Hardware in the Loop: Messung und Echtzeit-Simulation im Fahrversuch synchronisiert

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Seit Anfang der 1990er Jahre wird HiL als Maßnahme zur Verbesserung der Testmöglichkeiten vor allem in der Fahrzeugindustrie eingesetzt. Die in der Anfangsphase manuell durchgeführten HiL-Versuche wurden nach und nach durch automatische Testabläufe ersetzt. Diese Testautomatisierung verhalf dem HiL-Verfahren zum Durchbruch, da sich die Versuche damit nahezu beliebig parametrieren und präzise wiederholen lassen.
Aus dem entwicklungsbegleitenden Testverfahren ist ein fester Bestandteil des Erprobungsprozesses geworden. Dabei ist das Thema immer noch für viele Komponentenentwickler gerade außerhalb der Automobilindustrie noch Neuland, wird es doch häufig noch der Elektronikecke zugeschrieben – und das hat seine Gründe. Die ersten Komponenten, die mittels HiL getestet wurden, waren vorwiegend elektronisch, etwa die Motorelektronik, die Bremsensteuergeräte und andere Regelungssysteme im Auto. Diese wurden an einen HiL-Simulator angebunden, um den Fahrzeugbus zu simulieren (sogenannte Restbussimulation).
Mit dem Voranschreiten der Modelle und der Leistungsfähigkeit des HiL-Verfahrens erschlossen sich aber schnell neue Anwendungsmöglichkeiten. Mittlerweile werden komplette mechatronische Systeme wie ein elektrisches Lenksystem mittels HiL getestet. Hierbei wird ein Teil der Mechanik in die Regelschleife integriert.
Das kann im Falle der Lenkung etwa ein Teil des Lenkgestänges sein, das als reale Mechanik an den HiL-Simulator angekoppelt wird, der so für die benötigten Umgebungsbedingungen sorgt.  Trotz immer größerer Modellierungsmöglichkeiten und immer schnellerer Prozessoren erlauben HiL-Verfahren auch heute nur einen begrenzten und häufig reduzierten Ausschnitt der realen Umgebung. Gerade wenn die Interaktionen des Bedieners (also der Autofahrer) miteinfließen, stößt man schnell an die Grenzen der Simulationsfähigkeit. Der reale Fahrversuch mit Prototypen-Fahrzeugen bleibt daher ein unverzichtbarer Bestandteil des Entwicklungsprozesses.
Doch auch im realen Fahrversuch wird es zunehmend interessant, bestimmte Komponenten zu simulieren. Umso wichtiger ist es, dass die hierbei eingesetzten Werkzeuge ganzheitlich auf die Messaufgabe abgestimmt sind. Die Anforderungen an das HiL-System sind dabei aber deutlich von denen eines HiL-Systems am Prüfstand zu unterscheiden. Während am Prüfstand die Rechenleistung entscheidend ist und üblicherweise große Rechnerschränke zur Realisierung verwendet werden, kommt es im Prototypen-Fahrversuch auf Mobilität, Komfort und eine kleine Baugröße an.
Komponenten oder Subsysteme für ein komplexes Gesamtsystem zu entwickeln und zu integrieren, stellt neue Herausforderungen an die dabei beteiligte Mess- und Regelungstechnik: Klassischerweise erfüllt sie im Fahrversuch die Aufgabe, die Funktion des ganzheitlichen Systems zu verifizieren und zu optimieren. Oft sind einzelne Komponenten noch gar nicht real verfügbar. Um trotzdem möglichst frühzeitig zu verwertbaren Ergebnissen und ausgereiften und zuverlässigen Produkten zu kommen, wächst die Notwendigkeit, Messsysteme mit Fähigkeiten der Echtzeitsimulation zu ergänzen. Fehlende Komponenten oder Funktionen werden dabei durch Simulationsmodelle – beispielsweise in Matlab/Simulink – nachgebildet.

Reale Daten speisen Simulation

Gespeist wird die Simulation mit realen Prozessgrößen – also bereits aufgenommenen realen Messdaten. Das errechnete System-Verhalten wiederum wird dann physikalisch nachgebildet und durch äquivalente Ausgangsgrößen wie etwa analoge Spannungen, angesteuerte Aktuatoren, Feldbus-Kommunikation oder Steuersignale in den Prozess eingespeist, um mit dem Testobjekt (also dem Fahrzeug) zu interagieren. Die Simulation ersetzt dabei einzelne, fehlende Teile eines sonst kompletten realen Systems.
Üblich ist auch, dass das eigentliche Entwicklungsobjekt das Simulationsmodell selbst ist, etwa wenn Steuergeräte-Algorithmen unter Echtzeitbedingungen real zu testen und zu optimieren sind, natürlich unter Einbeziehung einer Vielzahl von zu beobachtenden realen Größen durch ein Messsystem als „neutralen Beobachter“.
Nun ist dieser methodische Ansatz, wenn auch technisch anspruchsvoll, nicht gänzlich neu. Er wird etwa in der Steuergeräte-Entwicklung bereits seit Jahren intensiv verfolgt und ist dort gut verankert.
Neu ist hingegen, dieses mächtige „Werkzeug“ aus der Nische der hochspezialisierten Experten-Systeme zu „befreien“, es durch Integration in universelle Messsysteme für einen breiteren Anwenderkreis nutzbar und einfach beherrschbar zu machen. Besonders in Anwendungen, die eine Vielzahl unterschiedlichster zu messender physikalischer Größen und Sensoren einbeziehen, erweist sich die überlegene Flexibilität und Effizienz eines Ansatzes, der ein universelles konfigurierbares Messsystem zugrunde legt und durch integrierte HiL-Funktionalität erweitert.
So können vom Datenaustausch über exakte Zeit-Synchronisierung bis hin zu Konfigurations-Management, Datenanalyse und Dokumentation der Ergebnisse die Anforderungen beider Funktionen optimal verschmolzen werden.

Konkretes Werkzeug

Ein Werkzeug für Hardware in the Loop ist beispielsweise imc HiL von imc Meßsysteme. Es führt realen Versuch und Simulation zusammen. Dazu erfasst das System alle gängigen Messgrößen wie Spannung, Strom, Dehnung, Kraft, Temperatur und kommuniziert über Feldbusse wie CAN, LIN, FlexRay, Profibus und EtherCAT – sowohl am Prüfstand als auch im Fahrversuch. Zudem lässt sich das System um einen in das Messgerät eingebetteten, dedizierten Prozessor erweitern, der ausschließlich für die Ausführung der Matlab-Simulink-Modelle reserviert ist. Er hat direkten Echtzeit-Zugriff auf die Datenaufnahme (also alle physikalischen Messgrößen), und kann somit voll synchron und ohne zusätzliche Latenz die Messdaten als Eingangsgrößen in der Simulation verwenden und umgehend die simulierten Ausgangsgrößen zurückspeisen.
Diese werden direkt im System, das sogar als autarkes mobiles Gerät arbeiten kann, in analoge Ausgangsspannungen, digitale Steuersignale oder Feldbus-Nachrichten umgesetzt. So wird jeglicher Transfer oder Datenaustausch mit einem externen Simulationssystem, etwa einem PC, vermieden und das System bleibt autark und mobil.
Der Simulationsprozessor führt unter Kontrolle eines Echtzeit-Betriebssystems die Simulationsmodelle aus, die in Form fertig kompilierten Codes direkt mit der Systemkonfiguration geladen werden.

Simulation mit Standardtools

Basis der Modelle ist wie erwähnt Matlab/Simulink von MathWorks. Dieses Simulationswerkzeug hat sich als verbreiteter Standard in der Industrie etabliert. So kann in vielen Fällen auf bereits vorhandene, direkt wiederverwendbare Modelle zurückgegriffen werden und der Prozess der Modell-Erstellung ist weitgehend entkoppelt.
Die Modell-Erstellung kann auf unabhängigen PCs stattfinden, durch andere Experten und Abteilungen. So sind bestimmte Software-Lizenzen für die Simulationsausführung am HiL-Gerät gar nicht erforderlich. Lediglich die Schnittstellendefinition, also die einfache Zuordnung von Mess- und Ausgabe-Kanälen des Geräts zu den Ein- und Ausgängen der Simulation, ist auf dem Messsystem vorzunehmen.

Anwendungen

Eine typische Anwendung, die mit diesem System erfolgreich realisiert wurde, bestand im dem Test, wie ein Boardnetz auf typische Lastprofile von beispielsweise Scheinwerfern oder Komfortfunktionen reagiert. Dazu waren die Lastverläufe der Batterie  unter wechselnden Bedingungen zu untersuchen. Das Messsystem hatte eine Vielzahl von Größen zu erfassen wie Spannungen, Ströme, Winkel, Strecken und Temperaturen sowie zusätzlich Kommandos und Daten über den CAN-Bus zur Kommunikation mit dem beteiligten Steuergerät (ECU – Electronic Control Unit). Die integrierte HiL-Komponente übernahm eine Gesamtsimulation des Lastsystems. Die Simulation erfasste Größen wie Spannungen, Geschwindigkeiten, Drücke und vieles mehr. Die relevanten Ausgangsgrößen der Simulation wurden dann über Analog-Ausgänge wieder in reale physische Spannungen umgesetzt.
Besondere Bedeutung kam hier der direkten, auch interaktiven Beeinflussung (sprich: Parametrierung) der Modelle zu. Gerade im Live-Einsatz mit realer Hardware unter Echtzeitbedingungen ist es unabdingbar, im laufenden Betrieb den Einfluss von geänderten Modell-Parametern direkt verfolgen zu können, also nicht etwa durch Laden eines anderen Modells, sondern durch Justierung zur Laufzeit – von einem Zyklusschritt zum nächsten.
Das imc-CronosCompact-System unterstützt dazu Modelle mit „tuneable“ Parametern, die interaktiv variiert werden können. So konnten die mit Simulink modellierten Regler-Algorithmen zur Laufzeit komfortabel angepasst und optimiert werden durch unmittelbare Beobachtung ihres Einflusses in den Messwerten. jbi

Nils Becker ist Marketing-Manager bei imc.

  • Mit HiL-Systemen bringen die Automobilbauer neue Modelle schneller auf die Straße.
  • Simulation und Messung verschmelzen – Messdaten fließen in die Simulation, Simulationsdaten wirken in Echtzeit auf das Gesamtsystem zurück.
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