Einsatz der CompactRIO-Architektur zur Steuerung und Regelung eines Verbrennungsmotors im F&E-Bereich

Ing. Philipp Grassl, Sohatex GmbH

"Die eingesetzte Hardware ist derart flexibel, dass sie für jegliche Motorbauarten einsetzbar ist. Die daraus resultierende zusätzliche Flexibilität stellt einen Wettbewerbsvorteil für das IFA dar, da es im Vergleich zu anderen Forschungseinrichtungen wesentlich schneller auf forschungs- und entwicklungsrelevante Themen reagieren kann."

- Ing. Philipp Grassl, Sohatex GmbH

Die Aufgabe:

Entwicklung eines Motorenprüfstands für vielfältige Forschungs- und Entwicklungsaufgaben

Die Lösung:

Die im Rahmen dieses Projekts eingesetzten Hardware-Komponenten waren zwei CompactRIO: ein cRIO-9082 und ein cRIO-9155. Das System ist ausgelegt für den Betrieb von Motoren mit bis zu acht Zylindern. Ein High-Speed-CAN-Modul dient der Kommunikation mit Peripheriegeräten, externen Sensoren oder anderen Steuergeräten. Die Software-Architektur nutzt mehrere Ebenen: ein FPGA-Level, eine Real-Time-Ebene und den Host-PC.

Autor(en):

Ing. Philipp Grassl - Sohatex GmbH
Wolfgang Wagner - Sohatex GmbH

 

Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2016 des Technologie- und Anwenderkongresses „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ veröffentlicht.

 

Eingesetzte Produkte: LabVIEW, CompactRIO, FPGA und Real-Time-Technologie, High-Speed-CAN-Modul

Kurzfassung

Unter Zuhilfenahme des cRIO ECS-1408 hat die Sohatex GmbH am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA) der TU Wien einen Verbrennungsmotor in Betrieb genommen. Ein Betrieb dieses für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben genutzten Motors wäre ohne die eingesetzte Soft- und Hardware nicht möglich gewesen, da das vorhandene Steuergerät nicht ausreichend flexibel gestaltet war. Durch den erfolgreichen Abschluss dieses Projekts steht dem IFA nunmehr ein Motor zur Verfügung, der innovative und zukunftsweisende Forschungsprojekte ermöglicht.

 

Einleitung

In der Regel werden moderne Verbrennungsmotoren jeder Bauart mit sehr komplexen Motorsteuergeräten (Engine Control Units – ECU) betrieben, da an die ECUs für den Einsatz in der Großserie enorme Anforderungen gestellt werden. Beispielhaft sollen hier die Wegfahrsperre aus Sicherheitsgründen, On-Board-Diagnose-Systeme zur Fehlersuche und die Notwendigkeit der Sicherstellung zur Einhaltung der gesetzlichen Umweltauflagen erwähnt werden. Die zunehmende Komplexität heutiger Serien-ECUs kann durch die im Steuergerät hinterlegte Datenmenge veranschaulicht werden. Bild 1 zeigt deutlich, anhand des Verlaufs der in Steuergeräten eingebrachten Code-Zeilen über das letzte Jahrhundert, den starken Anstieg der Komplexität.

 

Für den Einsatz dieser Motoren für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben, sind die meisten der oben angeführten Anforderungen nicht erforderlich. Im Gegenteil, meist sind sie sogar hinderlich, um die Forschungs- beziehungsweise Entwicklungsaufgabe effizient erfüllen zu können. Um dieses Problem zu umgehen, bietet es sich für den F&E-Bereich an, ein sogenanntes Rapid-Control-Prototype-Steuergerät einzusetzen. Im Zuge des hier vorgestellten Projekts kommt eine Hardware-/Software-Kombination zum Einsatz, welche genau dieses Problem an der Wurzel packt. Dazu wird, aufbauend auf einer bestehenden Motorsteuerungshardware der Firma National Instruments (NI ECS), eine Software-Architektur entwickelt, die den Prüfstandbetrieb für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben ohne die oben genannten, oft zeitraubenden Schwierigkeiten ermöglicht. Die eingesetzte Hardware ist derart flexibel, dass sie für jegliche Motorbauarten einsetzbar ist. Die Aufgabe der Sohatex GmbH besteht darin, die Software-Architektur für die jeweiligen Aufgaben zu entwickeln und anzupassen.

 

Aufgaben einer ECU

Die ECU hat die Aufgabe, sämtliche Aktuatoren und Sensoren eines Verbrennungsmotors anzusteuern beziehungsweise auszulesen. Dabei durchläuft das System einen Kreislauf, der in Bild 2 schematisch dargestellt ist.

 

Auf Basis der Ansteuerung der Aktuatoren, wie zum Beispiel Einspritzventile und Zündkerzen sowie der Drosselklappe, resultiert eine Verbrennung innerhalb der Brennkammer. Mit Sensoren werden die Verbrennungseigenschaften sowie Umgebungsparameter erfasst und dienen zur Datenanalyse. Mithilfe von Berechnungen und der Erfassung der exakten Kurbelwellenposition in Echtzeit erfolgt über geeignete Regelstrategien eine angepasste Ansteuerung der Aktuatoren. Danach beginnt der Zyklus von neuem.

 

Eingesetzte Hardware

Der prinzipielle Aufbau eines Motorsteuergeräts ist in Bild 3 veranschaulicht.

 

Die Messwerte der Sensoren werden über Eingänge, meist vielpolige Steckverbindungen, der Signalverarbeitung zugeführt. Die Signalverarbeitung erfolgt meist in mehreren Zeitebenen, wie im folgenden Kapitel noch näher beschrieben wird. Neben einer obligaten Spannungsversorgung und üblichen Überwachungs- und Diagnosefunktionen sind vor allem die Ausgänge zur Ansteuerung der Aktuatoren von besonderem Interesse für die Motorenentwicklung. Die im Rahmen dieses Projekts eingesetzten Hardware-Komponenten waren zwei CompactRIO: ein cRIO-9082 und ein cRIO-9155. Das System ist ausgelegt für den Betrieb von Motoren mit bis zu acht Zylindern. Daher kommen vier Treiber für Direkteinspritz-Injektoren, zwei Treiber für Saugrohreinspritzventile, ein Modul zur Ansteuerung der Drosselklappe, ein Modul zur Auswertung der Lambdasonde und Zündmodule zum Einsatz. Weiters wird ein AD-Eingangsmodul, welches sowohl zur schnellen (Kurbelwellenposition) als auch zur langsameren Datenerfassung (Temperaturen und Drücke) und damit Auswertung der Sensoren verwendet. Ein High-Speed-CAN-Modul dient der Kommunikation mit Peripheriegeräten, externen Sensoren oder anderen Steuergeräten. Wie Bild 4 zeigt, ist das System modular aufgebaut; Erweiterungen oder Adaptierungen stellen daher kein Problem dar.

 

Software-Architektur

Wie bereits oben angedeutet, nutzt die hier eingesetzte Software-Architektur mehrere Ebenen. Auf dem FPGA-Level werden die Kurbelwellenposition, die Ansteuerung der zeitkritischen Aktuatoren (Injektoren, Zündkerzen etc.), schnelle Regelungsaufgaben, Sicherheitsfunktionen und die digitalen und automotiven IOs gemanagt. Eine Ebene darüber befindet sich die Real-Time-Ebene. In dieser finden, neben der Kommunikation mit dem FPGA, vor allem die viel langsameren Regelungen statt. Die Schnittstelle zum dritten Level, dem Host-PC, dient vor allem der Möglichkeit, Parameter während des Betriebs des Motors zu verstellen beziehungsweise die Messdaten über das User Interface zu visualisieren.

 

Zusammenfassung

Durch die Realisierung dieses Projekts steht dem Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA) der TU Wien nun ein Motorenprüfstand für vielfältige Forschungs- und Entwicklungsufgaben zur Verfügung. Die Untersuchung alternativer Aktuatoren (z. B.: Injektoren usw.) sowie der Einsatz unterschiedlicher Sensoren lässt sich so mit minimalem Aufwand realisieren. Die daraus resultierende zusätzliche Flexibilität stellt einen Wettbewerbsvorteil für das IFA dar, da es im Vergleich zu anderen Forschungseinrichtungen wesentlich schneller auf forschungs- und entwicklungsrelevante Themen reagieren kann.

 

Informationen zum Autor:

Ing. Philipp Grassl
Sohatex GmbH
Wien 1170
Austria
Tel: +43 (0)676 602 58 95
Fax: +43 (0)1 481 62 63 20
grassl@sohatex.com

Bild 1: Softwarebasierte eingebettete Systeme im Automobil
Bild 2: Schematische Darstellung des Arbeitsablaufs einer ECU
Bild 3: Schematischer Aufbau eines Motorsteuergeräts
Bild 4: NI cRIO ECS-1408: modulares Motorsteuergerät für den Einsatz im F&E-Bereich