Multiskalensimulation von mechatronischen Komponenten zur Anwendung in Hardware-in-the-Loop Tests

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 Sitzverstellungen, Pumpen, Gebläse 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 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 zusätzliche 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 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 berechnet. Das hochfrequente Signal dient als Eingang für den FPGA, auf welchem lediglich ein vereinfachtes elektrisches Modell des Verbrauchers berechnet wird. Die Zeitschrittweiten unterscheiden sich bei den beiden Simulationen um den Faktor 10 bis 100. Die Signalfilterung ist ein wichtiger Bestandteil der Architektur und wird digital im FPGA vorgenommen. Somit kann die Filterung an den jeweiligen Testfall dynamisch angepasst werden. Die Simulationsmodelle für den Simulationsrechner werden in C++ geschrieben. Die Simulation auf dem FPGA ist statisch programmiert und allgemeingültig für alle Modelle. Sie wird lediglich über Modellparameter angepasst. Die Modellimplementierung ist somit deutlich schneller zu realisieren, als eine reine FPGA-Implementierung. Für die Simulation werden generische Modelle entwickelt, welche mit einer möglichst geringen Anzahl an Parametern konfigurierbar sind.