Hardware-in-the-Loop-Umgebung zur mehrdimensionalen Achsprüfung und Fahrwerksauslegung

Die Hardware-in-the-Loop-Simulation (HiL-Simulation) ist eine bewährte Test- und Entwicklungsmethode für mechatronische Produkte, die insbesondere in der Automobilentwicklung eingesetzt wird. Die zu testende Teilkomponente eines Gesamtsystems wird real aufgebaut, von den restlichen Komponenten werden Modelle auf einem Echtzeitsystem simuliert, und über geeignete Schnittstellen werden die realen und die modellierten Teilsysteme miteinander gekoppelt, um das Gesamtsystem nachzubilden. Für eine realitätsnahe Prüfung von Achsen unter mehrdimensionaler Anregung (6 Bewegungsfreiheitsgrade) können bis heute jedoch noch keine HiL-Umgebungen eingesetzt werden, da die Bandbreite der verwendeten Aktorik zu niedrig ist. Stattdessen werden in einem sehr zeitaufwändigen Einlernprozess geeignete Anregungssignale vorab ermittelt und dann als Vorsteuerung aufgeschaltet, was z. B. die Prüfung von Achsen mit aktiv geregelten Fahrwerksystemen ausschließt. Die Realisierung einer HiL-Testumgebung für ganze mechatronische Fahrzeugachsen erfordert einen Prüfstand, der eine mehrdimensionale, hochdynamische Belastung des Prüflings mit einer hohen Abbildungsgüte ermöglicht. Solch ein Prüfstand wurde mit der Unterstützung der DFG in der Fachgruppe des Antragstellers aufgebaut und zunächst positionsgereglt ohne Achse in Betrieb genommen. Dieser Prüfstand stellt die Basis des beschriebenen Forschungsvorhabens dar und dient zur Validierung.

Übergeordnetes Ziel ist die Entwicklung eines multiaxialen Fahrzeugachsprüfstands zur HiL-basierten Erprobung und Auslegung von Achsen einschl. Fahrwerkregelsystem. Der Fokus liegt auf der systematischen Realisierung einer möglichst realitätsnahen HiL-Simulation für eine Vielzahl von Anregungsfällen. Die gewonnenen Erkenntnisse des Forschungsvorhabens sollen so allgemein formuliert werden, dass sie sich auf andere Anwendungsfälle übertragen lassen. Zur Erreichung des Gesamtziels wurden folgende Teilziele identifiziert:

1. Konzept und Struktur des HiL-Systems: Hier geht es um die Erarbeitung einer detaillierten systemtheoretischen Struktur des HiL-Systems (Teilsystem und ihre Schnittstellen). Eine Frage ist bspw., ob Kräfte aus dem Fahrzeugmodell als Sollgrößen an die Achs-Anregungseinheit und gemessene Positionen an das Fahrzeugmodell zu übergeben sind oder umgekehrt.

2. Detaillierte Umgebungsmodelle: Die Umgebungsmodelle (Räder, Karosserie,...) müssen das Schwingungsverhalten ihrer realen Gegenstücke hinreichend gut abbilden. Hier ist zu klären, welche Frequenzbereiche nachbildet werden müssen und wie die Modellierungstiefen zu wählen sind.

3. Regelung des HiL-Systems mit passiver und mit mechatronischer Achse: Angestrebt wird eine indirekte Kraftregelung des Hexapoden mittels exakter entkoppelnder Zustandslinearisierung, wie sie bereits für die Positionsregelung eingesetzt wird.

4. Vorgehensmodell: Das Vorgehen soll so verallgemeinert werden, dass es auf andere Anwendungsfälle übertragbar ist.

DFG-Verfahren Sachbeihilfen