Test bench for the development and validation of a methodology for hardware-in-the-loop simulation of vehicle axles
Overview
Der zukünftige „Mehrwert“ von PKW-Achsen wird durch den Einsatz elektronischer Regelsysteme erzielt werden. Die Entwicklung solcher „mechatronischer Achsen“ erfordert den Einsatz eines Prüfsystems, das eine Prüfung der Achse als Gesamtsystem ermöglicht. Nur so können die aktiven Stellglieder und ihre Interaktion mit anderen Komponenten realitätsnah getestet werden. Im Zuge des mechatronischen Entwurfsprozesses hat sich der Einsatz von Hardware-in-the-Loop-Simulationen (HiL-Simulationen) etabliert. Sie ermöglichen den Test von realen Komponenten in Echtzeit, ohne dass ein Aufbau des Gesamtsystems erforderlich ist. Auch im Hinblick auf die Entwicklung mechatronischer Achsen ist der Einsatz der HiL-Technik sinnvoll - derzeit am Markt verfügbare Prüfstände eignen sich jedoch nicht für die Einbindung in eine HiL-Simulation. Die Gründe dafür liegen im strukturellen Aufbau und der verwendeten Mess- und Regelungstechnik.Wir streben die Entwicklung einer HiL-Methodik zur Prüfung mechatronischer Achsen an. Um dieses zentrale Forschungsvorhaben zu verwirklichen, benötigen wir den hier beantragten Prüfstand für mechatronische Achsen. Diesen werden wir im Zuge eines ganzheitlichen mechatronischen Entwicklungsprozesses so auslegen, dass er den Anforderungen, die sich durch das Forschungsvorheben ergeben, genügt.
DFG-Verfahren Forschungsgroßgeräte
Gerätegruppe 2860 Motoren- und Getriebeprüfstände, Verdichterprüfstände
Antragstellende Institution Universität Paderborn
Key Facts
- Grant Number:
- 223279377
- Research profile areas:
- Intelligent Technical Systems, Sustainable Materials, Processes and Products
- Project type:
- Research, Infrastructure
- Project duration:
- 01/2013 - 12/2013
- Contribution to sustainability:
- Industry, Innovation and Infrastructure
- Funded by:
- DFG
- Website:
-
DFG-Datenbank gepris
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Results
Das von der DFG genehmigte Großgerät Achsprüfstand wurde 2014 aufgebaut und zunächst ohne PKW-Achse in Betrieb genommen. Eine speziell entwickelte, Stateflow-basierte Sicherheitssoftware und eine zusätzlich installierte Schutzwand ermöglichen die sichere Inbetriebnahme und den sicheren Betrieb des Prüfstandes. Die auf dem Echtzeitsystem installierte Sicherheitssoftware überwacht beispielsweise die Plausibilität der Sensorsignale, max. zulässige Kräfte und Wege. Im Falle eines Fehlers schaltet sie innerhalb von 0.125msec den Prüfstand in einen sicheren Zustand, sodass Schäden im Betrieb vermieden werden können. Zunächst wurden Messungen zur Identifikation der noch unbekannten Systemparameter durchgeführt und damit das Modell des Prüfstands validiert. Auf der Basis dieser Modelle konnten erste Regler und Beobachter für den Hexapoden ohne Prüfling ausgelegt und erfolgreich in Betrieb genommen werden. Die angestrebte Bandbreite von 50-60Hz für die Position des Hexapod (ohne Achse) konnten erreicht werden. Die besten Ergebnisse konnten dabei mit einem Sliding-Mode-Beobachter erzielt werden. In 2015 wurde eine PKW-Vorderachse (VW Golf) beschafft und in den Prüfstand eingebaut. Die zuvor erprobte Lageregelung wurde genutzt, um im ersten Schritt die Kinematik der PKW-Achse zu vermessen. Zur Messung der Kräfte und Momente an der Radnabe wurde die im Rahmen des Großgeräts beschaffte Kraftmessnabe verwendet. Da die Auswerteelektronik des Herstellers die erforderliche hohe Abtastrate von mindestens 8KHz nicht realisieren konnte, wurde vom Lehrstuhl eine eigene Auswerteelektronik entwickelt und die vom Hersteller verwendeten Signalverarbeitungsalgorithmen auf der Echtzeithardware implementiert, so dass die erforderliche Abtastrate erreicht werden konnte. Mit diesen Erweiterungen konnte die zuvor erprobte breitbandige Lageregelung auch mit eingebauter Achse betrieben werden, wobei eine überlagerte Kraft- und Momentenregelung eine weitgehend verspannungsfreie Bewegung der Achse gewährleistete. Darüber hinaus wurden erste Ansätze für eine hybride Weg-, Kraft- und Momentenregelung sowie für eine HiL-Simulation entwickelt, erprobt und publiziert. 2-DOF State Control Scheme for the Motion Control of a Parallel Kinematic Machine. Proceedings of the 2nd International Conference on Control and Fault-Tolerant Systems, S. 744-749, Nice, 9. - 11. Okt. 2013, IEEE Flottmeier, Sarah; Trächtler, Ansgar doi.org/10.1109/SysTol.2013.6693866 Beobachterbasierte Regelung von Parallelkinematiken in kartesischen Koordinaten. Tagungsband Mechatronik 2013, S. 187-192, 6. - 8. Mrz. 2013 Flottmeier, Sarah; Trächtler, Ansgar Sliding Mode and Continuous Estimation Techniques for the Realization of Advanced Control Strategies for Parallel Kinematics. Proceedings of the 19th IFAC World Congress, Cape Town, South Africa, 24. - 29. Aug. 2014 IFAC Flottmeier, Sarah; Olma, Simon; Trächtler, Ansgar doi.org/10.3182/20140824-6-ZA-1003.01178 Test Rig for the Hardware-in-the-Loop Simulation of Mechatronic Axles. Proceedings of the 9th International Fluid Power Conference, Band 3 , S. 366-377, Aachen, 24. - 26. Mrz. 2014 Flottmeier, Sarah; Jäker, Karl-Peter; Trächtler, Ansgar (Siehe online unter https://www.hni.uni-paderborn.de/pub/8128) Regelung eines hydraulischen Hexapoden zur Echtzeitsimulation von Straßenanregungen. VDI-Berichte 2233, 7. VDI/VDE-Fachtagung AUTOREG, S. 267-277, Jun. 2015 VDI/VDE-GMA, VDI Verlag Düsseldorf Flottmeier, Sarah; Kohlstedt, Andreas; Trächtler, Ansgar (Siehe online unter https://www.hni.uni-paderborn.de/pub/9091) Control of a hydraulic hexapod for a Hardware-in-the-Loop axle test rig. at-Automatisierungstechnik, 64(5): S. 365-374, Mai 2016 Kohlstedt, Andreas; Olma, Simon; Flottmeier, Sarah; Traphöner, Phillip; Jäker, Karl-Peter; Trächtler, Ansgar doi.org/10.1515/auto-2016-0025 Flachheitsbasierte Positionsregelungen für Parallelkinematiken am Beispiel eines hochdynamischen Hexapoden. Dissertation, Universität Paderborn 2016 Knoop geb. Flottmeier, Sarah (Siehe online unter http://nbn-resolving.de/nbn:de:hbz:466:2-28464) Indirect Force Control in Hardware-in-the-Loop Simulations for a Vehicle Axle Test Rig. 14th International Conference on Control, Automation Robotics & Vision (ICARCV), Phuket, Thailand, 13. - 15. Nov. 2016, IEEE Olma, Simon; Kohlstedt, Andreas; Traphöner, Phillip; Jäker, Karl-Peter; Trächtler, Ansgar doi.org/10.1109/ICARCV.2016.7838676 Nichtlineare Zustandsregelung mit Sliding-Mode-Beobachter für einen Achsprüfstand mit hydraulischem Hexapoden. GMA Fachausschuss 1.40 "Theoretische Verfahren der Regelungstechnik", Anif/Salzburg, Austria, 21. - 23. Sep. 2016, VDI/VDE-GMA Olma, Simon; Traphöner, Phillip; Kohlstedt, Andreas; Trächtler, Ansgar (Siehe online unter https://www.hni.uni-paderborn.de/pub/9404) Substructuring and Control Strategies for Hardware-in-the-Loop Simulations of Multiaxial Suspension Test Rigs. Proceedings of the 7th IFAC Symposium on Mechatronic Systems, Loughborough, UK, 5. - 8. Sep. 2016, IFAC Olma, Simon; Kohlstedt, Andreas; Traphöner, Phillip; Jäker, Karl-Peter; Trächtler, Ansgar doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.10.533 Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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