Praktikum Fahrzeugmechatronik. Versuch: Motor- / Getriebesteuerung

Transkript

1 Praktikum Fahrzeugmechatronik Versuch: Motor- / Getriebesteuerung - 2 -

2 Allgemeines Im Laufe der Zeit hat sich die Steuerung eines Verbrennungsmotors zu einer immer aufwendigeren Aufgabe entwickelt. Die früher rein mechanischen Systeme waren den Vorschriften der aufkommenden Abgasgesetzgebung und der Forderung nach einem möglichst niedrigen Verbrauch, nicht gewachsen. Schritt für Schritt wurden deshalb die rein mechanischen Systeme durch mechatronische Systeme ersetzt. Zudem ist das Motorsteuergerät heute oft über den CAN-Bus mit weiteren Steuergeräten, wie z.b. Getriebesteuerung, ABS, ESP, Kombiinstrument und Klimaanlage vernetzt. Inzwischen werden zur Steuerung eines Verbrennungsmotors eine Vielzahl an Sensoren und Aktoren eingesetzt. Eine wichtige Aufgabe der Motorsteuerung ist hier die Prüfung auf korrekte Funktion der Systemkomponenten. Die Motorsteuerung weist gegenüber anderen Steuergeräten die Besonderheit auf, dass die darauf zyklisch ablaufenden Programme nicht nur zu festen Zeitintervallen ablaufen, sondern parallel dazu auch synchron zur Motordrehzahl, z.b. zur Berechnung des Zündzeitpunkts. Echtzeitsysteme dieses Typs nennt man ereignisgesteuert. Bei der Ereignissteuerung wird auf ein von außen kommendes Ereignis (z.b. das Signal eins Zündimpulsgebers) mittels Interrupt schnellstmöglich reagiert, d. h. eine Verarbeitung gestartet. Gegebenenfalls wird eine gerade laufende Verarbeitung dabei unterbrochen. Die Ereignissteuerung hat den Vorteil, dass sie mit sehr geringem Zeitverlust auf das Ereignis reagiert. Versuchsziel In der Vorlesung Mechatronische Systemtechnik im KFZ haben Sie bereits Mechanismen zu Softwareentwicklung kennen gelernt. Dieses Wissen wird im Praktikum anhand eines Versuches angewendet wo es um Rapid Software Prototyping geht

3 Erklärung der Versuchskomponenten Formel-BMW-Junior-Rennwagen Motor Der Motor des Rennfahrzeugs stammt aus einer BMW K 1100 LT, einem zwischen 1991 und 1998 angebotenen Touren-Motorrad. Das besondere an dem 4-Zylinder Motor ist, dass er längs liegend eingebaut wurde. Dies brachte dem Motorrad die Bezeichnung Flying Brick ein, da das Aussehen des liegenden Motors bei schneller Vorbeifahrt und Betrachtungsweise an einen "fliegenden Ziegelstein" erinnert. Das sequentielle Getriebe Das Getriebe des Formel Junior Fahrzeuges ist ein sequentielles 5-Gang-Getriebe. Dies bedeutet, dass lediglich in einer Reihenfolge oder geschaltet werden kann, d.h. es können keine Gänge übersprungen werden mit Ausnahme des Leerlaufes

4 MicroAutoBox Die MicroAutoBox ist die Hardware auf der das Programm der selbst entwickelt Motorsteuerung läuft. Die MicroAutoBox ist ein Produkt des deutschen Unternehmens dspace. Als kompakte, eigenständige Prototyping-Einheit ist die MicroAutoBox zum Einsatz direkt im Fahrzeug ausgelegt. Die Spannungsversorgung kann über das Bordnetz erfolgen. Abbildung: MicroAutoBox Die Übertragung des Programmcodes auf die MicroAutoBox erfolgt über einen PC. Auch das Experimentieren geschieht mit dem PC, über das Programm ControlDesk. Abbildung: Link Board DS815 Die Verbindung zwischen dem PC und der MicroAutoBox wird über eine PC-Card mit der Bezeichnung DS815 hergestellt. Dieses Link Board wird in die entsprechende Schnittstelle des PCs oder eines Notebooks gesteckt. Das mitgelieferte crossed-over Patchkabel wird mit Hilfe eines Adapterkabels mit dem Link Board und dem Host-PC-Eingang der MicroAutoBox verbunden (Dieser befindet sich am Cockpitdisplay). Das aufleuchten einer gelben LED am Adapterkabel zeigt eine vorhandene Verbindung an, die grüne LED blinkt während der Datenübertragung. Abbildung: Link Board Adapterkabel - 5 -

5 Simulink Die Software die auf der MicroAutoBox läuft, wurde Simulink erstellt. Simulink ist ein Zusatzprodukt zu MATLAB und benötigt dieses zur Ausführung. MATLAB ist eine Software zur Lösung mathematischer Probleme und zur grafischen Darstellung der Ergebnisse. MATLAB ist primär für numerische Berechnungen mithilfe von Matrizen ausgelegt, woher sich auch der Name ableitet: MATrix LABoratory. In Simulink kann dank der graphischen Bedienoberfläche das betrachtete System in eine übersichtliche Form eines Signalflussplans, bestehend aus verknüpften Funktionsblöcken, gebracht werden. In der Bibliothek von Simulink befindet sich eine große Anzahl von vorgefertigten Funktionsblöcken. Es können zudem auch eigene Blöcke erstellt werden. Der Datenfluss zwischen den Blöcken wird grafisch über Verbindungslinien realisiert Abbildung: Matlab Programmfenster WICHTIG: Sie arbeiten im Versuch mit dem Steuerungsprogramm eines Rennwagens. Unkontrolliertes Verändern von Parameter oder das Löschen ganzer Steuerungsblöcke führt schnell Motorschäden! Arbeiten Sie deshalb nur an denen im Vorlesungsskript beschriebenen, speziell für den Versuch angelegten Versuchsblöcken

6 Aufbau des Simulink-Modells Die oberste Ebene des Modelles ist in zwei Ebenen unterteilt. Zum einen die Motorsteuerung [1] und in die Getriebesteuerung [2]. Beides sind eigenständige Steuerungen die untereinander wie hier im Beispiel nur die Daten: Drosselklappenwinkel, Drehzahl, den Aktuell eingelegt Gang sowie die Zündunterbrechung. 1 2 Abbildung 1: Steuerung Hauptebene In Abbildung 3 ist die Motorsteuerung geöffnet, dies geschieht mittels Doppelklick auf das jeweilige System. Die Motorsteuerung gliedert sich in drei Hauptgruppen welche über From- Goto-Blöcke miteinander Verbunden sind. Dies ist in Abbildung 2 beispielhaft für den Lambda Status und die Batteriespannung zu sehen. Abbildung 2: From - Goto Blöcke - 7 -

7 Abbildung 3: Übersicht Motorsteuerung - 8 -

8 Input Hier werden die Signale der Sensoren eingelesen, einem Steckplatz der MicroAutoBox zugewiesen und aufbereitet. Desweiteren werden Werte wie die Drehzahl aus den Signalen andere Sensoren errechnet. Processing Hier findet die eigentliche Steuerung des Motors statt. Einspritzkennfelder, Zündzeitpunkte, Zündwinkel, Lambdaregelung, Einspritzregelung, etc. Output Gibt die Daten aus der MicroAutoBox welche erzeugt oder verarbeite wurden wieder an der Fahrzeug, beziehungsweise das Cockpitdisplay aus. Editieren des Simulink-Modells Abbildung 4 zeigt die Toolbar in Simulink. Um wieder eine Ebene nach oben in der Hierarchie zu gelangen drückt man auch den Pfeil nach oben [1]. Um Bausteine wie Konstante 1 einzufügen, öffnet man den Simulink Libary Browser [2] Pfad der aktuellen Ebene im Simulink- Modell Abbildung 4: Toolbar 1 2 In diesem Browser werden sind alle zur Verfügung stehenden Operationen aufgelistet. Diese werden mittels Drag n Drop in die Bedienoberfläche gezogen. (Abbildung 5) - 9 -

9 Abbildung 5: Verwenden des Simulink Libary Browsers Über einen Doppelklick auf den jeweiligen Operationsbaustein kann dieser genau definiert werden. So kann zum Beispiel aus einem AND-Baustein über umstellen der Bausteineigenschaften ein OR- Baustein erzeugt werden. Die Bausteine werden untereinander über ziehen von Pfeilen verbunden. Abbildung 6: Verbindungen einzelner Bausteine Konstanten können später in ControlDesk als Eingabeelemente verwendet werden

10 ControlDesk ControlDesk ist eine Test- und Experiment-Software der Firma dspace. Mit dieser Software lassen sich die Parameter des auf der MicroAutoBox laufenden Programms visualisieren und editieren. Plattformmanager Der Plattformmanager dient zur Verwaltung der MicroAutoBox. Er befindet sich im Reiter Plattform des ControlDesk Tool Windows. F ds1401 Abbildung: ControlDesk Plattformmanager Die Abbildung zeigt, dass im Augenblick eine Verbindung zur MicroAutoBox besteht. Dies ist am Eintrag ds1401 im Plattformmanager zu erkennen. Ist die MicroAutoBox eingeschaltet und an den PC angeschlossen, wird die Verbindung beim Starten von ControlDesk automatisch hergestellt. Wird die MicroAutoBox erst nachträglich an den PC angeschlossen, lässt sich die Verbindung durch den Menüpunkt Platform > Initialization > Refresh Platform Connection herstellen. Der grüne Pfeil neben

11 dem Eintrag ds1401 signalisiert, dass auf der MicroAutoBox ein Programm gestartet ist. Der rote Buchstabe F zeigt an, dass das laufende Programm aus dem Flash-Speicher geladen wurde. 4. drag 'n' drop 2 1 Abbildung: Laden einer Applikation 3 Möchte man ein Programm welches zuvor von Matlab kompiliert wurde in den flüchtigen Speicher der MicroAutoBox laden, wird im File Selector [1] das entsprechende Verzeichnis [2] ausgewählt. Anschließend wird per Drag'n'Drop die.sdf-datei [3] auf die Plattformbezeichnung ds1401 [4] gezogen. Ist das Programm geladen, erscheint unten neben dem Reiter File Selector der Modellbaum. Wird die MicroAutoBox von der Spannungsversorgung getrennt, geht das Programm im flüchtigen Speicher verloren und muss erneut geladen werden

12 Experimentierumgebung Wird ein Programm auf die MicroAutoBox geladen, öffnet sich der dazugehörige Modellbaum, hier sind unter Model Root alle Blöcke des Simulink-Modells hierarchisch aufgelistet und wiederzufinden. Modellbaum Abbildung: Modellbaum Wird ein Block im Modellbaum ausgewählt, werden im nebenstehenden Fenster die blockspezifischen Variablen aufgelistet. Um sich die Variablen anzeigen zulassen bzw. diese zu bearbeiten, können diese einfach per Maus auf ein zuvor erstelltes, virtuelles Anzeigeinstrument gezogen werden. Zur Platzierung der Instrumente muss ein entsprechendes Panel geöffnet werden. Dies geschieht über die Schaltfläche New Layout. Es ist möglich gleichzeitig mehrere Panels zu benutzen Abbildung: Blockparameter

13 1 2 3 Abbildung: Bearbeitungsmodi ControlDesk bietet drei Modi der Darstellung, den Bearbeitungsmodus, Edit Mode (1) in welchem Layouts über die Instrumenten Leiste erstellt und entworfen werden können. Als zweiten Modus den Test Modus, Test Mode. In diesem Modus ist es möglich das im Edit Mode erstellte Layout auf Funktionalität zu testen, ohne dabei Werte der Steuerung zu ändern. Im Animationsmodus, Animation Mode (3) werden in Echtzeit die zuvor angelegten Anzeigeinstrumente mit den verknüpften Variablen dargestellt und aktualisiert. Hier werden Änderungen an Parameter direkt in die Steuerung auf der MicroAutoBox übertragen. Es steht eine Vielzahl an Instrumenten für die unterschiedlichsten Aufgaben zu Verfügung. Diese können über den Instrument Selector ausgewählt und auf einem Panel angeordnet werden. Dieser öffnet sich im Edit - Modus Ist das gewünschte Layout aufgebaut, kann mit der Applikationsarbeit begonnen werden. Dazu muss ControlDesk durch Drücken der entsprechenden Schaltfläche in den Animation Mode gebracht werden. Abbildung: Messung mit ControlDesk

14 Versuchsdurchführung Bitte lesen Sie zuerst die vorstehende Versuchsbeschreibung gründlich durch. erster Teil: Arbeiten mit den Programmen Simulink und ControlDesk Öffnen Sie die Verknüpfung "Motorsteuerung.mdl" im Ordner Praktikumsversuch auf der D-Partition des Versuchslaptop und wählen Sie gegebenenfalls bei Aufforderung RTI1401 aus. Das Simulink-Modell wird nun in Matlab geladen. a) Ermitteln Sie mithilfe des Simulink-Modells die Variablen welche in der Tabelle stehen und notieren Sie sich zu diesen Variablen den jeweiligen Pfad des Goto-Blockes (Orangener Block). Dieser Pfad ist beispielhaft auf Seite 9 zu sehen. Batteriespannung: U_bat Drosselklappenwinkel: throttle_angle Einspritzsignal für Zylinder 1: Injektion_signal_cylinder1 Schaltbestätigung hoch: hochschalten_ok Schaltbestätigung runter: runterschalten_ok Das Gangsignal: gear b) Schließen Sie nun die MicroAutoBox an den Versuchslaptop wie auf Seite 5 beschrieben an und starten Sie das Programm "ControlDesk" über die Verknüpfung im Versuchsordner. Vor dem Starten müssen zwei grünen USB-Dongel an den Laptop angeschlossen sein. Die MicroAutoBox müsste nun unter Plattform als DS1404 angezeigt werden. Ist dies nicht der Fall kontrollieren Sie ob die MicroAutoBox über das 12V Bordnetz des Rennwagens versorgt wird. Beispiel auf Seite

15 c) Laden Sie nun in ControlDesk aus dem FileSelector die Datei Motorsteuerung.sdf welche sich im Versuchsordner/Model befindet, per Drag 'n' Drop in die MicroAutoBox. Laden der Motorsteuerung wird auf Seite 12 beschrieben. d) Erstellen Sie sich ein neues Layout über File/New/Layout in ControlDesk. Auf der rechten Seite erscheint nun die Instrumentenbar in welcher die Anzeigeinstrumente für die in a) ausgewählten Variablen stehen. Wählen Sie die entsprechenden Anzeigeinstrumente und lassen sie sich die Wert aus a) anzeigen (Beispiel auf Seite 13). Über einmaliges anklicken der Instrumente und ziehen von Fenster auf dem Layout, werden diese erstellt. zweiter Teil: Arbeiten mit dem Simulink-Modell a) Betrachten Sie das Cockpitdisplay, Sie werden Feststellen das die Kühlwassertemperatur sowie die Lufttemperatur nicht angezeigt werden. Hierbei handelt es sich um einen Fehler im Simulink-Modell. b) Laden Sie aus dem Versuchsordner/Layout das Layout: temperaturverlauf.lay. Sie sehen verschiedene Anzeigen der Wasser- und Lufttemperaturen zu verschiedenen Stadien im Simulink-Modell, welche sich nicht oder nur Teilweise im Anamationsmodus aktualisieren. Ist eine Anzeige im Edit-Mode rot umrandet, so heißt dies das es kein Bezug mehr Zum Simulink-Modell vorhanden ist. c) Betrachten Sie sich zunächst nur das Subsystem INPUT im Simulink-Modell und verfolgen beide Signale vom ersten Eingang aus komplett durch alle Subsysteme und ändern diese gegebenenfalls. d) Haben Sie eine Änderung im Simulink-Modell INPUT vorgenommen muss Matlab das Modell neu erzeugen. Drücken Sie hierzu die Tastenkombination "Strg + B". Matlab überschriebt nun den alten Programmstand und lädt bei vorhandener Verbindung zur MicroAutoBox dieses direkt auf die MicroAutoBox. e) Diagnose: Werden die fehlenden Werte nun Angezeigt (ControlDesk und Display) oder bestehen weiterhin Fehler im Programm? Wiederhohlen Sie diesen Schritt bis beide Werte angezeigt werden. (Subsystem OUTPUT)

16 dritter Teil: Applizieren in Real-Time mithilfe von ControlDesk In dem folgenden Versuch werden Sie anhand des laufenden Fahrzeuges die Zündunterbrechung für die Gänge applizieren. a) Öffnen Sie nun das im Versuchsorder abgelegt Layout Schaltabstimmung.lay. Sie sehen eine Oberfläche zur Applikation der Zündunterbrechung (Seite 17) b) Vergewissern Sie sich, dass das Fahrzeug auf dem Rollenprüfstand verspannt ist, sowie die Lüftung ordnungsgemäß angeschaltet ist. Vor dem Starten des Motors muss ein Labormitarbeiter/Betreuer das Fahrzeug abnehmen! c) Sprechen Sie mit einem Betreuer das Schaltlayout durch und lassen sie sich die einzelnen Instrumente erklären. Applizieren Sie mit Hilfe des Betreuers die Zündunterbrechung für die Gänge so, dass ein vorläufiges schalten der Gänge 1-5 möglich ist. Blinkt im Schaltlayout die Öldruck-LED, so hat die Software einen zu geringen Öldruck während des Startvorganges detektiert und selbstständig die Einspritzung und Zündung am Fahrzeug dauerhaft abgestellt. Um aus diesem Zustand zu kommen muss die Motorsteuerung.sdf Datei erneut geladen werden

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