Beckhoff Mit Ethercat-Analogklemmen Testmessdaten erfassen

Autor / Redakteur: Stefan Ziegler / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Ein Hardware-in-the-Loop-Prüfsystem, dessen Kern eine PC-basierte Steuerung ist, ermöglicht es, die beim Überprüfen von sicherheitsrelevanten Elementen einer Fahrzeuglenkeinheit notwendigen Daten entwicklungsbegleitend zu erfassen.

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Die Kombination aus elektrischer Servolenkung an der Vorderachse und aktiver Hinterachskinematik erhöht die Fahrsicherheit des Pkw.
Die Kombination aus elektrischer Servolenkung an der Vorderachse und aktiver Hinterachskinematik erhöht die Fahrsicherheit des Pkw.
(Bild: ZF Friedrichshafen)

Die an rund 230 Standorten vertretene ZF Friedrichshafen AG ist ein weltweit führender Technologiekonzern für die Bereiche Antriebs- und Fahrwerktechnik sowie aktive und passive Sicherheitstechnik. Die Akka DNO GmbH (ehemals Giga­tronik Köln GmbH) fokussiert sich als Engineeringpartner auf die Automobilbranche und entwickelt unter anderem gemeinsam mit ZF moderne Hardware-in-the-Loop-(HiL-)Prüfsysteme. Dazu erläutert Sören Ole Kuklau, Team Management Function Development bei Akka DNO: „Wir helfen mit unserem langjährigen Know-how bei der Erstellung von Testspezifikationen, bei der Testautomatisierung und insbesondere auch beim Aufbau der Testinfrastruktur. Ein gutes Beispiel ist das HiL-Prüfsystem für das Electronic Powerpack (EPP) einer Fahrzeug-Lenkeinheit, das in enger Zusammenarbeit mit ZF entwickelt wurde. Begonnen wurde damit im Jahr 2016, und schon damals mit den Messtechnikklemmen von Beckhoff, wie der Ethercat-Eingangsklemme EL3751. Diese Multifunktionsklemme hat uns mit Oversampling, zusätzlichen Filtern und dem einstellbaren Messbereich ausreichende Möglichkeiten geboten, um auch einige als besonders kritisch erkannte Analogwerte zuverlässig erfassen zu können.“

Weitere Details zu diesem HiL-Prüfsystem nennt Dr. Michael Moczala, Teamleiter Software/System Test Tooling im Bereich Active & Passive Safety Technology, Steering von ZF in Düsseldorf: „Beim Test als EPP-in-the-Loop (EPPiL) wird das EPP, also die Kombination aus elektronischem Steuergerät und dem davon angesteuerten Elektromotor einer Kfz-Elektrolenkung, im Simulationsumfeld geprüft. Konkret bedeutet dies, dass alle Komponenten, die mit diesen beiden Hardwareelementen im Fahrzeug interagieren, als virtuelle Modelle abgebildet und auf einem speziellen Echtzeitsystem simuliert werden.“

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PC-based Control ist offen, durchgängig und skalierbar

Mit PC-based Control lassen sich Prüfsysteme auch im HiL-Bereich komplett und durchgängig automatisieren – bis hin zur nahtlos integrierten Mess- und Sicherheits­technik. Die konkreten Vorteile im Fall des EPPiL-Tests nennt Kuklau: „Beim EPPiL-System sorgt die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff für das gesamte I/O-Handling. Die eigentliche Simulation läuft auf dem separaten Echtzeitsystem. Hinsichtlich der Rechenleistung hat sich der Embedded-PC CX5140 für das Datenhandling als optimal geeignet erwiesen. Dazu kommt, dass sich die Beckhoff-Hardware bei Bedarf sehr gut entsprechend den jeweiligen Applikationsanforderungen bis hin zu hochleistungsfähigen Multicore-Systemen skalieren lässt.“

Weitere Vorteile bietet laut Kuklau die große Breite des I/O-Spektrums und die Offenheit über den weltweit etablierten Standard Ethercat: „Wir haben an die I/Os sehr hohe Anforderungen bezüglich der zeitlichen und wertemäßigen Auflösung gestellt und auch auf die zur Verfügung stehenden Zusatzfunktionen, wie zum Beispiel Oversampling, geachtet. Hier sind die Ethercat-Messklemmen von Beckhoff die ideale Lösung.“

Dazu komme, dass sich durch die weite Verbreitung von Ethercat auch entsprechende Drittkomponenten einfach einbinden ließen, um beispielsweise Automotive-spezifische Bussysteme nutzen zu können. „Weiterhin profitieren wir bei den Prüfständen von den guten Diagnosemöglichkeiten bei Ethercat, unter anderem um die Datenverbindung zwischen der Prüfkonsole und dem Schaltschrank zu überwachen. Hinzu kommen die hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit der Datenübertragung“, sagt Kuklau. Moczala ergänzt: „Bei dem sehr hohen Datenaufkommen hilft es, dass wir die Informationen mit zwei verschiedenen Abtastraten erfassen und übertragen können – die kritischen Signale wie Positionsvorgabe und Drehmomentmessung mit 4k-Samples, also im 250-μs-Takt, und die übrigen Daten mit 1k-Samples im 1-ms-Takt. Auf diese Weise lässt sich der Flaschenhals bei der Datenübertragung zum separaten, als Ethercat-Slave an den Embedded-PC angeschlossenen Echtzeit-Simulationssystem vermeiden.“

Aufbau und Analog-I/Os des Prüfsystems

Moczala erläutert die Funktionsweise des Prüfsystems: „Das Hardwareinterface des EPPiL-Simulators – die sogenannte Prüfkonsole – umfasst einen Lastenmotor sowie einen Drehmomentsensor zur Erfassung des Zustands der Verbindungswelle. Daran angeschlossen ist der eigentliche Prüfling, also das Electronic Powerpack aus Steuergerät und Unterstützungsmotor.“

Das Ethercat-I/O-System bilde die Verbindung zur Simulationswelt, mit den Modellen der mechanischen Komponenten der Lenkung, verschiedenen Fahrzeugen und Fahrbahnen bis hin zur Fahrzeugkommunikation. Über die Ethercat-I/Os kommuniziere die Modellwelt mit dem Lastenmotor sowie der Momentenmesswelle. „Aus der Simulationswelt erhalten wir den Winkel der Welle des EPP-Motors und übertragen diesen an den Umrichter des Lastenmotors“, fährt Moczala fort. Der Drehmomentsensor der Messwelle liefere das daraus resultierende Moment. Mit dieser Information werde wiederum die Bewegungsgleichung in der Simulation gelöst, woraus sich zum Schließen der Hardware-in-the-Loop-Schleife der neue an den Lastenmotor zu übertragende Positionswert ergebe.

Die Ethercat-I/O-Ebene umfasst fünf Buskoppler EK1100 sowie 57 unterschiedliche Ethercat-Klemmen. Für die Analogwertverarbeitung zählen dazu drei XFC-Ausgangsklemmen EL4732, sieben XFC-Eingangsklemmen EL3702 und 18 Eingangsklemmen EL3104. Deren konkrete Aufgaben erläutert Kuklau: „Die Ausgangsklemmen EL4732 übermitteln die Sollwerte an die programmierbaren Netzteile des Prüfsystems und die EL3702 lesen deren Istwerte zurück. Über die 18 EL3104 werden die 64 Kanäle der sogenannten Fault Insertion Unit (FIU) zur Einstreuung elektrischer Fehler, wie Kurzschluss oder Kabelbruch, plausibilisiert.“ Moczala ergänzt: „Damit wird die korrekte Funktion der FIU überwacht und der Zeitpunkt des jeweiligen Schaltvorgangs ermittelt. Hierbei ist die Schnelligkeit der Datenerfassung von besonderer Bedeutung, da typischerweise mit Schaltzeiten im Millisekundenbereich gearbeitet wird.“

Weiterhin kommen drei XFC-Multifunktions-Eingangsklemmen EL3751 zum Einsatz. Über eine davon wird der Drehmomentsensor eingelesen. Die beiden anderen Klemmen dienen zum Einlesen der Netzteilspannung. Dazu Kuklau: „Deren Flexibilität im Spannungsbereich vereinfacht die Arbeit deutlich, weil sich die Klemmen zum einen auf ±10 V für den Drehmomentsensor und zum anderen auf ±30 V für die Netzteile einstellen lassen.“ Für Moczala ist die Qualität der Messdatenerfassung durch die EL3751 entscheidend: „Das Signal des Drehmomentsensors ist von essenzieller Bedeutung, um in Verbindung mit dem Simulationsmodell ein stabiles Systemverhalten erreichen zu können. Daher müssen die Werte des Drehmomentsensors mit möglichst geringer Verzögerung, sehr wenig Rausch­anteil und einer möglichst hohen Genauigkeit übertragen werden.“

PC-based Control mit Zukunftspotenzial

Seit dem Beginn im Jahr 2016 steht inzwischen die dritte Generation an den mit Beckhoff-Technik ausgestatteten EPPiL-Prüfsystemen zur Verfügung. Moczala erläutert: „Die Erfahrungen mit der Beckhoff-Technik sind sehr gut, sodass wir diese bei den kommenden Generationen beibehalten und auch Neuentwicklungen bei den Ethercat-Klemmen nach Möglichkeit einsetzen werden.“ Weiteres Entwicklungspotenzial sieht auch Kuklau: „Es gibt bei uns bereits Vorentwicklungsprojekte zu Automotive-spezifischen Testsystemen, die komplett auf Beckhoff-Technik aufbauen. Dazu zählt auch die Servoantriebstechnik, die durch ihre hohe Leistung, Schnelligkeit und aufgrund der komfortablen Konfiguration in Twincat Vorteile mit sich bringt.“

Ein weiteres Vorentwicklungsprojekt befasst sich mit der Matlab/Simulink-Integration in Twincat, um die Echtzeitsimulation auf den Embedded-PC verlagern und so Kosten sparen zu können. „Außerdem arbeiten wir derzeit daran, mit Twincat den Asam-Standard XiL-API zur Entkopplung von Testcase, Testautomatisierungstool und HiL-Prüfhardware mit Twincat zu nutzen“, sagt Kuklau abschließend.

* Dipl.-Ing. Stefan Ziegler ist Mitarbeiter der Beckhoff Automation GmbH & Co. KG in 33415 Verl,

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