antriebstechnik 11/2017

Absolut-Position x [mm]

Absolut-Position x [mm] Absolut-Druck p [bar] Absolut-Druck p [bar] 07 Gemessenes und simuliertes Systemverhalten bei einem Soll-Drucksprung von 25 auf 45 bar (a) Absolut-Position des Linearmotorläufers über der Zeit 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Zeit t [ms] Soll-Position Ist-Position, gemessen Ist-Position, simuliert 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 (b) Absolut-Druck im Hydraulikzylinder über der Zeit 52 49 46 43 40 37 34 31 28 25 Zeit t [ms] Soll-Druck Ist-Druck, gemessen Ist-Druck, simuliert 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 (c) Absolut-Druck im Bremssattel über der Zeit 52 49 46 43 40 37 34 31 28 25 Zeit t [ms] Soll-Druck Ist-Druck, gemessen Ist-Druck, simuliert 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Messung der Ist-Drücke im Hydraulikzylinder sowie in der Fahrzeug-Radbremse verwendet. Beide Größen gelangen zusammen mit der Ist-Position des Linearmotorläufers via EtherCAT zum Echtzeitsteuerrechner. Auf diesen drei Ist-Größen basiert eine Adaption des für die Regelung zugrundeliegenden Modells. Im Rahmen des Adaptionsalgorithmus ist ein PT1-Filter implementiert. Die Zeitkonstante beträgt T = 40 ms, sodass die Totzeit der Datenübertragung der Ist-Werte einen untergeordneten Einfluss auf die Parameteradaption hat. Die im System verbauten Temperatursensoren dienen im Rahmen der ersten Entwicklungsstufe lediglich einer Offline-Auswertung. Zudem sind beide Sensoren in das Sicherheitskonzept des gesamten HIL-Prüfstandes eingebunden. Validierung der Systemdynamik und -genauigkeit Zum Nachweis der Systemdynamik wird eine sprunghafte Änderung des Soll-Druckes von 25 auf 45 bar betrachtet. Entsprechende Drucksprünge können z. B. bei ABS- Bremsungen auf nassem Asphalt auftreten [3, 8]. Es werden zudem die simulierten Ergebnisse mit Messungen am realen Bremsaktuator verglichen. Bild 07 zeigt die zeitlichen Verläufe der Absolut-Position des Linearmotorläufers sowie der Absolut-Drücke im Hydraulikzylinder bzw. im Bremssattel. Zum Zeitpunkt t = 10 ms erfolgt der Soll-Drucksprung von 25 auf 45 bar. Dieser führt zu einer Änderung der Soll-Position des Linearmotorläufers entlang einer Trajektorie, welche in der Simulation und der Messung am realen System nahezu identisch verläuft. Die simulierte Ist-Position verläuft in der Druckaufbauphase annähernd deckungsgleich mit der Messung. Der Linearmotorläufer erreicht somit in beiden Fällen nach einer Zeit von ca. 20 ms die Soll-Position für den Soll-Druck von 45 bar. Die anschließende Abweichung der simulierten und gemessenen Ist-Position von der jeweiligen Soll-Position ist auf die Relaxation der verwendeten Bremsflüssigkeit zurückzuführen [9]. Ab 50 ms nach dem Soll-Drucksprung beträgt die Differenz zwischen der Soll- und der jeweiligen Ist-Position weniger als 0,250 mm. Aufgrund des Erreichens des Soll-Druckes in beiden Fällen wird diese geringe Positionsabweichung nicht weiter ausgeregelt. Der Verlauf des Druckaufbaus an den beiden Messstellen wird durch die Simulation gut erfasst. Jeweils etwa 17 ms nach dem Sprung des Soll-Druckes erreicht der Ist- Druck in der Fahrzeug-Radbremse erstmalig den Soll-Druck von 45 bar. Dies entspricht sowohl in der Messung als auch in der Simulation einem mittleren Druckgradienten von ca. 1 175 bar/s während der Druckaufbauphase. Im Zeitbereich zwischen 20 und 25 ms beträgt der Druckgradient jeweils mehr als 2 000 bar/s. Somit liegen die erreichten Druckgradienten oberhalb der zur Nachbildung von modernen serienmäßigen Fahrzeug-Bremssystemen erforderlichen Druck gradienten. In den Druckverläufen sind zudem die auftretenden Druckschwingungen in der Hydraulikstrecke zu erkennen. Die Simulation bildet dabei den Ist-Druckverlauf im Hydraulikzylinder gut nach. Die Eigenfrequenz der Druckschwingung im Bremssattel ist im Gegensatz dazu etwas zu gering. Dies ist auf derzeitig noch vereinfachende Annahmen in der Modellierung nichtlinearer Effekte zurückzuführen. Etwa 35 ms nach dem Sprung des Soll-Druckes sind die Druckschwingungen im realen System durch die Systemdämpfung nahezu abgeklungen. Der Soll-Druck von 45 bar wird statisch genau erreicht. In der Simulation ist die Dämpfung der Druckschwingungen etwas geringer. Nach einer 142 antriebstechnik 11/2017

Absolut-Position x [mm] Absolut-Druck p [bar] AKTUATORIK Zeitdauer von ca. 60 ms sind noch leichte Schwingungen im Ist-Druckverlauf erkennbar. Die Amplituden der Druckschwingungen betragen zu diesem Zeitpunkt weniger als 10 % der Soll-Druckdifferenz von 20 bar. Die Reproduzierbarkeit des Druckaufbaus wird anhand einer zweiten Messung am realen System nachgewiesen (Bild 08). Hierfür wird der Soll-Druck alle 50 ms sprungförmig zwischen 25 und 45 bar geändert. Die Zeitverläufe der Absolut-Drücke zeigen, dass gegenüber der Messung in Bild 07 größere Schwingungsamplituden im Hydrauliksystem auftreten. Ursache hierfür ist die Relaxation der verwendeten Bremsflüssigkeit. Aufgrund der kurzen Zeitabstände zwischen den Änderungen des Soll-Druckes hat das Fluid weniger Zeit sich zu entspannen und weist somit eine höhere hydraulische Steifigkeit auf. Eine Positionsänderung um 9,1 mm analog zu der Messung in Bild 07a führt daher zu einer höheren Druckdifferenz. Für die Ausregelung der dadurch resultierenden Abweichung des Ist-Druckes werden ca. 15 ms benötigt. Bild 08a zeigt zudem die sich ergebende Änderung der Soll-Position für den Linearmotorläufer. Die Abweichungen der Ist-Drücke, sowohl im Hydraulikzylinder als auch in der Fahrzeug- Radbremse, betragen 50 ms nach dem Soll- Drucksprung jeweils weniger als 0,2 bar. 08 Messung schnell wechselnder Sprünge zwischen den Soll-Drücken 25 und 45 bar (a) Absolut-Position des Linearmotorläufers über der Zeit 10 8 6 4 2 0 –2 Soll-Position Ist-Position –4 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Zeit t [ms] (b) Absolut-Druck im Hydraulikzylinder und im Bremssattel über der Zeit 50 45 40 35 30 25 20 Soll-Druck 15 Ist-Druck Hydraulikzylinder 10 5 Ist-Druck Bremssattel 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Zeit t [ms] Zusammenfassung Der vorliegende Beitrag stellt einen Bremsaktuator zur Nachbildung von Fahrzeug-Bremssystemen an einem HIL-Prüfstand vor. Das elektrohydraulische System ermöglicht es, unterschiedliche Bremssystem-Hardware nachzubilden. Durch die Verwendung einer realen Fahrzeug-Radbremse können Effekte der Hydraulikstrecke sowie der Reibung realitätsnah erfasst werden. Anhand von Messungen am realen System kann gezeigt werden, dass die erzielte Systemdynamik der von modernen, serien mäßigen ESP- und ABS-Systemen entspricht. Somit ermöglicht der Bremsaktuator neben der Nachbildung entsprechender Systeme die Entwicklung neuer Steuerungsalgorithmen sowie die Simulation neuer Aktuatorkonzepte auf dem Prüfstand. Im Mai 2017 wurde am Lehrstuhl für Getriebe- und Antriebstechnik der Universität Rostock der gesamte HIL-Prüfstand inklusive integriertem Bremsaktuator in Betrieb genommen. Erstes Anwendungsgebiet sind Untersuchungen neuer Steuerungskonzepte zur Koordination des Fahrzeug-Bremssystems mit dem Fahrzeug- Antriebsstrang sowie Untersuchungen zur funktionalen Sicherheit von Fahrzeug-Antriebskonzepten. Im Rahmen der ersten Entwicklungsstufe liegt das Hauptaugenmerk der Untersuchungen auf elektrischen Einzelradantrieben. Eine Weiterentwicklung der Prüfstandskonfiguration zur Untersuchung von Zentralantrieben mit den jeweils dazugehörigen Fahrzeug-Elektromaschinen ist geplant. Literaturverzeichnis: [1] EtherCAT System-Dokumentation. Beckhoff Automation GmbH, Aug. 2016 [2] TwinCAT 3 | eXtended Automation (XA). Beckhoff Automation GmbH, Apr. 2012 [3] Breuer, B. und Bill, K. H., Hrsg.: Bremsenhandbuch – Grundlagen, Komponenten, Systeme, Fahrdynamik. 4. Auflage. Springer Vieweg, Wiesbaden, 2012 [4] Burckhardt, M.: Fahrwerktechnik: Bremsdynamik und Pkw-Bremsanlagen. 1. Auflage. Vogel Verlag, Würzburg, 1991 [5] Burckhardt, M.: Fahrwerktechnik: Radschlupf-Regelsysteme. 1. Auflage. Vogel Verlag, Würzburg, 1993 [6] Unidrive M700 / M701 / M702 Control User Guide. Emerson Industrial Automation, Juni 2016 [7] Haag, M.: Modellierung der Radbremse für virtuelle Prüfstandsversuche im frühen Auslegungsstadium. Dissertation. Technische Universität Darmstadt, 2012 [8] Isermann, R., Hrsg.: Fahrdynamik Regelung: Modellbildung, Fahrerassistenzsysteme, Mechatronik. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2006 [9] Koprowski-Theiss, N.: Kompressible, viskoelastische Werkstoffe: Experimente, Modellierung und FE-Umsetzung. Dissertation. Universität des Saarlandes, 2011 [10] Leiber, H., van Zanten, A. und Koeglsperger, C.: Bremssystem mit vom Regler ausgewähltem Druckänderungsverlauf zum Druckauf- und Druckabbau in den Radbremsen. DE 10 2009 008 941 A1. Continental Teves AG &. Co. OHG. 19. August 2010 [11] Ludyk, G., Hrsg.: Theoretische Regelungstechnik: Grundlagen, Synthese linearer Regelungssysteme. 1. Auflage. Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 1995 [12] Maier, R.: Die Anti-Blockier-Regelung der Räder einer Pkw-Antriebsachse als Mehrgrößen-Regelungsproblem. Dissertation. Universität Kassel, 1990 [13] Data Sheet Motor Series P10-70. NTI AG, 2017 [14] Kurzanleitung für das Einstellen des Reglers: Auszug aus dem User Manual. NTI AG, 2008 [15] Reif, K., Hrsg.: Bremsen und Bremsregelsysteme. 1. Auflage. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden, 2010 [16] Rosenberger, M.: Regelung radnaher elektrischer Einzelradantriebe während der ABS-Bremsung. 1. Auflage. Bd. 89. Audi Dissertationsreihe. Cuvillier Verlag, Göttingen, 2014 [17] Schulz, G., Hrsg.: Regelungstechnik 1: Lineare und Nichtlineare Regelung, Rechnergestützter Reglerentwurf. 4. Auflage. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München, 2010 [18] Modellierung und Simulation physikalischer Mehrdomänensysteme. The MathWorks, Inc. 2017. url: https://de.mathworks.com/products/ simscape.html (besucht am 23. April 2017) antriebstechnik 11/2017 143