Simulation: dSPACE kooperiert mit Toyota Motorsport

Sonderdruckaus Automotive Engineering Partners 06/2001 · Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, WiesbadenDas Magazin fürAutomobilentwicklungSimulation:dSPACE kooperiert mitToyota Motorsport

■ ■ ■ ■ P R O Z E S S E | S I M U L A T I O NToyota Motorsport mitdSPACE auf der ÜberholspurDas gesamte Steuergerätenetzwerk des ersten Formel-1-Rennwagens vonToyota Motorsport Köln wird bereits in einem frühen Entwicklungsstadium ineiner simulierten Umgebung getestet. Dabei arbeitet Toyota Motorsporteng mit dSPACE zusammen. Mit den dort entwickeltenSimulatoren werden Hardware-in-the-Loop-Testsdurchgeführt, die im Labor alle denkbarenSzenarien für die Funktionsüberprüfungder Steuergeräteerlauben.Toyota Formel-1-Fahrzeug – „Made in Germany“■ ■ ■ ■ 2 AUTOMOTIVE ENGINEERING PARTNERS 6/2001

Virtuelle Instrumentierung mit der Experimentiersoftware ControlDesk von dSPACE. So lassen sich Hardware-in-the-Loop-Tests intuitivbedienen und beobachten■ Funktionstests im LaborFunktionstests auf der Straße könnenin einem frühen Entwicklungsstadiumaus verschiedenen Gründennoch nicht ausgeführt werden: Siesind kostspielig, gefährlich und letztendlichnicht zufriedenstellend, weilnur ein Bruchteil möglicher Fehlersituationenfestgestellt wird. VerschiedeneTests sind schlichtweg unmöglich,da im Rennwagen keinPlatz für Messgeräte ist. Um dieseProbleme der konventionellen Testfahrtenzu meistern, arbeitet ToyotaMotorsport eng mit dSPACE aus Paderbornzusammen. Mit den dortentwickelten Simulatoren werdenHardware-in-the-Loop-Tests durchgeführt,die im Labor alle denkbarenSzenarien für die Funktionsüberprüfungder Steuergeräte erlauben.Im März nächsten Jahres schickt dieKölner Motorsportabteilung desdrittgrößten Automobilherstellersder Welt seinen ersten Formel-1-Wagenins Rennen. Im Kampf um WM-Punkte beteiligt sich damit erstmalsin der moderneren Formel-1-Geschichtewieder ein Wagen, dessenChassis und Motor komplett inDeutschland entwickelt und gefertigtwird. Nur knapp zwei Jahre Entwicklungszeitstanden zur Verfügung.Das macht eine weitgehendeParallelisierung der Entwicklung vonFahrzeug und Steuergeräten absolutnotwendig. Dieses Ziel kann nurdurch frühzeitige Tests der Steuergerätehardwareund –Software erreichtwerden.■ Step 10 von Magneti MarelliDer italienische AutomobilzuliefererMagneti Marelli liefert für den Formel-1-Wagendie Steuergeräte-Hardwaremit Betriebssystem, Ein- undAusgabeschnittstellen und Basis-Software. Die darauf aufbauende Anwendungssoftwarewird direkt vonToyota Motorsport in Köln entwickelt.Das neue Steuergerätesystem„Step 10“ besteht aus mehr alszehn Steuergeräten, die insgesamt450 Signale verarbeiten können. DieSteuergeräte sind im Fahrzeug verteiltangeordnet. Im Vergleich zur vorherigenzentralen Version „Step 9“(siehe AutoTechnology 3/2001) hatMagneti Marelli mit der dezentralen„Step 10“ ein leistungsfähigeres Systemherausgebracht, ohne dabei Kabelbaumkomplexitätoder Gewicht zuerhöhen. Die Kommunikation zwischenden Steuergeräten erfolgt überdie seriellen Bussysteme CAN undARCnet. Das Steuergerätesystem wirdfür sämtliche Motormanagement-,Chassis- und Datenaufzeichnungsaufgabenverwendet. Dazu gehörenbeispielsweise Traktionskontrolleund Launch Control. Die seit diesemJahr wieder zulässigen Techniken verhinderndurch eine Reduzierung derMotorleistung das Durchdrehen derRäder in Kurven und beim Start. Einin letzter Zeit häufig diskutiertes Themain der Formel 1, da diese Regelungssystemebei vielen Teams nichtzufriedenstellend funktionieren unddie Fahrzeuge beim Start stehen bleiben.Diese Problematik will ToyotaMotorsport mit der Durchführungumfangreicher Tests meistern.Aufgrund dieser kontinuierlichenWeiterentwicklung der Steuergerä-Laboraufbaudes Hardware-in-the-Loop-Systems mitdSPACE SimulatorFull-Size undSteuergeräteverbundvonMagneti MarelliAUTOMOTIVE ENGINEERING PARTNERS 6/2001 3 ■ ■ ■ ■

■ ■ ■ ■ P R O Z E S S E | S I M U L A T I O Nund Unterbrechung der Zündung reduziert.Gleichzeitig wird die Kupplunggeöffnet. Der Gang-Aktor legtden nächsten Gang ein, und die Motorleistungwird durch Öffnen derDrosselklappen und Schließen derKupplung wieder auf den Antriebsstranggegeben. Die gesamte Schaltsequenzdauert nicht einmal 40 ms.Mit dSPACE Simulator ist es möglich,die parallel ablaufenden Prozesse fürdas Schalten, Betätigen der Kupplungund die Motorsteuerungseingriffevon der Regelgüte, aber auchvom Timing her zu prüfen.SchematischerAufbau desgesamtenClosed-Loop-Testsystemstesoftware – wöchentlich gibt esneue Software-Releases – muss dasZusammenspiel sämtlicher Steuergerätefunktionenimmer wieder neugetestet werden, bevor die Freigabeder Software für die Rennstrecke erteiltwird. dSPACE Simulator übernimmthier die Steuergeräte-Funktionstests,die sowohl in der Softwareentwicklungsphaseals auchvon Rennen zu Rennen durchgeführtwerden.■ Schaltvorgang in weniger als40 MillisekundenDas Schalten in Rennfahrzeugenwird über hydraulische Aktoren (z.B.Gang- und Kupplungsaktor) ausgeführt.Der Fahrer drückt die „UP“-oder „DOWN“-Schaltwippe am Lenkrad,um die Schaltsequenz zu starten.Mehrere Regelsysteme müssen währenddieser Schaltsequenz gleichzeitigarbeiten. Während des Hochschaltenswird die Motordrehzahldurch Schließen der Drosselklappen■ KundenspezifischerdSPACE Simulator Full-SizedSPACE hat den Simulator in Paderbornexakt auf die aktuellen Problemstellungenbei Toyota Motorsporthin entwickelt, gefertigt undanschließend in Köln in Betrieb genommen.Vom Start des Projekts biszum Start der Tests vergingen nurdrei Monate. Die Toyota-Ingenieurekonnten also in kürzester Zeit mitden Tests beginnen. Das ist auf diegute Zusammenarbeit und kurzenReaktionszeiten beider beteiligterFirmen zurückzuführen. Das Testsystemsetzt sich zusammen aus demdSPACE Simulator Full-Size [1], inklusiveder erforderlichen Software, undden Magneti Marelli-Komponenten,das heißt dem gesamten Steuergerätenetzwerkmit dem Telemetrie-Interfaceund dem Applikationssystem.Das Steuergerätenetzwerk des For-Real eingebundeneFahrzeugkomponenten:Der Prototypdes aus KarbongefertigtenLenkrads ist nurzirka 28 cm breitund 17 cm hoch– viele der Lenkradknöpfehaben mehrereFunktionen■ ■ ■ ■ 4 AUTOMOTIVE ENGINEERING PARTNERS 6/2001

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■dSPACE GmbHEin hohes und stetiges Umsatzwachstum, über 300 Mitarbeiter, mehr als 7000 weltweiteInstallationen: Das ist die Bilanz der Firma dSPACE, dem nach eigenen Angaben weltweitführenden Anbieter von Werkzeugen für die Entwicklung und den Test mechatronischerRegelungssysteme.dSPACE-Systeme ermöglichen es den Entwicklern von Steuergeräten, ihreEntwicklungsszeiten und -kosten drastisch zu reduzieren und die Produktivität spürbar zu erhöhen.Möglich ist dies durch einen optimalen Mix aus Standardlösungen für Rapid ControlPrototyping, Seriencode-Generierung und virtuelle Steuergerätetests. Falls gewünscht, werdenumfassende Dienstleistungsangebote vom On-site-Training bis hin zum kundenspezifischenSystem-Engineering angeboten. Die dSPACE-Produkte werden vom Hauptsitz in Paderborn,den Tochterunternehmen in den USA, Frankreich und Großbritannien sowie einer großenAnzahl von Repräsentanten weltweit vertrieben und betreut. Um den automotiven Sektornoch besser bedienen zu können, gibt es Projektzentren in München und Stuttgart.Weitere Informationen: dSPACE GmbH, Technologiepark 25, D-33100 Paderborn,e-Mail: info@dspace.de, Internet: www.dspace.demel-1-Wagens wird in einer simuliertenUmgebung closed-loop getestet.Die Basis für die Simulation bildenmathematische Modelle des dynamischenVerhaltens der Hydraulik-Aktorenund des Motors. Hier kommt dasMotormodell en-DYNA® von der FirmaTesis, München, zum Einsatz, dasin MATLAB®/Simulink® formuliert ist.Durch den Einsatz dieser Modelle wirdeine echte Hardware-in-the-Loop-Simulationermöglicht. Über die echtzeitfähigenKomponentenmodelleund die realen Steuergeräte werdendie Regelkreise geschlossen.Zur Sensorsimulation können mit derdSPACE Hardware beispielsweiseKurbel- und Nockenwellensignale biszu Drehzahlen von weit über 20.000U/min generiert werden. Im Gegenzugwerden Zünd- und Einspritzsignaleauch bei höchsten Drehzahlenmit einer Genauigkeit von 0,1° Kurbelwinkelvermessen und dem Modellzugeführt. Das bemerkenswertedaran: Die gesamte I/O wird vollständigin MATLAB®/Simulink® definiertund konfiguriert, ohne eine Zeile zuprogrammieren. Der Code für dieEchtzeithardware wird automatischgeneriert, auf Knopfdruck. Diese Featuresmachen die angewandten Systemeso leistungsfähig, ob es nunum Rennsportanwendungen oder umherkömmliche Fahrzeug-Anwendungengeht.■ Einbindung realer SystemkomponentenDas Ziel bei der Hardware-in-the-Firmenportrait■■■■■■■■■■■■Loop-Simulation ist natürlich, dasSteuergerät in einer komplett simuliertenUmgebung zu testen. Manchmalist es jedoch sinnvoll, realeFahrzeugteile in den geschlossenenRegelkreis einzubinden. Hier ist esdas Lenkrad – mit integriertem Steuergerät–, das nur als Echtteil Aufschlussüber den interaktiven Betrieb,die Steuergerätekommunikationoder über mögliche, durch dasLenkrad verursachte Fehler gebenkann. Alternativ kann das Lenkradüber dSPACE Simulator nachgebildetwerden. Das ist wichtig für automatisierteTests.Mit dSPACE Simulator lassen sichTests komplexer Software-Strategienin kurzer Zeit durchführen. Das istvor allem wichtig bei der Implementierungneuer Funktionen. Denn indiesem Fall muss das gesamte Steuergerätenetzwerkerneut geprüftwerden, um Beeinflussungen derStrategien untereinander sofort zuerkennen. Beispielsweise zeigte sichwährend des Funktionstests zum automatischenHerunterschalten in einendefinierten Gang eine Wechselwirkungmit der „Auto-up-shift“-Funktion, die direkt im Anschlusswieder in den nächst höheren Gangschaltete. Mit dem Simulator konntediese unerwünschte Wechselwirkungerkannt werden, die ohne diesenTest im Vorfeld nur schwer feststellbargewesen wäre. Für dieSchaltstrategie ist der Hardware-inthe-Loop-Testmit dSPACE Simulatorvon entscheidender Bedeutung, weilsie auf das gesamte Steuergerätesystemeinwirkt.■ Mit Testautomatisierung nochmehr gewinnenEin weiterer erfolgreicher Einsatzvon dSPACE Simulator zeigt sich beider Automatisierbarkeit und damitReproduzierbarkeit von Tests. Denndie kontinuierliche Weiterentwicklungder Software-Strategien führtselbstverständlich zu immer komplexerenund zahlreicheren Tests, diein kürzester Zeit ablaufen müssen.Diese Herausforderung wird mit derTestautomatisierung gemeistert.Hier werden in höchster Testqualitätund mit der erforderlichen Testtiefeerneut Zeit- und Kostenersparnisseerzielt. Um diese automatisiertenTestläufe noch zu optimieren, arbeitetToyota Motorsport jetzt daran,das Applikationssystem Vision 32 anden Simulator anzubinden. Per Fernsteuerungkönnen so Fehlersituationenin der Software-Strategie automatischgetestet werden. Ein weiterestypisches Anwendungsszenariofür die Testautomatisierung bestehtdarin, die Fahrzeugelektronik mitSignaldaten aus Fahrzeugtests oderPrüfstandsläufen zu stimulieren. DasZiel dabei ist, das Steuergeräteverhaltenim Labor in einer definiertenSituation zu reproduzieren, indemfestgestellte Fehler nachgestellt, untersuchtund letztendlich behobenwerden.Zur Zeit ist bei Toyota Motorsport eindSPACE Simulator im Einsatz, mitdem sämtliche Steuergeräte-Software-Testsdurchgeführt werden.Um durch Testentwicklung und Umrüstzeitenam vorhandenen Systemkeine Zeit zu verlieren, haben sichdie Kölner für die Anschaffung weitererSysteme entschieden. So könnenStillstandzeiten vermieden undTests mit mehreren Simulatorengleichzeitig durchgeführt werden.Peter Urban,Applikations-Ingenieur bei der ToyotaMotorsport GmbH,Dr.-Ing. Peter Wältermann,Gruppenleiter bei der dSPACE GmbH,Bettina Henking,Technische Redakteurin bei dSPACE■ Literaturhinweis[1] Schütte, H.; Plöger, M.; Diekstall, K.;Wältermann, P.; Michalsky, T.:Testsysteme im Steuergeräte-Entwicklungsprozess.In: AutomotiveElectronics, ATZ-MTZ-Sonderheft, März 2001AUTOMOTIVE ENGINEERING PARTNERS 6/2001 5 ■ ■ ■ ■