Fehlertolerante mechatronische Aktorsysteme mit Realisierung einer elektrischen Duplex-Servolenkung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieser Arbeit war die Bildung und Untersuchung der Fehlertoleranz von Aktorsystemen am Beispiel eines Duplex-EPS-Systems. Hieraus ist ein modularer Ansatz für das Erkennen und Tolerieren von Sensor- und Aktorfehlern entstanden, der es ermöglicht, dass das sicherheitskritische System EPS die aktuelle Anforderung von Sicherheitsrichtlinien wie z.B. der ISO 26262 erfüllen kann. Dies ist die Voraussetzung für die Vermeidung von Unfällen durch Systemversagen und ebnet den Weg für zukünftige Entwicklungsziele, wie dem hochautomatisierten Fahren, bei dem das System stets fail-operational sein muss. Die Betrachtung der Systemstruktur ergab ein Aktorsystem mit einer minimalen Anzahl an Hardwareredundanzen und maximaler Fehlertoleranz. Es wurde ein Konzept vorgestellt, das aus dem Duplex-Aktor im „hot standby“ Betrieb für überlagerte Regelfunktionen einen fehlertoleranten virtuellen Aktor macht. Durch die Nutzung eines Modells für alle Aufgaben des Fehlermanagementsystems ergibt sich ein recheneffizientes und konsistentes Fehlermanagementsystem. Die Auswirkungen eines Ausfalls im Duplex-Aktorsystem während des Fahrbetriebs wurden am hierfür aufgebauten Duplex-EPS-Prüfstand untersucht. Dieser wurde um einen Lastaktor erweitert, der mit Hilfe der Fahrdynamik-Simulation ASM die Zahnstangenkräfte nachbilden kann. Es wurde untersucht, ob der Aktorausfall am Lenkrad zu spüren ist. Während des Doppelspurwechsels war der Ausfall stärker spürbar als bei der stationären Kreisfahrt. Der Ruck ergibt sich aus der Momentenlücke zwischen Fehlereintritt und Rekonfiguration. Um diesen zu minimieren, bedarf es einer möglichst schnellen Fehlererkennung und einem passiv wie auch aktiv fehlertoleranten System. Eine schnelle und robuste Fehlererkennung und -diagnose wurde aufgebaut, die bereits bei kleinen Strömen, Geschwindigkeiten und Fehlergrößen zuverlässig Fehler erkennt. Es wurden aktive und passive Fehlertoleranzstrategien erarbeitet. Bei den Aktorfehlern wurde betrachtet, inwieweit Fehler allein durch die Adaption der Stromregelung toleriert werden können und ab wann eine Aktorredundanz erforderlich ist. Für die Strom- und Positionssensorfehler wurde ein Extended Kalman-Filter entwickelt, das es ermöglicht eines der Sensorsignale im Fehlerfall zu rekonstruieren. Dabei funktioniert der Schätzer im kompletten Geschwindigkeitsbereich bis zum Stillstand und das im Gegensatz zu andern Methoden ohne das Einsetzen von Testsignalen auf der Stellgröße. Für die Aktorfehler wurde eine IMC-Stromregelung entwickelt, die den Vorteil der einfachen Adaptierbarkeit besitzt. Über eine RLS-Schätzung konnten die aufgetretenen Fehler in ihrer Stärke bestimmt und die Reglerparameter entsprechend angepasst werden. Die IMC-Struktur geht durch Auftrennung der Rückführung in eine Steuerung über, wodurch Stromsensorfehler toleriert werden können. Für ein Duplex-Aktorsystem lässt sich der IMC-Stromregler-Ansatz leicht zu einer Verkopplungsregelung erweitern, welche, wie gezeigt wurde, die Eigenschaft besitzt, passiv fehlertolerant zu sein. Im Anschluss kann das System rekonfiguriert werden, um die Regelgüte weiter zu verbessern. Durch die passive Fehlertoleranz konnte auf eine Umschaltstrategie zwischen den Aktoren verzichtet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Einstellbare Verkopplungsregelung für ein Duplex-Aktorsystem einer achsparallelen elektrischen Servolenkung (EPS). In: Diagnose in mechatronischen Fahrzeugsystemen IX. Neue Verfahren für Test, Prüfung und Diagnose von E/E-Systemen im Kfz. Hrsg. von Bäker , B. und A. Unger. TUDpress, Dresden, 2015. ISBN : 978-3-95908-006-4
Kessler, P
- Model-based fault diagnosis of an EPS system. In: IQPC 9th Annual Conference Steering Systems. November, 2015
Kessler, P
- P Fault-tolerant strategies for an EPS. In: IQPC 10th International Steering Systems. November. Berlin, 2016
Kessler, P
- Sensor-fault tolerance of an electric power steering. In: IQPC 11th International Conference Steering Systems 2017. November, 2017
Kessler, P
- Sensor fault-tolerance for the actuator of an electric power steering system. In: 18th Stuttgart International Symposium Automotive and Engine Technology. Bd. 1. März, S. 745–759, 2018
Kessler, P Und R. Isermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-658-21194-3_57)
