Vertiefte systematische Analyse von Hardware-in-the-Loop Simulationen für Systeme mit einem breitbandigen Frequenzspektrum
In allen aktuellen Automobilen gibt es eine zunehmende Anzahl an elektrischen Verbrauchern. Gerade im höheren Preissegment nimmt die Elektrifizierung der Fahrzeuge immer weiter zu. Verbraucher wie Fensterheber, Sitzverstellungen, Pumpen und neue Leuchtmittel wie LEDs kommen hinzu. Außerdem wird die Steuerung und Regelung der Verbraucher in Hinsicht auf Komfort und Sicherheit kontinuierlich optimiert. Aus diesem Grund werden immer mehr und immer komplexere Steuergeräte entwickelt und verbaut. Der Aufwand, um das komplexe Zusammenspiel dieser Steuergeräte zuverlässig zu testen, ist mit bisherigen Methoden zeit- und kostenintensiv. In vielen Fällen wird am realen Verbraucher getestet. Eine andere Methode ist ein „Hardware-in-the-Loop-Test“ (HIL Test). Hierbei wird mit Hilfe einer elektronischen Last ein Verbraucher simuliert. Die Anforderungen an die Echtzeitsimulation sind gerade bei kleinen elektrischen Motoren, welche zusätzlich mit einer pulsweitenmodulierten Spannung betrieben werden, aufgrund der kleinen Zeitkonstanten sehr hoch.
Im Rahmen der Forschung wird eine Architektur für Hardware-in-the-Loop-Simulationen entworfen und getestet. Mit dieser sollen Modelle parallel auf einem Simulationsrechner und analog oder auf einem FPGA ausgeführt werden. Dabei wird das Eingangssignal in einen hochfrequenten und einen niederfrequenten Anteil aufgeteilt. Mit dem niederfrequenten Signal wird das komplette Modell der mechatronischen Komponente simuliert. Das hochfrequente Signal dient als Eingang für eine analoge Schaltung oder einen FPGA, wo lediglich ein vereinfachtes elektrisches Modell des Verbrauchers simuliert wird. Die Zeitschrittweiten unterscheiden sich bei den beiden Simulationen um den Faktor 10 bis 100. Die Signalfilterung ist ein wichtiger Bestandteil der Architektur und besitzt besondere Anforderungen, da alle Frequenzanteile genutzt werden. Die Simulationsmodelle für den Simulationsrechner werden in C++ geschrieben und sind somit leicht anpassbar oder erweiterbar. Die Simulation mit den hochfrequenten Signalanteilen besitzt einen festen Aufbau und wird lediglich über Modellparameter angepasst. Damit ist eine verhältnismäßig einfache Erstellung der Modelle trotz Schrittweiten im Bereich unter 1 µs möglich. Für die Simulation werden generische Modelle entwickelt, welche mit einer möglichst geringen Anzahl an Parametern konfigurierbar sind.
