Entwicklung eines fehlertoleranten Antriebssystems
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Viele technische Produkte erfahren eine zunehmende Integration der enthaltenden Aktoren, Sensoren und Prozesselektronik mit Informationsverarbeitung. So entwickeln sich überwiegend mechanische Prozesse zu mechatronischen Systemen, die einen gestiegenen Funktionsumfang bieten. Aufgrund der höheren Komplexität mechatronischer gegenüber rein mechanischer Systeme müssen häufig zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um die gewohnte Zuverlässigkeit und Sicherheit zu erhalten oder sogar zu verbessern. Aufbauend auf eine echtzeitfähige Fehlererkennung kann eine höhere Verfügbarkeit des als Beispiel betrachteten Antriebssystems durch den Einbau von Fehlertoleranz erreicht werden. Dazu ist das System redundant auszulegen, so dass bei Ausfall einzelner Komponenten oder eines ganzen elektrischen Antriebs die volle Funktionalität weiter gewährleistet werden kann. Zur Darstellung von fehlertoleranten Antriebssystemen wurde ein Prüfstand mit zwei asynchronen Antriebseinheiten aufgebaut. Ein übergeordnetes Echtzeit-Prototyping-System übernimmt die Regelung und Überwachung der elektrischen Antriebe, sowie das Fehlermanagement, einschließlich der elektrischen Umschaltung. Die mechanische Umschaltung der Antriebe mittels elektromechanischer Kupplungen wird ausgehend vom Managementsystem von einem Mikrocontroller- Leistungsmodul ausgeführt. Ziel ist es, die Last trotz sich anbahnender Fehler mit einer gleich bleibenden Antriebsqualität versorgen zu können. Neben einer schnellen Fehlererkennung der Antriebe ist eine schnelle Umschaltung der aktiven Antriebsquelle von elementarer Bedeutung. Die Ansprechzeiten der elektromechanischen Kupplungen sind aber gegenüber den Asynchronmotoren wesentlich langsamer, weshalb ein spezielles Steuerungskonzept für die Kupplungen verwirklicht wurde. Durch das dafür entwickelte Mikrocontrollermodul mit angegliedertem Leistungsmodul wird gegenüber der normalen Anschaltzeit von 140 ms eine mehrfach kürzere Anschaltzeit der Kupplungen von 30 ms erreicht, die damit direkt die benötigte Umschaltzeitdauer bei einem schnellen Umschaltvorgang weiter verkürzt. Darüber hinaus wird ebenfalls durch den Einsatz des Mikrocontrollermoduls auch ein sanftes kontinuierliches Umschalten der beiden Antriebsquelle n mittels Pulsweitenmodulation der Kupplungsspannung ermöglicht, so dass die Last auch bei einem planmäßigen Antriebsquellenwechsel im fehlerfreien Fall möglichst keine Veränderungen des Drehmoments und der Drehzahl erfährt. Bisher wurde während dynamischer Drehzahlanregung des Systems eine schnelle Umschaltung der Antriebsquellen in 70 ms mit einer während des Umschaltvorgangs maximalen Drehzahlveränderung von unter einem Prozent erreicht. Zusätzlich in das Mikrocontrollermodul integriert sind eine Funktionsprüfung und Fehlererkennung der Kupplungen und deren Ansteuerelektronik, so dass auch diese potentiellen Fehlerquellen von dem Managementsystem überwacht werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Fehlertoleranz an einem redundanten Asynchronmotoren- Antriebssystem", SPS/IPC/DRIVES 2004 (2S.-25. November 2004, Nürnberg)
Reuß, J.; Isermann, R.
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"Fehlertolerante mechatronische Systeme", VDl-Tagung 2005
Isermann, R.:
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"Fault-Diagnosis Systems", Springer-Verlag 2006
Isermann, R.:
