testare il controllo in anello aperto, con risultati apprezzabili quantomeno per una singola posizione di partenza.