Rekonfigurierbarer HIL-Simulator für Entwicklung und Test elektronischer Steuereinheiten im Bereich Fahrzeugdynamik mit NI VeriStand and NI TestStand

"Den zweiten Teil des Simulators erstellten wir auf Grundlage eines echtzeitfähgien PXI-Systems von NI, das modulare I/O zur Verfügung stellt. Mit PXI- und CompactRIO-Modulen von NI, wie etwa CAN, FlexRay sowie Digital- und Analog-I/O können wir das System erweitern."

- Dr. Dénes Fodor, University of Pannonia, Faculty of Engineering, Institute of Mechanical Engineering

Die Aufgabe:

Erstellung einer HIL-Simulationsumgebung (HIL, Hardware-in-the-Loop) zur Beschleunigung der Softwareentwicklung und funktionaler Verifizierungstests für Motorsteuereinheiten (Engine Control Unit, ECU) im Automobilbereich

Die Lösung:

Einsatz von PXI-Express-Hardware und den Softwareprodukten NI TestStand und NI VeriStand zur Erstellung eines echtzeitfähigen Ausführungssystems für Fahrzeugdynamikmodelle inklusive Messgeräten, mit diversen Schnittstellen für Kommunikationsprotokolle im Automobilbereich sowie ein Multifunktionsgerät der R-Serie mit rekonfigurierbaren I/O für die einfache Anpassung an verschiedene ECUs; Prozessautomatisierung mit NI TestStand, Ausführung echtzeitfähiger Prüfanwendung mit NI VeriStand.

Autor(en):

Dr. Dénes Fodor - University of Pannonia, Faculty of Engineering, Institute of Mechanical Engineering
Krisztián Enisz - University of Pannonia, Faculty of Engineering, Institute of Mechanical Engineering, Automotive System Engineering Department

 

Aufgrund der steigenden Anforderungen in den Bereichen Sicherheit und Umweltverträglichkeit werden Steuergeräte für moderne Fahrzeuge immer komplexer1,2. Der kosteneffiziente Test von ECUs spielt deshalb in der Automobilindustrie eine wichtige Rolle. Um die ständig steigenden Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, müssen wir neue Algorithmen und ECUs entwickeln. Der Test neuer Methoden mit einem echten Fahrzeug auf einer Prüfstrecke ist zwar unabdingbar, allerdings sehr teuer und zeitaufwendig.

 

Für die Erstellung einer Machbarkeitsstudie benötigten wir zum Entwickeln neuer Algorithmen für verschiedene Fahrzeuge und ECUs eine Test- und Simulationsumgebung. Wir wollten eine einfach rekonfigurierbare Hard- und Softwareumgebung für HIL-Tests von ECUs schaffen, in die sich neue Anwender in relativ kurzer Zeit einarbeiten können. Wir ergänzten Systemfunktionen, indem wir Hard- und Software für die Motorsteuereinheit eines Antiblockiersystems (ABS) integrierten.

 

Architektur der Simulationsumgebung

Da der Simulator modular aufgebaut ist (s. Abb. 1 und 2), lässt er sich einfach rekonfigurieren. Der erste Bestandteil ist ein gewöhnlicher Hochleistungs-PC mit Windows 7. Dieser kann als Stand-alone-System zum Test neuer Algorithmen ohne die Fahrzeug-ECUs eingesetzt werden. Das Herzstück des Systems bildet die Simulationssoftware Tesis veDYNA 3.10.4 für die Simulation der Fahrzeugdynamik. Diese Software basiert auf der Software Simulink® und MATLAB® von The MathWorks, Inc. In Simulink können wir die neuen Algorithmen implementieren und damit neue Manöver erstellen sowie Parameter für verschiedene Fahrzeugmodelle und Umgebungsbedingungen eingeben, etwa die Beschaffenheit der Straßenoberfläche.



Die Software NI VeriStand nutzten wir als Schnittstelle zur echzeitfähigen Hardware. Dabei werden die veDYNA-Modelle mit den I/Os der Hardware verbunden. Eine der wichtigsten Fähigkeiten von NI VeriStand ist die Modifizierung und das Überschreiben von Signalen. Dabei können Signale mittels mathematischer Algorithmen oder komplexerer Modelle in der Software NI LabVIEW verändert werden, um sie für die Eingänge am Modell oder Gerät vorzubereiten. Dank NI TestStand und NI VeriStand konnten wir neue Manöver erstellen, Parameter für verschiedene Fahrzeugmodelle einpflegen und Umgebungsbedingungen simulieren, um reale Prüfsequenzen auf echten ECUs für ABS auszuführen.

 

Den zweiten Teil des Simulators erstellten wir auf Grundlage eines echtzeitfähgien PXI-Systems von NI, das modulare I/O zur Verfügung stellt. Mit PXI- und CompactRIO-Modulen von NI, wie etwa CAN, FlexRay sowie Digital- und Analog-I/O können wir das System erweitern. Das PXI-System arbeitet mit externen Schnittstellen wie MOST von Vector und FlexRay von TTech, die wir mit einem Standard-PC verwenden können.

 

Der dritte Bestandteil, ein Emulator für Elektromotoren, der elektrische Fahrzeugantriebssysteme imitiert, führt den Test der ECU durch.

 

ECU-Integration

Der nächste wichtige Schritt nach der Erstellung des Simulationssystems war die Integration der ECU (s. Abb. 3).


Wir ergänzten die ECU durch einfache kleine elektrische Schaltkreise, um die Raddrehzahlsensoren, Ventile und Motor zu emulieren. Die ECU steuert Motor und Ventile, während das Echtzeitsystem nur die Zustände der Komponenten misst. Der Simulator steuert die Raddrehzahlsensoren und den digitalen Ausgang. In Abhängigkeit von der Raddrehzahl schaltet er die Spannung ein oder aus, um korrekte Frequenztakte für das ABS zu generieren. Wir modifizierten das Bremssystem des veDYNA-Modells in Simulink so, dass eingehende Ventilzustände angenommen werden und der Bremsdruck an den Rädern unabhängig angepasst wird, je nach Position des Ventils (s. Abb. 4) bei jedem Rad.

Der wichtigste Algorithmus für die Gleichung der Druckanpassung lautet:


wobei

            n = aktueller Simulationsschritt

            p(n) = angepasster Bremsdruck für das Rad

            ptarget(n) = angestrebter Bremsdruck

            pdiff(n) = Unterschied zwischen aktuellem und angestrebtem Bremsdruck

            t(n) = aktuelle Dauer der Anpassung

             = Zeitkonstante

 

 

Der in MATLAB und Simulink implementierte Algorithmus umfasst sechs Subalgorithmen3. Neben der Anpassung des veDYNA-Modells erstellten wir auch ein neues Projekt in NI VeriStand. Das kompilierte veDYNA-Modell ist mit NI VeriStand kompatibel, sodass die I/O-Signale nach Umwandlung der Raddrehzahlsignale an die I/O des PXI angebunden werden können. Die Benutzeroberfläche von NI VeriStand wurde für die Überwachung und Änderung von Simulationsparametern konzipiert (s. Abb. 5).

 

Fazit

Mit NI PXI, NI VeriStand und NI TestStand erstellten wir einen echtzeitfähigen Fahrzeugsimulator mit integrierter HIL-Simulation, um neue theoretische Forschungsergebnisse einfach validieren zu können. Als sofort einsatzbereite Testmanagementsoftware half uns NI TestStand dabei, die Entwicklungszeit zu verkürzen, denn Komponenten wie die Ausführung von Sequenzen oder die Berichterstellung sind bereits enthalten. Da für uns ein echtzeitfähiges Betriebssystem ohnehin obligatorisch war, sorgte NI VeriStand für hohe Zuverlässigkeit und Leistung, da es für die Ausführung auf NI-Echtzeithardware und die Konfiguration echtzeitfähiger Prüfanwendungen konzipiert ist.



Das ECU-basierte ABS-Prüfsystem erfüllte unsere Erwartungen (s. Abb. 6 und 7). Um die Simulation zu verfeinern, ist noch weitere Entwicklungsarbeit nötig. Außerdem müssen wir das Druckmodell noch dahingehend verbessern, dass es die Motorzustände des ABS berücksichtigt.


Danksagung

Wir bedanken uns beim ungarischen Staat und der Europäischen Union (Projekt TAMOP-4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0003) für die finanzielle Unterstützung sowie den intensiven technischen Support durch Continental Teves Veszprem und National Instruments Budapest.

Referenzen

1 Rieth, Dr. P. E., S. A. Drumm, and M. Harnishfeger, Electronic Stability Program: The Brake that Steers, Verlag Moderne Industrie, 2002, 16-26.

2 Gustafsson, F., Automotive Safety Systems: Replacing Costly Sensors with Software Algorithms, 2009, IEEE Signal Processing Magazine, Volume 26, Issue 4, July 2009.

3 Fodor, D., K. Enisz, and P. Toth, Vehicle-Dynamics-Based Real ABS ECU Testing on a Real-Time HIL Simulator, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, January 2012.

MATLAB® und Simulink®sind eingetragene Warenzeichen von The MathWorks, Inc.

 

Informationen zum Autor:

Dr. Dénes Fodor
University of Pannonia, Faculty of Engineering, Institute of Mechanical Engineering
Egyetem u. 10.
Veszprém 8200
Hungary
fodor@almos.uni-pannon.hu

Anatomie der Umgebung für die HIL-Simulation
Aufbau der Simulationsumgebung
Integration der ECU-Hardware des ABS
Integration der ECU-Software für das ABS in Tesis veDYNA
Geschwindigkeit (Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h), Raddrehzahl (km/h) und Bremsdruck (Pa) ohne ABS-Steuergerät (Notbremsung von 115 km/h)
Geschwindigkeit (Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h), Raddrehzahl (km/h) und Bremsdruck (Pa) mit dem ABS-Steuergerät (Notbremsung von 115 km/h)
Anzeige von Geschwindigkeiten und Druck auf der Benutzeroberfläche