NI-Werkzeuge unterstützen Ford

Kurt D. Osborne, Ford Motor Company

"Wir haben mit NI LabVIEW erfolgreich ein echtzeitfähiges Embedded-Steuersystem für ein Brennstoffzellensystem in Fahrzeugen entworfen und implementiert. Schließlich ist der technische Support durch NI – ein Schlüsselfaktor für Erfolg – immer der beste der Branche gewesen."

- Kurt D. Osborne, Ford Motor Company

Die Aufgabe:

Entwicklung eines elektronischen Steuergeräts für ein Brennstoffzellensystem in Fahrzeugen

Die Lösung:

Entwerfen und Implementieren eines echtzeitfähigen Embedded-Steuersystems mit dem NI LabVIEW Real-Time Module und dem LabVIEW FPGA Module sowie einem NI-CompactRIO-Controller und Verifizieren des Systems mit LabVIEW und einem PXI-basierten Echtzeit-Hardware-in-the-Loop-System

Bei Innovationen ganz vorn dabei

Seit 1992 befasst sich die Ford Motor Company mit der Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellensystemen. Trotz der von uns erzielten bedeutenden Fortschritte verhinderten einige Schwächen, dass Brennstoffzellensysteme zu einer kommerziell realisierbaren Technologie werden konnten, die eine Konkurrenz zu Antriebssystemen auf Basis von Verbrennungsmotoren darstellt. Unsere Bemühungen, diese Einschränkungen zu beseitigen, begannen mit erheblichen Verbesserungen in Bereichen wie Systemlebensdauer und Starts bei niedrigen Temperaturen.

 

In Verbindung mit unserem bahnbrechenden Brennstoffzellendesign entwickelten wir mithilfe des Rapid Prototyping ein neues Regelsystem. Im Laufe der Entwicklung wurden Änderungen vorgenommen, während das Designteam den Entwurf iterativ anhand von Verifizierungen auf Basis des V-Modells für die Systementwicklung verbesserte. Diese Entwurfsänderungen wirkten sich oft auf die Schnittstellen zwischen Komponenten des Untersystems aus, z. B. auf die Steuermodule für den Druckluftkompressor und die Brennstoffzellen. Obwohl elektronische Steuergeräte sehr erfolgreich in Serienfahrzeugen eingesetzt werden, existieren bessere Alternativen für Rapid-Prototyping-Steuersysteme. Anstatt eine Modifizierung an den I/O-Schaltkreisen eines Seriensteuergeräts vorzunehmen, um eine Anpassung an Schnittstellenänderungen zu erzielen, setzten wir CompactRIO für eine zügige Prototypenerstellung der Brennstoffzelleneinheit ein. Mit CompactRIO erreichten wir schnell eine Anpassung an Entwurfsänderungen und experimentierten mit neuen Sensoren und Aktoren für neuartige Designlösungen.

 

Wir implementierten ein HIL-System, das aus einem Controller des Typs NI PXI-8186 in einem kombinierten PXI/SCXI-Chassis des Typs CompactRIO-Controller integriert ist. Dieses mit LabVIEW Real-Time implementierte HIL-System besitzt eine grafische Benutzeroberfläche, die die elektronische Steuereinheit mit manuellen und automatischen Stimuli versorgt, um die Arbeitsweise der Regelstrategie zu überprüfen und zudem das I/O-Feedback des CompactRIO auf dem HIL-Monitor anzuzeigen. Die HIL-System-Validierung war sehr erfolgreich und wir mussten nur geringfügige Änderungen an der Strategie vornehmen, nachdem der CompactRIO die Steuerung der eigentlichen Anlage des Brennstoffzellensystems übernommen hatte.

 

Leistung zum richtigen Zeitpunkt

Die Steuerung des Antriebssystems in Fahrzeugen erfordert die Ausführung in Echtzeit. Um den dafür notwendigen Determinismus bereitzustellen, bietet das LabVIEW Real-Time Module ein handelsübliches Echtzeitbetriebssystem für den gewählten Controller. Als wir vom NI cRIO-9002 auf den Embedded-Echtzeit-Controller NI cRIO-9012 umstellten, um die Leistung zu steigern, schaltete LabVIEW Real-Time automatisch von einem Pharlap- zu einem VxWorks-Echtzeitbetriebssystem um. Da die Implementierung des Echtzeitbetriebssystems von NI-Produkten übernommen wurde, konnte sich das Team ganz auf die Bereitstellung eines Brennstoffzellensteuersystems konzentrieren.

 

Der Controller für das Brennstoffzellensystem erhält verschiedene Signale von Sensoren, Aktoren und anderen Controllern und Systemen innerhalb eines Fahrzeugs. Ein CAN, der inzwischen bei Anwendungen im Automobilbereich weit verbreitet ist, sendet und empfängt einen erheblichen Teil der I/O innerhalb und außerhalb des Brennstoffzellensystems. Während der Testreihen im Labor simulierten wir die Master-Steuerung des Fahrzeugs mithilfe eines umfangreichen Prüfstands auf Grundlage von LabVIEW, der über CAN mit dem Slave-Controller für das Brennstoffzellensystem kommuniziert. Aus diesen Gründen ist CAN-Unterstützung für CompactRIO entscheidend für Anwendungen im Bereich Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugen. Als für die CAN-Implementierung mehr Leistung erforderlich wurde, stellte NI umgehend eine kürzlich entwickelte Methode zur Unterstützung des CAN auf den schnelleren, VxWorks-basierten Plattformen wie cRIO-9012 bereit. Die neue CAN Frame Channel Conversion Library ermöglichte nicht nur die Nutzung der CAN-Cannel-API, sondern war zudem noch schneller als zuvor, so dass sich die Entwicklungszeit reduzierte.

 

NI-Produkte sind dafür bekannt, dass sie eine offene Systemarchitektur unterstützen. Der NI Measurement & Automation Explorer (MAX) vereinfachte den Import von CAN-Nachrichtendatenbanken, die mit einem Werkzeug eines anderen CAN-Herstellers entwickelt wurden. Diese Funktion ermöglichte den Austausch von Datenbanken, ohne dazu CAN-Nachrichtendatenbanken übersetzen oder umkodieren zu müssen.

 

Nahtlose Technologieintegration

Für dieses Projekt implementierten wir die Regelstrategie mithilfe des LabVIEW Professional Development System zusammen mit zwei Add-on-Modulen. Zuerst nutzten wir das LabVIEW Real-Time Module, um die Software für den Echtzeiteinsatz zu implementieren und so den Echtzeit-Controller zu programmieren. Anschließend realisierten wir die FPGA-basierte Software mithilfe des LabVIEW FPGA Module, um alle Ein- und Ausgaben, einschließlich CAN, durchzuführen. Beide Add-on-Module zu LabVIEW sind nahtlos in die Entwicklungsumgebung integriert. Der grafische Vergleich war zudem eine der wesentlichen LabVIEW-Funktionen, die wir nutzten.

 

Das NI Real-Time Execution Trace Toolkit entwickelte sich zu einem wichtigen Werkzeug zur Lösung von chronometrischen Aufgabenstellungen. Mithilfe dieses Toolkits wurden wir auf Bereiche des Echtzeit-Embedded-Codes aufmerksam, die nicht wie erwartet funktionierten, und konnten den Programmcode dann optimieren, um eine korrekte Echtzeitleistung sicherzustellen. Ohne ein Produkt wie das NI Real-Time Execution Trace Toolkit wäre kostspielige externe Prüfausrüstung nötig gewesen, wie etwa In-Circuit-Emulatoren und Logikanalysatoren.

 

Manchen Entwicklern fällt die Implementierung einer Versionsverwaltung schwer. Da sich LabVIEW ausgezeichnet in das Versionsverwaltungsprogramm Microsoft Visual SourceSafe integrieren ließ, das wir während der Softwareentwicklung verwendeten, konnten wir die Versionsverwaltung erfolgreich und übergangslos einbinden. Allein mit einem Klick mit der rechten Maustaste auf das Symbol des Quell-VIs im Fenster des LabVIEW-Projekts können wir eine Liste von Funktionen aufrufen, wie etwa das Check-in oder Check-out von Dateien. Bedienfreundliche Software spielt eine entscheidende Rolle, um die Unterstützung der Entwickler für die Versionsverwaltung zu gewinnen.

 

Überall LabVIEW: Unsere Motivation für den Einsatz von LabVIEW

Wir arbeiteten die Regelstrategie für unser erstes, intern erstelltes Brennstoffzellensystem aus ganz verschiedenen Gründen mithilfe von LabVIEW aus. Erstens übertraf die erforderliche Anzahl an Entwicklern zur Implementierung unseres üblichen Softwareentwicklungsprozesses die verfügbaren Ressourcen. Durch Einsatz von LabVIEW jedoch stand eine größere Zahl von Ressourcen zur Verfügung, da etliche Ingenieure bereits Erfahrungen mit LabVIEW gesammelt hatten und andere schon geschult worden waren. Zweitens konnten dank der natürlichen Synergie zwischen der für den Rapid-Prototyping-Controller und die Prüfstände entwickelten Software, die bereits mit LabVIEW erstellt wurde, VIs ausgetauscht werden, waren Entwicklungsumgebungen identisch und die Hardware ähnlich.

 

Drittens konnten wir VIs wiederverwenden, die vor über zehn Jahren als Grundlage für das HIL-System dienten, da die modularen LabVIEW-VIs abwärtskompatibel sind. Des Weiteren speicherte das Laborprüfsystem, das auf NI-Hardware und LabVIEW basierte, die Prüfdaten ganz einfach im TDMS-Dateiformat (Technical Data Management Streaming), um sie in der Software für die Datenverwaltung NI DIAdem zu analysieren. Neben der üblichen Datenvisualisierung nutzten wir DIAdem für das zügige und automatische Durchsuchen mehrerer Datendateien, um so Leistungsabweichungen zu finden und diese mit Beschriftungen zu versehen. Schließlich ist der technische Support durch NI – ein Schlüsselfaktor für Erfolg – immer der beste der Branche gewesen.

 

Ford kann auf eine lange Zusammenarbeit mit NI zurückblicken. Wir haben LabVIEW zur Entwicklung verschiedener Aspekte aller brennstoffzellenbetriebenen Elektrofahrzeuge, die wir herstellen, eingesetzt und erfolgreich ein echtzeitfähiges Embedded-Steuersystem für ein Brennstoffzellensystem in Fahrzeugen entworfen und implementiert.

 

Informationen zum Autor:

Kurt D. Osborne
Ford Motor Company
1201 Village Rd
Dearborn, MI 48121
Tel: 313-322-3202
kosborn1@ford.com

Our commitment to fuel cell system (FCS) research resulted in vehicles such as the world's first full-size, full-performance fuel cell car (P2000) and the world's first fuel cell plug-in hybrid (Ford Edge with HySeries Drive).
We used CompactRIO to control the groundbreaking fuel cell system design.
In the block diagram, the real-time CompactRIO FCS controller interfaces to a real-time HIL system used to perform software verification.
A Simple, Clean GUI Hides the Real-Time VI of the HIL System