8. Technologietag Automotive

Transkript

1 Echtzeitmodellierung eines elektrischen Modellfahrzeugs mit SimulationX und NI VeriStand Karsten Todtermuschke ITI GmbH T. Blochwitz, C. Schramm, T. Nähring

2 Motivation Hardware-in-the-Loop-Simulation (HiL) Virtuelle Testumgebung für Regler Vorhandensein der Regelstrecke ist nicht erforderlich Umfangreiche Möglichkeiten zur Fehlersuche Reproduzierbare Tests Motivation für ITI Softwareentwicklung und Ingenieurdienstleistungen, aber keine Hardware/Anlagen Möglichkeiten und Vorgehensweise können auch an diesem Beispiel gezeigt werden

3 Motivation Anforderung durch Echtzeitmodelle Rechenzeit pro Zeitschritt kleiner als Schrittweite Einschränkungen an Komplexität und Dynamik leistungsstarke Hardware Modellierungsaufwand? Genauigkeit? Komplexität? Demonstrator: Elektrisches Allrad-Modellfahrzeug

4 Agenda Aufbau des Demonstrators Echtzeitmodell Motor Batterie Kinematik der Achsen, Triebstrang, Lenkkinematik Dekodierung der Steuersignale Automatische Codegenerierung für NI VeriStand NI VeriStand, GUI, Animation Validierung des Modells Zusammenfassung

5 Demonstrator Elektrisch getriebener Allrad-Buggy Maßstab 1:10 Echtzeitmodell: Batterie, Motorsteuerung und Motor Triebstrang, Lenkung, Fahrzeugrahmen und Aufhängung Buggy und Echtzeitmodell werden mit derselben Funkfernsteuerung bedient Ziel: Echtzeitsimulationsmodell verhält sich wie Modellnachbau

6 Aufbau des Demonstrators Host-PC Echtzeitplattform I/O-Hardware RT CPU I/O Receiver NI VeriStand Konfiguration Echtzeit-GUI LabVIEW FPGA Programmierung SimulationX physikalische Modellierung Animation Echtzeit-PC LabVIEW RT Environment Fahrzeugmodell NI 7842R (FPGA) I/O für Empfänger (Motorsollgeschwindigkeit und Lenkwinkel) Umwandlung des Funksignals

7 SimulationX-Modell Gesamtansicht Vorderachse, Chassis, Lenkung Elektromotor Triebstrang Batterie Hinterachse

8 Motormodell Bürsten- und sensorloser Gleichstrommotor PWM der Spannungssteuerung arbeitet mit 8 khz Modellierung der PWM wäre zwar möglich aber nicht echtzeitfähig Mögliche Lösungen: Implementierung auf FPGA Vereinfachung des Modells: PWM idealer Transformator BL DC (3-Phasen) statisches Gleichstrommotormodell (2-Phasen) Schalten nur bei Fahrtrichtungswechsel

9 Batteriemodell Batterie: Lithium-Polymer-Akku mit 2400 mah Langzeitdynamik: Messung der Entladekennlinie Approximation durch einen Polynomansatz Ansatz für ladungsabhängige interne Spannungsquelle v Q : v Q Q Bat v Exp Exp Quelle: Olivier Tremblay, et al.: A Generic Battery Model for the Dynamic Simulation of Hybrid Electric Vehicles 0 v Q exp Q Bat vpolq Q Q Bat rot Simulation blau Messung

10 Batteriemodell Kurzzeitdynamik: Spannungscharakteristik bei Lastwechsel Dynamik und ohmsche Verluste werden durch ein lineares RC-Netzwerk mit zwei Widerständen (R1,R2) und einer Kapazität (C) abgebildet rot Simulation blau Messung

11 Kinematik der Achsen Modellierung des Fahrzeugrahmens und der 4-Radaufhängung als Mehrkörpermodell in SimulationX z. B. Doppeldreieckslenker der Vorderachse: wiederverwendbare Substruktur

12 Antriebstrang und Lenkkinematik 1D-Drehschwingungsmodell aus Standardbibliothekselementen Lenkkinematik als 3D- Mehrkörpersystem modelliert (Trägheiten, Geometrien und Gelenke) Zeitverhalten des Servomotors der Lenkung durch PT 1 -Glied (Grenzfrequenz experimentell ermittelt)

13 Dekodierung des Funksignals in LabVIEW Funkempfänger liefert PWM-Signal (f = 50 Hz, T = 1 2 ms) Signale werden mittels FPGA dekodiert und dienen als Eingangsgrößen für Motor- und Lenkungsmodell Generieren von Testsignalen ähnlich Empfängersignalen Dekodieren der Signale vom Funkempfänger

14 SimulationX-Modell: Gesamtansicht

15 Modellvereinfachung Das präsentierte Modell ist echtzeitfähig, aber verursacht auf der Echtzeitplattform eine CPU-Last von % Modellvereinfachungen wurden implementiert: Vereinfachung der Radaufhängung (keine Doppeldreieckslenker, sondern eine einfache lineare Federung der Räder) kein Mehrkörpermodell der Lenkung sondern Kennlinienvorgabe des Lenkwinkels CPU-Auslastung auf % reduziert

16 Modellansicht nach Vereinfachung

17 Vergleich zwischen komplexen und vereinfachten Modell komplexes Modell CPU-Auslastung % % Anzahl Zustände Anzahl Variablen Zeilen-C-Code Modellabtastrate (Kommunikationsschrittweite) 100 Hz 100 Hz Rechenschrittweite 1e-4 s 1e-4 s vereinfachtes Modell

18 Modellexport nach NI VeriStand Generierung der Modell-DLL mit dem Code-Export Assistent 1. Projekt 2. Eingänge 3. Ausgänge 4. Parameter 5. Codegenerierung 6. Kompilieren DLL

19 NI VeriStand Workspace NI VeriStand Workspace: FPGA-Programm zum Dekodieren des Fernbedienungssignals SimulationX-Modell des Fahrzeugs Signalzuordnungen

20 NI VeriStand und SimulationX als Benutzerschnittstelle NI VeriStand GUI zur Simulationssteuerung und Ergebnisdarstellung SimulationX 3D-Online-Visualisierung

21 Validierung Gewinnung von Vergleichsdaten durch Testfahrten auf definierten Bahnen: Aufzeichnung der Fahrten mittels Videokamera Keine Positionserfassung des Fahrzeuges Streckenmarken zur Bestimmung der Positionen aus dem Video Zyklusgenaue Erfassung der Fernsteuersignale mit VeriStand

22 Validierung Beschleunigungsfahrt Beschleunigung des Fahrzeugs bei Geradeausfahrt Vergleich der Zeitpunkte, an denen eine Markierung erreicht wird Modelleingang: Daten der Fernbedienung Markierungen Ausgang: Geschwindigkeit des Fahrzeugs gute Übereinstimmung zwischen Messung (rot) und Modell (blau)

23 Validierung Kurvenfahrt Fahrt mit maximalem Lenkwinkel Übereinstimmung noch nicht ausreichend (z. B. Schlupfverhalten der Reifen, Driftverhalten Fahrzeug) Markierungen

24 Applikationen HiL-Verbundprüfstand realisiert durch ITI Engineering und einen Partner: Vollständiges SimulationX-Modell eines Geländefahrzeuges Motor, Getriebe, Differentialsperren ABS, Reifenluftdruckregelanlage Verbindung zu 6 Steuergeräten, ca. 150 elektrische Signale, CAN Testautomatisierung SimulationX-Anwender erstellen Komponenten-HiL-Systeme, z. B. für Baumaschinen

25 Zusammenfassung Echtzeitmodellierung eines elektrischen Modellfahrzeugs Abbildung verschiedener Fahrzeugkomponenten mit Standardbibliothekselementen in SimulationX Echtzeitanforderung Notwendigkeit zur Vereinfachung einzelner Modelle und/oder Implementierung auf FPGA Modellexport nach NI VeriStand Simulationssteuerung und Visualisierung mit NI VeriStand & SimulationX (Animation)

26 Kaffeepause & Ausstellung