Echtzeitmodellierung und Simulation von Elektrofahrzeugen

Transkript

1 Echtzeitmodellierung und Simulation von Elektrofahrzeugen Aufbau eines Demonstrators mit NI VeriStand und SimulationX zur Abbildung eines elektrisch betriebenen Allrad-Buggy Torsten Blochwitz, Jens Schindler ITI GmbH Firmenlogo

2 Inhalt Einleitung und Motivation Aufbau des Demonstrators Echtzeitmodell des Allrad-Buggys Antriebsmotor Batterie & Servomotor (Lenkung) Achskinematik, Triebstrang, Lenkkinematik Funkempfänger Automatische Codegenerierung für NI VeriStand Bedienschnittstelle Zusammenfassung

3 Einleitung NI HiL Demonstrator 1:10 Modellnachbau eines funkferngesteurten, elektrisch angetriebenen Allrad-Buggys Echtzeitsimulation des Elektrofahrzeugs Antriebsstrang, Elektromotor, Batterie, Regelung, Lenkung Buggy und Echtzeitmodell werden mit der selben Fernbedienung gesteuert. Ziel: Echtzeitsimulationsmodell verhält sich wie Modellnachbau

4 Motivation Motivation für HiL Test eines Reglers oder einer Steuerung an einem Modell der (meist noch nicht vorhandenen) Anlage (Regelstrecke) Vorhandensein der Regelstrecke ist nicht erforderlich Risiko der Beschädigung der Anlage durch fehlerhafte Programme minimieren Umfangreiche Möglichkeiten zur Fehlersuche Verkürzung der Inbetriebnahmezeit

5 Motivation Motivation für ITI Softwareentwicklung und Ingenieurdienstleistungen aber keine Hardware/Anlagen Möglichkeiten und Vorgehensweise können auch an diesem Beispiel gezeigt werden

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

7 SimulationX-Model Überblick Vorderachse, Chassis, Lenkung Elektromotor Triebstrang Batterie Hinterachse

8 Motormodell Motor ist ein 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 der Modelle: PWM idealer Transformator BL DC (3-Phasen) statisches Gleichstrommotormodell (2-Phasen) Schalten nur bei Fahrtrichtungswechsel

9 Batteriemodell und Lenkungsmodell Batterie: LiPo Akku mit 2400 mah Echtezeitfähiges Modell mit Entladezustand (SOD), innerem Widerstand und Entladekennlinie Dynamisches Verhalten des Servomotors (Lenkung) durch PT1-Glied nachgebildet Grenzfrequenz (~1,5 Hz) wurde experimentell bestimmt

10 Kinematik der Achse Modellierung des Fahrzeugrahmens und der 4 Radaufhängungen als Mehrkörpermodell in SimulationX z.b.: Doppeldreieckslenker der Vorderachse: SimulationX Compounds = nutzerdefinierte, wiederverwendbare Teilmodelle als Substruktur

11 Antriebstrang und Lenkkinematik Triebstrang als 1-D Dreh(schwingungs)system modelliert Nutzung vorhandener Bibliothekselemente, wie Differenzialgetriebe und Übersetzung Lenkkinematik als 3D- Mehrkörpersystem modelliert (Trägheiten, Geometrien und Gelenke)

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

13 SimulationX-Model Überblick Vorderachse, Chassis, Lenkung Elektromotor Triebstrang Batterie Hinterachse

14 Modellexport für NI VeriStand Erzeugung einer.dll-datei in sechs einfachen Schritten mit dem SimulationX Code-Export Assistent 1. Projekt Art 2. Modell Eingänge 3. Modell Ausgänge 4. Modell Parameter 5. Code Erzeugung 6. Erstellung der.dll- Datei.dll-Datei

15 VeriStand Workspace VeriStand Workspace für Berechnung des Modells auf der Echtzeitplattform FPGA-Programm zum Decodieren der Fernsteuersignale exportiertes SimulationX- Modell des Elektrofahrzeuges Signalzuordnung (Signal Mapping)

16 VeriStand & SimulationX als Demonstrator GUI VeriStand Grafische Oberfläche zur Simulationssteuerung und Visualiserung von Signalen SimulationX 3D-Echtzeitvisualisierung des Fahrzeugmodells

17 Zusammenfassung Echtzeitmodellierung eines Elektroautos am Beispiel eines Modellfahrzeugs Abbildung der wesentlichen Fahrzeugkomponenten mit Standardbibliothekselementen in SimulationX Echtzeitanforderung Notwendigkeit zur Vereinfachung einzelner Modelle und/oder Implementierung auf FPGA Nutzung der automatischen Codegenerierung für NI VeriStand Simulationssteuerung und Visualisierung mit NI VeriStand & SimulationX (Animation)