Hardware-in-the-Loop-Umgebung zur mehrdimensionalen Achsprüfung und Fahrwerksauslegung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei einer HiL-Simulation wird das zu untersuchende Gesamtsystem in ein Prüflings- und ein Restsystemteil zerteilt. Der Prüfling wird in einem Labor aufgebaut. Vom Restsystem wird ein Modell auf einem Echtzeitrechner simuliert. Die beiden Teilsysteme werden miteinander gekoppelt, dann können Versuche am Gesamtsystem durchgeführt werden, ohne dass dieses real vorhanden sein muss. Daraus ergeben sich Vorteile im Entwicklungsprozess mechatronischer Systeme. Die Methode ist insbesondere im Bereich der Steuergeräteentwicklung von Automobilen bereits Stand der Technik. Hier werden Signale zwischen Steuergerät und Restsystem ausgetauscht. Bei der Prüfung mechatronischer Systeme erfolgt die Kopplung durch Kräfte/Momente. Für mechanische Teilkomponenten eines Fahrwerks wurden bereits Prüfstände entwickelt und in der Literatur präsentiert. Es gibt jedoch keine HiL-Prüfstände für gesamte Fahrzeugachsen. Diese Lücke sollte im Rahmen dieses Vorhabens geschlossen werden. Als Anwendungsbeispiel wurde zunächst eine Fahrzeugachse mit aktiver Wankstabilisierung in eine HiL-Simulation integriert. Das resultierende Restfahrzeugmodell besteht aus einem räumlichen Zweispurmodell mit 36 Zuständen und stellt einen guten Kompromiss aus Genauigkeit und Recheneffizienz dar. Die im Prüfstand verbaute passive Fahrzeugachse wurde um einen hydraulischen Linearaktor ergänzt als Nachbildung für einen aktiven Wankstabilisator. Es wurde ein mehrstufiges Vorgehensmodell zum Entwurf von HiL-Simulationen entwickelt, welches sicherstellt, dass die resultierende HiL-Simulation das gewünschte Zielsystem (reale Fahrversuche oder Simulation eines hochdetaillierten Fahrzeugmodells) genügend genau abbildet. Die Kopplung (Synchronisierung) der realen und virtuellen Teilsysteme erfolgt über Aktoren, die den Zustand des Restfahrzeugmodells auf den Prüfling einprägen, und Sensoren, die den Zustand des Prüflings auf das Restfahrzeugmodell zurückkoppeln. Die geeignete Wahl der Synchronisierungsvriablen ist entscheidend dafür, dass der HiL-Regelkreis stabil ist. Im Rahmen des Vorhabens wurde die bestehende hybride Kraft-/Positionsregelung zu einer hybriden indirekten Kraftregelung erweitert. Damit können vier Regelmodi realisiert werden: indirekte Admittanz- und Impedanzregelung sowie direkte Kraft- und Positionsregelung. Die Auswahl der Regelmodi erfolgt in Abhängigkeit von der Steifigkeit im jeweiligen Aktorfreiheitsgrad. Die HiL-Simulation der Fahrzeugachse mit aktiver Wankstabilisierung wurde um eine aktive Lenkung erweitert. Dazu wurde ein Lenkmotor im Prüfstand verbaut, welcher Lenkwinkeleingaben des Fahrermodells auf das Lenkgestänge der Fahrzeugachse übertragen konnte. Es ergab sich eine HiL-Simulation, bei welcher die Freiheitsgrade des Hexapodens mit vier unterschiedlichen, anforderungsgerechten Regelmodi geregelt wurden. Die Ergebnisse, welche mit den im Vorgehensmodell definierten Entwurfsschritten erzielt wurden, zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Benchmarksystem, sodass die Machbarkeit nachgewiesen werden konnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Observerbased nonlinear control strategies for Hardware-in-the-Loop simulations of multiaxial suspension test rigs. Mechatronics, (2018), Nr. 50, 212–224
Olma, S.; Kohlstedt, A.; Traphöner, P.; Jäker, K.-P.; Trächtler, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2017.10.007) - Hardware-in-the-Loop Simulation for a Multiaxial Suspension Test Rig with a Nonlinear Spatial Vehicle Dynamics Model. 8th IFAC Symposium on Mechatronic Systems. Vienna, 2019
Traphöner, P.; Olma, S.; Kohlstedt, A.; Fast, N.; Jäker, K.-P.; Trächtler, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2019.11.659) - Hardware-inthe-Loop-Simulation einer Fahrzeugachse mit aktiver Wankstabilisierung mithilfe eines hydraulischen Hexapoden. VDI/VDE-Tagung MECHATRONIK. Paderborn, 2019
Traphöner, P.; Kohlstedt, A.; Olma, S.; Jäker, K.-P.; Trächtler, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.17619/UNIPB/1-778)
