Kfz-Messtechnik Die Evolution der Echtzeit-Tests

Durch immer kürzere Innovationszyklen und steigenden Wettbewerbsdruck gewinnen Echtzeit- und HIL-Tests bei jeder Produktentwicklung immer mehr an Bedeutung. Wie ein modernes Design-Software-Paket hier Unterstützung bieten kann, zeigt dieser Beitrag.

Echtzeit-Tests werden in erster Linie eingesetzt, um Prüfsysteme zuverlässiger und/oder deterministischer (genau bestimmbare Zeitabläufe) zu machen. Sie spielen deshalb eine wichtige Rolle bei der Entwicklung zahlreicher moderner Industrie-Produkte oder elektronischer Systeme. Echtzeit-Bedingungen erfordern beispielsweise Kfz-Prüfstände bzw. Lebensdauer- oder andere Testanlagen, die über längere Zeiträume oder ohne ständige Anwesenheit des Bedieners arbeiten und deshalb auf die Zuverlässigkeit echtzeitfähiger Hard- und Software- Komponenten angewiesen sind. Auch in Prüfzellen für Umwelttests, in Dynamometern, Hardware-in-the-Loop-Simulatoren (HIL) und ähnlichen Regelanwendungen kommen Echtzeit-Prüfplattformen zum Einsatz, denn hier sind ihr niedriger Jitter und hoher Determinismus gefragt.

Im Folgenden werden mehrere echtzeitfähige Prüfanwendungen untersucht und es wird erläutert, wie sie im Laufe der Zeit an die neuen Herausforderungen angepasst wurden, denen Prüfingenieure heutzutage begegnen.

Echtzeit-Prüfsysteme in der Regelungstechnik

Eine gängige echtzeitfähige Prüftechnik befasst sich mit der Regelung einer physikalischen Größe im Prüfsystem, z.B. der Temperatur oder Position, des Drehmoments oder der Beschleunigung in einem Kfz-Prüfstand. Auch wäre es beispielsweise bei der Implementierung eines Testsystems für Umweltsimulation (z.B. Druckkammer) notwendig, dass dieses dem Prüfling nicht nur einen Stimulus zur Verfügung stellt und seine Antwort darauf überwacht, sondern auch einen bestimmten Zustand (hier z.B. den Druck) beibehält (Bild 1).

Da der Druck in der Kammer von vielen Variablen, z.B. Leckagen oder schwankenden Prüflingseigenschaften während des Tests, beeinflusst werden kann, wird ein Regelalgorithmus benötigt, der den Wert eines Drucksensors überwacht und Befehle an Pumpen und Ventile automatisch so anpasst, dass das im Prüfplan spezifizierte Druckprofil stets eingehalten wird. Zur Implementierung dieser automatischen Regelung ist ein deterministisches Zeitverhalten des Testsystems zwingend erforderlich.

Bei einem weiteren Beispiel, nämlich Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL), werden echtzeitfähige Prüfalgorithmen eingesetzt, um elektronische Steuer- und Regelsysteme z.B. in der Kfz- Elektronik-Entwicklung effektiver zu testen. Ein solches elektronisches Steuer- und Regelsystem besteht aus der elektronischen Steuereinheit sowie dem System oder der Umgebung, auf die es wirkt (Bild 2).

Aspekte wie Sicherheit, Verfügbarkeit oder Kosten erschweren es bei derartigen Tests aber sehr oft, alle gewünschten Tests mit dem gesamten System durchzuführen. Andererseits ist es auch nicht ohne weiteres möglich, die elektronische Steuereinheit alleine zu testen, da beides sehr eng zusammenhängt.

Eine Lösung für dieses Problem bietet die HIL-Simulation. Dabei handelt es sich um eine Echtzeit-Prüftechnik, die z.B. Steuergeräte testet, indem sie die übrigen – mit dem Steuergerät in der Realität verbundenen – Systemkomponenten per Software simuliert. So entsteht eine virtuelle Umgebung für die Steuereinheit, und ihre enge Kopplung an das Gesamtsystem bleibt erhalten. Um die Interaktion zwischen Sensoren und Aktoren genau zu simulieren, muss das Prüfsystem Berechnungen des Umgebungsmodells in regelmäßigen und deterministischen Zeitabständen ausführen.

Entwicklung von Echtzeit- Prüfsystemen

Mit zunehmender Komplexität von Produkten und Systemen steigen natürlich auch die Ansprüche an deren Test. Einige dieser Ansprüche lassen sich nur durch Erweiterung der Echtzeit- Testsysteme erfüllen.

Dieser Trend ist beispielsweise anhand eines modellbasierten Dynamometers gut zu illustrieren: Herkömmliche Dynamometer-Testsysteme bestehen aus einer Regelung mit PID-Regelalgorithmen, so dass für den Prüfling variierende Bedingungen mit verschiedenen Drehmomenten und Geschwindigkeiten erzeugt werden können. Um den Prüfling während des Betriebs zu validieren, generiert das Prüfsystem statische Stimulusprofile sowohl für den Sollwert des PID-Reglers als auch für den Prüfling. Modellbasierte Dynamometer stellen hierzu eine Erweiterung dar und nutzen Modelle für die Implementierung anspruchsvoller Regelalgorithmen. Des Weiteren ermöglichen sie die Erzeugung dynamischer Stimulusprofile für den Prüfling.

Ingenieure des Unternehmens Wineman Technologies, Inc., verwendeten eine Echtzeit-Prüfplattform auf Basis der Software VeriStand von National Instruments beispielsweise, um einen Rollenprüfstand für ein Fahrzeug mit sechs unabhängigen Rädern aufzubauen. Der Rollenprüfstand musste in der Lage sein, Prüfbedingungen zu schaffen, die die Bewegungen des Fahrzeugs über unterschiedliches Terrain simulieren.

So musste der modellbasierte Rollenprüfstand einen Zustand nachstellen können, in dem zwei Räder im Schnee fahren, eines im Schlamm durchdreht, zwei Räder sich über losen Kies bewegen und eines gar keinen Bodenkontakt hat. Außerdem bestand die Anforderung bei der Ausführung von Manövern darin, die Übergänge im Gelände von Rad zu Rad aufrechtzuerhalten.

Zur erfolgreichen Implementierung dieses Prüfsystems griffen die Ingenieure bei der Realisierung auf ihre Erfahrungen in der Herstellung von Dynamometern und HIL-Simulatoren zurück. Das Ergebnis war ein traditionelles Dynamometer- Prüfsystem, erweitert um zusätzliche Eigenschaften, die normalerweise eher in HIL-Prüfsystemen zu finden sind. Insbesondere wurde die Fähigkeit ergänzt, komplexe Modelle deterministisch auszuführen, um den sechs korrelierten Geschwindigkeits-/Drehmoment- Profilen dynamische Stimuli bereitzustellen und die anspruchsvolle Regelung für diese Aufgabe zu implementieren. Die Zusammenführung unterschiedlicher echtzeitfähiger Prüfanforderungen lässt sich auch in einer Anwendung der spanischen Forschungsorganisation Robotiker-Tecnalia erkennen.

Bei der Forschung und Entwicklung von Antrieben für Hybridfahrzeuge bedienten sich die Ingenieure dieses Unternehmens ebenfalls einer Echtzeit-Prüfplattform auf Basis von VeriStand und erstellten damit ein spezialisiertes HIL-Prüfsystem (Bild 3). Anstatt eine komplette elektrische Simulation der Interaktionen von Fahrzeugsensoren und -aktoren mit der elektronischen Steuereinheit bereitzustellen, erweiterten sie die Software-Modelle des Fahrzeugantriebs um reale elektromechanische Komponenten. Anschließend verbanden sie diese mit den Software-Modellen für die Simulation des übrigen Fahrzeugs und konnten damit ein genaueres und flexibleres Prüfsystem realisieren.

Da der Simulation physikalische Komponenten hinzugefügt wurden, musste ein Lastmechanismus für den Fahrzeugantrieb ergänzt werden, damit die Simulation die Lastbedingungen bestimmen konnte. Der HIL-Simulator liefert der Lastregelung die simulierten Lastwerte. Der Lastregler appliziert dann die physikalische Last über eine mechanische Kopplung auf den Fahrzeugantrieb. Bei der Implementierung dieses speziellen HILSystems mussten sowohl ein HIL-Simulator als auch ein Lastsystem auf Basis eines Dynamometers generiert werden, die zusammen eine elektromechanische Simulation des Antriebs für das Hybridfahrzeug ermöglichten.