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dynamic torque

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					ENTWICKLUNG           Mess- und Prüftechnik




Dynamischer
Antriebsstrangprüfstand
als universelles Entwicklungswerkzeug
Das Institut für Kraftfahrwesen der RWTH Aachen (ika) und die Forschungsgesellschaft Kraftfahr-
wesen mbH Aachen (fka) betreiben seit 1987 einen dynamischen Antriebsstrangprüfstand, der
zur Prüfung von Einzelkomponenten bis hin zum Test von Komplettfahrzeugen genutzt wird. Mit
Unterstützung von ABB Process Industries und Kratzer Automation wurde die Steuerungs- und Re-
gelungstechnik grundlegend modernisiert und ein Automatisierungssystem neu implementiert.
Dies brachte im Ergebnis ein Plus an Bedienkomfort und Flexibilität sowie eine deutliche Perfor-
mance-Verbesserung hinsichtlich Stabilität, Simulationsdynamik und Messgenauigkeit.


2                                                                                ATZ 12/2003 Jahrgang 105
                                                                                                     Die Autoren
1 Allradprüfstand                              gestellten Prüfaufgabe eingesetzt werden.
                                                                                                               Dr.-Ing. Manfred
mit hoher Leistung                             Alle Varianten können zur Erweiterung
                                                                                                               Crampen ist Teamleiter
                                               des Drehmomentbereichs bei Bedarf mit
                                                                                                               Bereich Antrieb in der
Der dynamische Antriebsstrangprüfstand         den oben beschriebenen Adaptergetrieben
                                                                                                               Forschungsgesell-
am ika/fka ist mit vier Belastungsmaschi-      kombiniert werden. Zur Erhöhung der
                                                                                                               schaft Kraftfahrwesen
nen ausgestattet, die auf einem großen         möglichen Antriebsdrehzahl steht ein Pla-
                                                                                                               Aachen mbH.
Spannfeld längs und quer verschoben und        netengetriebe mit einer maximalen Ab-
frei positioniert werden können. Bei einem     triebsdrehzahl von 20.000/min zur Verfü-                        Ewald Danner ist
Gesamtfahrzeugtest werden diese Maschi-        gung.                                                           Teamleiter für Prüf-
nen über Gelenkwellen mit den angetriebe-                                                                      stands- und Antriebs-
nen Radnaben verbunden; bei der Untersu-       3 Mess-, Steuer- und                                            Sonderapplikationen
chung von Antriebsstrangkomponenten            Regelungssystem                                                 innerhalb des Cus-
erfolgt die Kopplung direkt über die An-                                                                       tomer Service Drives
triebswellen der Prüflinge. Dem Stand der      Mit ihren vielfältigen Konfigurationsmög-                       der ABB Process
Technik entsprechend wurden bei der Er-        lichkeiten erfüllt die Mechanik und An-                         Industries, Mannheim.
richtung des Prüfstands im Jahr 1987           triebstechnik auch heute die Anforderun-
Gleichstrom-Maschinen installiert. Mit ei-     gen, die an aktuelle Entwicklungswerkzeu-                       Dipl.-Ing. Detlef Naun-
ner Leistung von 120 und 97 kW bei einer       ge gestellt werden. Dagegen entsprach die                       dorf ist Bereichsleiter
Drehzahl von 655/min und 2200/min sowie        Mess-, Steuer- und Regelungstechnik nicht                       für den Geschäfts-
einem Drehmoment von 1800 Nm und 420           mehr dem Stand der Technik und setzte                           bereich Test Systems
Nm decken diese Maschinen auch heute           dem Anwender einige Grenzen, die nun                            der Kratzer Automation
noch die Leistung gängiger Pkw und Trans-      mit moderner IT-Technik überwunden                              AG, Unterschleißheim.
porter ab. Über zusätzliche Adaptionsge-       werden können. So war zum Beispiel die
triebe kann das Drehmoment je Rad auf zir-     volle Nutzung der Adapter- und Planeten-                        Dipl.-Ing. Sven Osbahr
ka 6200 Nm bei 189/min erhöht werden,          getriebe nur mit großem Aufwand mög-                            ist Projektleiter für Test
Bild 1, um spezielle Untersuchungen durch-     lich, da die sich ändernden Übersetzungs-                       Systems der Kratzer
zuführen. Der Antrieb der Prüfkonfigurati-     und Trägheitsmomentverhältnisse nur                             Automation AG,
on kann wahlweise mit einem Verbren-           recht umständlich berücksichtigt werden                         Unterschleißheim.
nungsmotor oder mit einer elektrischen         konnten und die zugehörige Reglerabstim-
Maschine erfolgen.                             mung in der fest verdrahteten Steuerung
                                               des Prüfstands für den Nutzer nur sehr ein-
2 Variable                                     geschränkt möglich war. Damit war be-
Prüfstandsanordnung                            reits bei der Erstellung des Modernisie-
                                               rungskonzepts schnell klar, dass neben der
Das ika/fka arbeitet als Dienstleister auf     Erneuerung des Automatisierungssystems
dem Gebiet der Forschung und Entwick-          auch die antriebsnahe Steuerung, Rege-
lung von Fahrzeugantrieben und wird da-
her mit verschiedenen Aufgabenstellungen
betraut, die nur mit hochflexiblen Werk-
zeugen in Simulation und Versuch effizient
bearbeitet werden können. Aus diesem
                                                         1 Allradprüfstand mit hoher Leistung
Grund wurde der Prüfstand in Achsbau-
weise realisiert. Damit können alle denkba-
ren Konfigurationen aufgebaut werden.
Die Anlage erlaubt grundsätzlich Untersu-
chungen an Komplettfahrzeugen, An-
triebssträngen, Getrieben, Achsgetrieben,
Verteilergetrieben etc., die in zwei- oder
vierradgetriebenen Fahrzeugen verwendet
werden. In Bild 2 sind die wesentlichen
Konfigurationen des Prüfstands zusam-
mengestellt und jeweils farblich voneinan-
der abgesetzt.
   Die beiden im Bild 3 dargestellten Konfi-
gurationen zeigen Aufbauten für Front-
Heck- oder Allradantrieb für Varianten mit
längs oder quer eingebautem Motor, die
entweder mit einem Verbrennungsmotor
oder mit einer Prüfstandsmaschine (E-Mo-
tor) angetrieben werden können. Unten
sind verschiedene Komponentenversuche
(Getriebe, Achsgetriebe, Verteilergetriebe)               Bild 1: Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Belastungsmaschinen
dargestellt, bei denen die fünf verfügbaren               Figure 1: Speed torque diagram of the machine loads
Prüfstandsmaschinen flexibel im Sinne der



ATZ 12/2003 Jahrgang 105                                                                                                                    3
ENTWICKLUNG                      Mess- und Prüftechnik


                                                                       lung und Simulation durch ein zeit-
    2 Variable Prüfstandsanordnung
                                                                       gemäßes System zu ersetzen sein würde.
                                                                           Das neue System sollte die möglichen
                                                                       Konfigurationen des Prüfstands besser
                                                                       ausnutzen und gleichzeitig die Genauig-
                                                                       keit und Performance verbessern. Außer-
                                                                       dem sollten die Reglerparameter und – so-
                                                                       weit Adaptionsgetriebe eingesetzt werden
                                                                       – deren Übersetzungen und die resultie-
                                                                       renden Aggregat-Trägheitsmomente dem
                                                                       eingewiesenen Prüfstandsbetreiber in der
                                                                       Bedienebene zur Verfügung gestellt wer-
                                                                       den, so dass eine Optimierung der Regler-
                                                                       parameter für jede Konfiguration problem-
                                                                       los erledigt werden kann. Vor diesem Hin-
                                                                       tergrund wurde für die Modernisierung
                                                                       ein umfangreiches Lastenheft erstellt, das
                                                                       fast alle denkbaren Konfigurationen des
                                                                       Antriebsstrangprüfstands berücksichtigt.
                                                                           Mit dieser Modernisierung wurden fol-
                                                                       gende wesentliche Ziele verfolgt:
                                                                       s Erhöhung der Messgenauigkeit
                                                                       s Erhöhung der Regelgüte und Dynamik
                                                                       s Verbesserung der Effektivität und Flexi-
                                                                       bilität im Versuchsbetrieb
                                                                       s Komfort-Steigerung hinsichtlich Bedie-
                                                                       nung und Messwerterfassung/-verarbei-
                                                                       tung.

                                                                       4 Ebenen-Struktur
    Bild 2: Konfigurationen des dynamischen Antriebsstrangprüfstands
    Figure 2: Transient driveline test bench configurations
                                                                       Bei Betrachtung der Vielfalt möglicher Kon-
                                                                       figurationen, verschiedener Prüflinge und
                                                                       Prüfprogramme und der damit einherge-
                                                                       henden unterschiedlichen Betriebs- und
                                                                       Regelungsarten wird deutlich, wie komplex
                                                                       die Aufgabe ist, einen solchen Prüfstand zu
                                                                       automatisieren, Bild 2, Tabelle. Dies ver-
                                                                       langt nach einer klaren Automatisierungs-
                                                                       struktur, bei der einzelne Funktionseinhei-
                                                                       ten gekapselt werden. Die Automatisie-
                                                                       rungspartner ABB und Kratzer Automation
                                                                       konnten dabei auf Erfahrungen mit ähnlich
                                                                       komplexen Prüfständen zurückgreifen. Sie
                                                                       wählten eine Automatisierungsstruktur in
                                                                       einzelnen Ebenen von der maschinenna-
                                                                       hen Regelung bis zur Bedienerführung.
                                                                           Die antriebsnahe Regelung wird in die-
                                                                       ser Struktur von PAISI übernommen, ei-
                                                                       nem Controller-System von ABB. PAISI er-
                                                                       hält seine Sollwerte vom in der Ebene dar-
                                                                       über liegenden Automatisierungssystem
                                                                       PAtools von Kratzer Automation. Im Auto-
                                                                       matisierungssystem werden die Sollwerte
                                                                       je nach Regelungsart und Aufbau aufberei-
                                                                       tet und, wenn nötig, die Drehzahl- bezie-
                                                                       hungsweise Drehmomentausgleichsrege-
                                                                       lungen zwischen den Maschinen einer
                                                                       oder mehrerer Achsen aktiviert. Umge-
                                                                       kehrt werden Messwerte beziehungsweise
                                                                       Rechenwerte wie zum Beispiel Drehmo-
                                                                       mente, Drehzahlen oder Fahrzeugge-
Bild 3: Konfiguration für Achsentest
                                                                       schwindigkeit von PAISI an das Automati-
Figure 3: Configuration for axle tests
                                                                       sierungssystem übergeben.



4                                                                                           ATZ 12/2003 Jahrgang 105
    Im Automatisierungssystem wurde ne-        4 Ebenen-Struktur
ben der Ablaufsteuerung und Messwerter-
fassung auch die Fahrzeugregelung inte-
griert. Bei Bedarf, etwa nach Strukturum-
schaltung, können die Regler-Parameter-
sätze per Download aus dem Automatisie-
rungssystem angepasst werden. Die Mess-
werte werden mit Hilfe des Messverstär-
kersystems MGCplus von HBM aufbereitet.
Für Steuerungsfunktionen wurden verteil-
te IO-Klemmen der Firma Wago installiert.
Zur Kommunikation der Komponenten
untereinander wird der Profibus-DP ver-
wendet, der bei den vorliegenden Da-
tenmengen und Abtastraten ein determi-
nistisches Verhalten im Gesamtsystem er-
möglicht. Das Automatisierungssystem ist
in das LAN des fka integriert.
    Die Strukturierung in einzelnen Ebe-
nen, Bild 4, machte es leichter, die Komple-
xität des Prüfstands zu beherrschen. Am
Beispiel des Softwaretests kann dies ver-
deutlicht werden: Bei derart komplexen
Prüfständen ist es mit vertretbarem Auf-
wand nicht möglich, alle möglichen Kom-
                                               Bild 4: Automatisierungsstruktur (vereinfacht)
binationen einzeln zu testen. Durch die
                                               Figure 4: Automation structure (simplified)
Aufteilung in einzelnen Ebenen konnten
überschaubare Software-Module imple-
mentiert werden, die sich mit Hilfe einer
Simulation einzeln auf ihre Funktion te-
sten ließen. Das Zusammenspiel dieser
Module ist ebenfalls gut zu überblicken.
Somit kann der Test des Gesamtsystems          s dynamische Regelung der Antriebs- und          ren der Softwareapplikation steht dem
auf repräsentative Konfigurationen be-         Belastungsmomente                                Anwender die komfortable Entwick-
schränkt werden. Nachfolgend wird näher        s schnelle Berechnung der Simulations-           lungsumgebung CoDeSys von 3S mit gra-
auf die Antriebsregelung und die Automa-       momente für die Fahrzeugmassen- bezie-           fischen und textuellen Programmier-
tisierung eingegangen.                         hungsweise Radträgheitssimulation; die           sprachen nach dem allgemein einge-
                                               Umschaltung der Simulationsstruktur              führten Standard IEC 61131-3 [1,2] zur Ver-
5 Dynamische                                   wird durch die Berechnung des maximal            fügung, Bild 6. Neben Programmierung
Antriebsregelung                               übertragbaren Drehmomentes an den Rä-            von Logik, Visualisierung und Kommuni-
                                               dern im Automatisierungssystem aus-              kation verfügt das System über eine um-
Den elektrischen Antriebs- und Bela-           gelöst                                           fassende Bibliothek komplexer Baustei-
stungsaggregaten – je nach Konfiguration       s Echtzeitdatentransfer zur Automatisie-         ne und Makros für antriebs- und prüf-
bis zu fünf Maschinen – ist eine eigene Re-    rungsebene und zu den DC-Stellgeräten.           standsspezifische Regelungs- und Simu-
gel- und Simulationseinheit zugeordnet.           PAISI basiert auf einer marktgängigen         lationsaufgaben. Die leistungsfähige Bi-
ABB verwendet hier wie bereits erwähnt         CompactPCI-Plattform des Systemliefe-            bliotheksverwaltung und eine Offline-
das für komplexe Steuerungen- und hoch-        ranten SMA, Bild 5. Das System ist flexi-        Simulation unterstützen bei der Pro-
auflösende, dynamische Regelungen kon-         bel, universell integrierbar und weitge-         grammerstellung und erleichtern die In-
zipierte Controller-System PAISI. Dieses       hend offen für künftige, der technischen         betriebnahme vor Ort. Die Entwicklungs-
System übernimmt folgende Funktionen:          Entwicklung folgende Schnittstellen- be-         und Programmierumgebung, die auch
s schnelle antriebsnahe Steuerung im Zu-       ziehungsweise Funktionserweiterungen             die Visualisierungsfunktionen für den
sammenspiel mit den vorhandenen DC-            oder Up-grades der Rechenleistung. Die           Service- und Stand-Alone-Betrieb der An-
Stromrichtern                                  leistungsfähige Zentraleinheit mit dem           triebe während der Inbetriebnahmear-
s schnelle Drehmomentberechnung aus            Echtzeitbetriebssystem RTOS-32 von On            beiten beinhaltet, läuft auf einem gängi-
den Messgrößen der Gleichstrommaschi-          Time garantiert eine Bearbeitung der             gen Notebook mit Windows-Betriebssys-
nen; die hohe Genauigkeit der implemen-        Steuer- und Regelungs-Tasks mit Abtast-          tem.
tierten Modelle macht es möglich, auf eine     zeiten von 1 ms und 2 ms. Zur Anbindung             Im realen Prüfbetrieb erfüllt PAISI alle
Drehmomentmessung an den Abtriebs-             externer Komponenten stehen analoge              Aufgaben eines Antriebs-Controllers in der
maschinen zu verzichten                        und digitale Baugruppen und gängige              hierarchisch gegliederten Automatisie-
s hochauflösende Berechnung der Dreh-          Feldbusschnittstellen zur Verfügung so-          rungsstruktur. Dabei sieht der Anwender
zahlen aus den Inkrementalgeber-Signalen       wie die optische Schnittstelle zu ABB-           PAISI nicht als System, welches er direkt
der Maschinen über ein spezielles Dreh-        Umrichtern.                                      parametrieren muss. Alle Eingaben und
zahlmessverfahren (IEI-Verfahren)                 Für Inbetriebnahme- und Service-              Parametrierungen erfolgen über das Auto-
s hochauflösende Drehzahlregelung              zwecke beziehungsweise für das Editie-           matisierungssystem PAtools.



ATZ 12/2003 Jahrgang 105                                                                                                                 5
ENTWICKLUNG                    Mess- und Prüftechnik


5 Dynamische Antriebsregelung                                                                 Moment pro Rad. Durch die in PAISI imple-
                                                                                              mentierte Massensimulation wird das
                                                                                              durchdrehende Rad simuliert.
                                                                                                  Eine wichtige Eigenschaft von PAtools
                                                                                              ist dessen Echtzeitfähigkeit. Ein Prozess-
                                                                                              rechner mit Echtzeit-Betriebssystem sorgt
                                                                                              dafür, dass alle Mess-, Steuer-und Rege-
                                                                                              lungsaufgaben mit hoher Performance be-
                                                                                              arbeitet werden. Damit lassen sich in PA-
                                                                                              tools auch komplexe Regelungsfunktionen
                                                                                              implementieren. Parametrierung, Bedie-
                                                                                              nung und Auswertung erfolgen über einen
                                                                                              Windows-PC, der via TCP/IP mit dem Pro-
                                                                                              zessrechner kommuniziert. Beim ika/fka
                                                                                              nutzt man die Echtzeitfähigkeit, um die ge-
                                                                                              samte komplexe Fahrzeugregelung im Au-
                                                                                              tomatisierungssystem ablaufen zu lassen.
                                                                                              Dazu zählen folgende Funktionen:
                                                                                              s Regelung des Verbrennungsmotors: Hier
                                                                                              wurde ein kennfeldgestützter, adaptiver
                                                                                              Regler implementiert, der speziell auf das
                                                                                              Verhalten von Verbrennungsmotoren zu-
Bild 5: Controller-System PAISI, modulare Compact-PCI-Hardware                                geschnitten ist.
im Europakartenformat                                                                         s Verbrennungsmotorsimulation bei Ver-
Figure 5: Controller system PAISI, modular compact PCI hardware in 3U format                  wendung einer elektrischen Maschine als
                                                                                              Antrieb: Hierzu wird in der Versuchspara-
                                                                                              metrierung die Drehzahl-Drehmoment-
                                                                                              Kennlinie des abzubildenden Verbren-
                                                                                              nungsmotors eingegeben.
                                                                                              s Fahrregler: Der Fahrregler arbeitet mit
                                                                                              einem Sollwertgenerator zusammen, der
                                                                                              eine variable Vorausschau im Fahrprofil
6 Automatisierungssystem                      bei denen die Abstimmungseigenschaf-            ermöglicht. Damit werden die benötigten
                                              ten von Stufen- und stufenlosen Getrie-         Beschleunigungsmomente berechnet und
In den oben beschriebenen Prüfstandskon-      ben, Verteiler- und Achsgetrieben unter-        das Schaltverhalten wird angepasst. Eben-
figurationen werden Lebensdauer- und          sucht werden. Zur Aufnahme von Kenn-            falls Bestandteil des Fahrreglers ist ein
Funktionsversuche durchgeführt: Je nach       feldern steht ein Pool verschiedener Dreh-      Bremsregler, der die Fahrzeugbremse über
Prototypenphase der Prüflinge können ein-     zahl-/Drehmomentmesswellen zur Verfü-           Vorgabe eines zu addierenden Bremsmo-
fache, stark zeitraffende Ein- oder Mehr-     gung, der eine optimale Anpassung von           mentes an die unterlagerte Antriebsrege-
stufenversuche (Drehzahl-/Drehmoment-         Messbereich und zu messender Größe er-          lung simuliert.
regelung), Lastkollektive oder realitätsna-   möglicht.                                       s Schalten und Kuppeln bei Handschaltge-
he Fahrversuche (Fahrsimulation) gefah-          Für die Untersuchung besonderer Pro-         trieben: Die Kupplung wird kontinuierlich
ren werden. Das Automatisierungssystem        blemstellungen bei der (Allrad-)Antriebs-       verstellt. Der Fahrregler führt die Kupp-
PAtools ermöglicht hier entweder eine Ver-    strang-Entwicklung werden innerhalb der         lung je nach aktuellem Zustand entweder
suchsprogrammierung mit Hilfe von Ab-         Standardbetriebsarten des Prüfstands fol-       gesteuert oder über die Geschwindigkeits-
lauftabellen oder eine Verknüpfung zu         gende Funktionen benutzt:                       regelung.
Messdaten aus Fahrversuchen etc., die di-     s Simulation von Drehzahldifferenzen                Die Einbindung der Fahrzeugregelung
rekt als Sollwertquelle für die Regelung      rechts/links sowie vorne/hinten                 in das Automatisierungssystem ist für den
verwendet werden. Schnittstellen zu MS-       s Wedelfunktionen rechts/links                  Prüfstandsbetreiber von großem Vorteil: Er
Excel erleichtern die Übernahme von be-       s Regelung der Drehmomentverteilung             hat einen leichten Zugriff auf die Software,
reits im Office-Format vorliegenden Daten.    links/rechts sowie vorne/hinten                 die vor dem Hintergrund zukünftiger kom-
Die Parametrierung der Versuche erfolgt in    s Fahrzeugsimulation mit kontinuierlich         plexerer Fahrzeuge mit hoher Wahrschein-
einer Datenbank mittels einer anwen-          veränderlicher Steigung beziehungsweise         lichkeit angepasst werden muss. So muss
dungsspezifisch strukturierten Bedien-        Gefälle anhand eines parametrischen Mo-         zunehmend die Fahrzeugregelung mit ei-
oberfläche. Dem geschulten Prüfstandsin-      dells oder über Messdaten aus Ausrollver-       ner Kommunikation mit Fahrzeugsteuer-
genieur ist es damit möglich, alle ge-        suchen, die in Stützwerttabellen im Sys-        geräten kombiniert werden.
wünschten Anpassungen vorzunehmen.            tem abgelegt werden                                 Die komplexe Fahrzeugregelung beim
Ein Sicherheitskonzept mit Benutzerrech-      s Radschlupfsimulation mit vorgebbaren          ika/fka wurde mit dem Simulationswerk-
ten schützt dabei sensible Daten vor Fehl-    Reibbeiwerten und einstellbarer rotatori-       zeug Matlab/Simulink entwickelt und ge-
parametrierung.                               scher Massenträgheit der simulierten            testet, Bild 7. Über den Realtime Workshop
   Schwerpunkte bei den Funktionsunter-       Fahrzeugräder; dazu wird die Längsdyna-         mit einem für PAtools erstellten Target-File
suchungen sind Leistungs- und Wirkungs-       mik des Fahrzeugs im Automatisierungs-          wurden die Modelle und Regelungsstruk-
gradmessungen. Hinzu kommen dynami-           system simuliert [3]; das Ergebnis dieser Si-   turen in das Echtzeitsystem von PAtools
sche Fahrversuche analog zur Teststrecke,     mulation ist das maximal übertragbare           integriert.



6                                                                                                                   ATZ 12/2003 Jahrgang 105
    5 Dynamische Antriebsregelung

                                                                                                        Bild 6: Program-
                                                                                                        mier-Umgebung
                                                                                                        nach IEC 61131-3
                                                                                                        Figure 6: IEC
                                                                                                        61131-3 program-
                                                                                                        ming
                                                                                                        environment




    Tabelle: Regelungsarten
    Table: Loop control methods

     Antrieb Abtrieb                   Regelungsart
             Eine Achse                Antrieb / Abtrieb
             oder Allrad
     EM      A1+A2 / A3+A4             Drehzahl / Drehmoment
     EM      A1+A2 / A3+A4             Drehmoment / Drehzahl                          Am Prüfstand werden überwiegend
     EM      A1+A2 / A3+A4             Verbrennungsmotorsimulation / Fahrzeug-     automatische Versuche gefahren. Da-
                                       Straße-Simulation                           neben unterstützt ein manueller Betrieb
     EM         A1+A2      /   A3+A4   Drehzahl / Fahrzeug – Straße – Simulation   kurze Funktionstests und Einrichtarbei-
     EM         A1+A2      /   A3+A4   Leistung / Fahrzeug – Straße – Simulation   ten. Aufgrund der Vielseitigkeit des Prüf-
     VKM        A1+A2      /   A3+A4   Fahrhebel / Drehmoment                      stands würde ein klassisches Bedienpult
     VKM        A1+A2      /   A3+A4   Drehzahl / Drehmoment                       sehr komplex ausfallen. Jede Anpassung
     VKM        A1+A2      /   A3+A4   Fahrhebel / Drehzahl                        wäre mit einem hohen Aufwand verbun-
     VKM        A1+A2      /   A3+A4   Drehmoment / Drehzahl                       den. Deshalb wurde die Handbedienebene
     VKM        A1+A2      /   A3+A4   Fahrhebel / Fahrzeug-Straße-Simulation      komplett in der Bedienoberfläche des Au-
     VKM        A1+A2      /   A3+A4   Drehmoment / Fahrzeug-Straße-Simulation     tomatisierungssystems abgebildet, Bild 8.
     VKM        A1+A2      /   A3+A4   Drehzahl / Fahrzeug – Straße                In einer Bedienmaske wählt der Anwen-
     Antrieb    Abtrieb                Regelungsart                                der die aufgebaute Prüfstandskonfigura-
                                                                                   tion und setzt davon abhängig die ge-
     A1         A2                     Drehzahl / Drehmoment
                                                                                   wünschten Sollwerte. Speziell für den Test
     A1         A2                     Drehmoment / Drehzahl
                                                                                   kompletter Fahrzeuge wird – ähnlich wie
     A3         A4                     Drehzahl / Drehmoment
                                                                                   auf einem Rollenprüfstand – der Fahrer
     A3         A4                     Drehmoment / Drehzahl
                                                                                   durch ein Fahrerleitgerät unterstützt, das
     A1+A2      A3+A4                  Drehzahl / Drehmoment   (vorne – hinten)
                                                                                   ebenfalls in der Bedienoberfläche inte-
     A1+A2      A3+A4                  Drehmoment / Drehzahl   (vorne / hinten)
                                                                                   griert ist. Auch die Bedienoberflächen kön-
     A1+A3      A2+A4                  Drehzahl / Drehmoment   (links – rechts)
                                                                                   nen vom Prüfstandsbetreiber an seine
     A1+A3      A2+A4                  Drehmoment / Drehzahl   (links / rechts)
                                                                                   Aufgaben angepasst werden. Dazu steht
                                                                                   ihm ein grafisches Designtool zur Verfü-
                                                                                   gung.



ATZ 12/2003 Jahrgang 105                                                                                                    7
ENTWICKLUNG                     Mess- und Prüftechnik


6 Automatisierungssystem                                                                     nauigkeit ist eine erhebliche Performance-
                                                                                             Steigerung zu verzeichnen.
                                                                                                Insgesamt hat das hier realisierte Auto-
                                                                                             matisierungskonzept zu einer signifikan-
                                                                                             ten Steigerung an Prozessstabilität, Zuver-
                                                                                             lässigkeit und Verfügbarkeit geführt, die
                                                                                             sich als erhöhte monatliche Laufstunden-
                                                                                             zahl positiv in der Leistungsbilanz nieder-
                                                                                             schlägt.
                                                                                                Mit der Einbindung vielfältiger Ver-
                                                                                             suchskonfigurationen und der flexiblen
                                                                                             Ausrichtung des Automatisierungssys-
                                                                                             tems werden sich zukünftig die benötigten
                                                                                             Versuchsvorbereitungszeiten reduzieren
                                                                                             und die Effizienz weiter steigern lassen.
                                                                                             Durch diese positiven Effekte profitieren
                                                                                             damit sowohl die Kunden als auch die Be-
                                                                                             treiber des dynamischen Antriebsstrang-
                                                                                             prüfstands von der Investitionsentschei-
Bild 7: Beispiel für die Implementierung der Fahrzeugregelung mit Matlab/Simulink            dung zur Modernisierung der Anlage.
Figure 7: Example of the implementation of the vehicle control with Matlab/Simulink
                                                                                             Literaturhinweise

                                                                                             [1]                  .:
                                                                                                   Neumann, P SPS-Standard IEC 1131-3 – SPS-
                                                                                                   Programmierung in verteilten Automatisie-
                                                                                                   rungssystemen. Oldenbourg Verlag, 2000
                                                                                             [2]   Hanefeld, M.: Ziel ist der einheitliche Soft-
                                                                                                   warestandard. In: A&D Newsletter 9/2002
                                                                                             [3]   Wallentowitz, H.: Längsdynamik von Kraftfahr-
                                                                                                   zeugen. Vorlesungsumdruck Fahrzeugtechnik
                                                                                                   I, Institut für Kraftfahrwesen Aachen. RWTH
                                                                                                   Aachen, 2001




Bild 8: Bedienebene im Automatisierungssystem
Figure 8: Manual operation interface in the PAtools automation system




7 Effizienzerhöhung                            aufgesetzten Regelungs- und Simulations-
durch Modernisierung                           strukturen in Verbindung mit der erwei-
                                               terten Betriebsarten-Palette steigern die
Die Modernisierung des dynamischen An-         Nutzbarkeitsvielfalt und ertüchtigen den
triebsstrangprüfstands beim ika/fka wur-       Prüfstand für komplexere und anspruchs-
de mit der Inbetriebnahme in Frühjahr          vollere Prüfanwendungen. Mit der neuen
2003 abgeschlossen. Die danach durchge-        digitalen Regelung haben sich Regelgüte
führten Kundenprojekte zeigen, dass sich       und Stabilität gegenüber dem Vorzustand
die Investitionsentscheidung in mehrfa-        in allen Konfigurationen und Betriebsar-
cher Hinsicht gelohnt hat. Die neue Bedie-     ten deutlich verbessert. Hinsichtlich Simu-
nung und Visualisierung bietet einen we-       lationsbereichen, Simulationsstabilität,
sentlich höheren Bedienkomfort. Die neu        Anregelzeiten und transienter Regelge-



8                                                                                                                      ATZ 12/2003 Jahrgang 105
DEVELOPMENT                    Measuring Techniques




Transient Driveline
Test Bench
            The RWTH Aachen Institut für Kraftfahrwesen (ika) and the Forschungsgesellschaft Kraft-
            fahrwesen mbH (fka) have been running a transient driveline test bench since 1987 that
            is utilized for the testing of vehicle components and complete vehicles. Supported by
            ABB Process Industries and Kratzer Automation the control equipment was completely
            modernized and an automation system newly implemented. This resulted in a boost of
            operator comfort and flexibility as well as performance improvement concerning stability,
            simulation dynamics and measurement precision.




                                       1 High Performance 4-Wheel-                    2 Variable Test Stand
                                       Drive Test Stand                               Configuration

                                       The transient driveline test bench at          ika/fka is a research & development service
                                       ika/fka is equipped with four load ma-         provider for vehicle drive systems and is
                                       chines that can be moved in lateral and        confronted with the most diverse assign-
                                       transverse directions and freely positioned    ments that can only be efficiently handled
                                       on a mounting plate. During complete ve-       with highly flexible simulation and testing
                                       hicle testing the loads are connected to the   tools.Due to this, the test stand was con-
                                       wheel hubs via cardan shafts, during com-      structed as an axle design, with which, any
                                       ponent testing connection is made directly     conceivable configuration can be imple-
                                       to the shafts of the test objects. DC-ma-      mented.The system allows the testing of
                                       chines, considered state of the art in 1987,   complete vehicles, powertrains, transmis-
                                       were installed on the test stand during the    sions, axle transmissions, transfer gearbox-
                                       initial construction phase. With their pow-    es, etc., that are used in two- and four-
                                       er of 120 kW/97 kW at a speed of 655           wheel drive vehicles. In Figure 2 the funda-
                                       rpm/2200 rpm with 1800 Nm/420 Nm of            mental test stand configurations are illus-
                                       torque, these motors are still capable of      trated and marked in color for differentia-
                                       handling the power range of current cars       tion.
By Manfred Crampen,                    and trucks available on today's market. To        The two upper configurations in Fig-
                                       conduct special testing, the torque of each    ure 3 show mountings for front-, rear- and
Ewald Danner,
                                       wheel can be increased to 6200 Nm at 189       four-wheel drive in variations with inline
Sven Osbahr and                        rpms, Figure 1, with additional adaptive       or transversally mounted engines that are
                                       gearboxes. The testing configuration can be    powered either by a combustion engine or
Detlef Naundorf
                                       driven either by a combustion engine or        an electrical motor. Various component
                                       with an electrical motor.                      tests are pictured below (transmission, axle



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DEVELOPMENT                   Measuring Techniques


transmission, transfer gearboxes) that uti-     automation structure that encapsulates            high dynamic loop control applications.
lize the five available electrical motors for   single functional units. The automation           The system handles the following func-
varying testing tasks. All variations can be    partners ABB and Kratzer Automation were          tions:
torque enhanced by adding the above-            able to rely on past experiences gained           s rapid drive control in interaction with
mentioned transmissions. To increase the        with similarly complicated test stands.           the DC-power converters
available speed a planetary transmission        They chose an automation structure, based         s rapid torque calculation utilizing the
can be added to reach a maximum of              on single layers, from the machine loop           measured values of the DC-motors.; the
20,000 rpms.                                    control up to the operational interface.          precision of the implemented models ma-
                                                    In this structure, drive control is handled   kes it possible to do without torque measu-
3 Measurement and Control                       through PAISI, an ABB control system. PAISI       rement on the drives
System                                          receives its setpoints from PAtools, an au-       s the high resolution calculation of speed
                                                tomation system developed by Kratzer Au-          from the incremental signals of the motors
With its numerous configuration possibili-      tomation, residing a level above. In the au-      via the IEI speed measurement method
ties the mechanics and drive technology         tomation system, the setpoints are                s high resolution speed control
can comply with the requirements modern         processed dependent upon the loop control         s dynamic torque control
development tools face.In contradiction,        mode chosen and, if necessary, the speed          s rapid calculation of the simulated torque
the measurement and control system was          and torque compensation controllers be-           for vehicle mass and wheel inertia simula-
no longer state of the art and the user was     tween two motors on a common axle – if            tion; the simulation structure changes ac-
increasingly confined in operation, a situa-    are activated. In the other direction, mea-       cording to the maximum transferable
tion that could only be remedied with the       sured or calculated values e.g. torque, speed     wheel torque calculated by the automation
help of modern IT-Technology. The utiliza-      or vehicle speed are transferred from PAISI       system
tion of the adaptive epicyclic gearboxes, for   to the automation system.                         s real-time data transfer to the automation
example, was only possible with great ef-           Besides sequential control and data ac-       layer and to the DC-power converters.
fort, because of the constantly changing        quisition, vehicle control was also imple-           PAISI is based upon a commercially
gear and torque ratios that are cumber-         mented into the automation system. If nec-        available SMA compact PCI platform,
some to control with the hardwired logic of     essary, e.g. after structural changes, the        Figure 5. The system is flexible, has excel-
the test stand loop controller.From start, it   loop control parameters can be down-              lent connectivity and is open for future en-
was very clear that the modernization con-      loaded from the automation system. The            hancements such as: further interfaces,
cept not only included the replacement of       measured values are conditioned with the          greater functionality and processor up-
the automation system, but also of the res-     help of a MGCplus amplifier from HBM.             grades. The powerful processing unit with
ident drive control and simulation system,      Wago intelligent I/O terminals were in-           its real-time operating system RTOS-32
with state of the art technology.               stalled for control functionality. Communi-       from On Time, guarantees the execution of
    The new system should not only utilize      cation between components is accom-               control and loop control tasks with sam-
the test stand configuration capabilities,      plished via Profibus-DP, which achieves de-       pling rates of 1 ms and 2 ms. Interfacing ex-
but should also improve precision and per-      terministic behavior in the total system          ternal components is done with analog and
formance. It should also allow the experi-      even at the given sampling rate and               digital modules, common field bus net-
enced test stand operator to adapt loop con-    amount of data. The automation system is          works and the optical link to ABB drives.
trol parameters as well as transmission ra-     integrated into the ika/fka LAN.                     For startup and service purposes or the
tios for adaptive gearboxes and monitor             The layered structure, Figure 4, simpli-      editing of the software application, a com-
the resulting total inertia so that the opti-   fies the control of the complex test stand.       fortable      development        environment
mization of any configuration is easily pos-    This becomes clearly apparent when exam-          CoDeSys from 3S, with its graphical and
sible. With this background knowledge, an       ining software testing as an example. For         textual programming languages conform-
extensive requirement specification was         complicated test stands of this nature, it is     ing to the well-established industry stan-
developed, taking all conceivable configu-      extremely difficult to test all possible com-     dard IEC 61131-3 [1,2], is available for the op-
rations of the powertrain test bench into       binations within justifiable limits. The divi-    erator, Figure 6. Besides logic program-
consideration.                                  sion into separate layers allowed the devel-      ming, visualization and communication,
    The following were modernization            opment of clearly encapsulated software           the system also has an extensive library of
goals:                                          modules that were tested by simulating            powerful function blocks and macros for
s increasing measurement precision              their individual functionality. The               drive and test stand relevant control and
s increasing loop control quality and dyna-     overview of module interaction is also very       simulation applications. The powerful li-
mics                                            clear. Testing of the entire system can           brarian and offline-simulation supports the
s improvement of effectiveness and flexi-       therefore be reduced to a few representa-         programming as well as the startup and
bility during test stand operation              tive configurations. In the following pas-        service activities. The development and
n ease of operation as well as improved         sages the drive control and automation sys-       programming environment, that also en-
measurement control/manipulation.               tem will be described in more detail.             compasses the visualization functionality
                                                                                                  for service and stand-alone operation of the
4 Layered Structure                             5 Dynamic Drive Control                           drives during startup, runs on any common
                                                                                                  notebook with Windows as an operating
The large number of mounting variations,        The electrical drive and load units – up to       system.
the resulting number of operation and loop      five motors depending upon the configura-            During test stand operation, PAISI is re-
control modes combined with various test        tion – are implemented into their own con-        sponsible for all drive control tasks in the
objects and testing programs, show how          trol and simulation block. ABB utilizes their     automation structure hierarchy. The opera-
complex it is, to automate this type of test    highly sophisticated control system PAISI,        tor, though, does not see PAISI as a system
stand, Figure 2, Table. This demands a clear    developed especially for high resolution,         that needs to be parameterized. All opera-



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tion commands and parameter values are             with its real-time operating system is re-        setpoints. Especially designed for the test-
entered through the automation system              sponsible for high performance data acqui-        ing of complete vehicles, comparable to a
PAtools.                                           sition, control functionality and loop con-       dynamometer roller test stand, the driver is
                                                   trol. With this capability, it is possible to     supported through a drivers aid display
6 Automation System                                implement very complex loop control algo-         system, which is also integrated into an op-
                                                   rithms with PAtools.Parameterization, op-         erator window. The test stand operators
In the above-mentioned test stand durabil-         eration and evaluation are done on a Win-         can also design the operator interfaces to
ity and functionality tests are carried out.       dows-PC connected to the process unit via         suite their requirements. For this purpose a
Depending on the prototype phase of the            TCP/IP. At ika/fka the real-time capabilities     graphic design tool is available.
test objects, simple, heavily-time lapsed          are used to implement the complicated ve-
steady-state tests and also dynamic tests          hicle control completely into the automa-         7 Efficiency Increase
with road-load, vehicle and driver – simula-       tion system. The following functions are          by Modernization
tion can be run. The automation system PA-         implemented:
tools enables either test programming via          s Control of the combustion engine: A             The modernization of the transient Drive-
sequence tables or a link to real life data, ac-   complete engine map supported, adaptive           line test bench at ika/fka was completed in
quired through vehicle test-drives, that are       loop controller has been implemented,             the spring of 2003. The customer projects
then used as source of set points for the          with specially designed features for com-         carried out afterwards show that the in-
loop control. An interface to MS-Excel sim-        bustion engines.                                  vestment decision has paid off in many
plifies the exchange of data already avail-        s Combustion engine simulation using an           ways. The new operator interface and visu-
able in Office-Format. The test parameteri-        electrical motor as a drive: In the test de-      alization offer greatly enhanced operation
zation is done in a database via a specifical-     sign phase the speed-torque-curve of the          comfort. The newly integrated loop control
ly structured operator interface. A trained        complying combustion engine is used.              and simulation structures combined with
test stand engineer can make any adapta-           s Drive control: The drive control interacts      the extended number of operating modes
tions desired. A security concept with user        with a setpoint generator that allows a va-       improve the utilization diversity of the test
rights protects sensitive data from errors         riable drive profile preview, to which the        stand for more complicated and demand-
during parameterization.                           required acceleration torque is calculated        ing test procedures. With the new digital
    The main focus of the function testing is      and the gear switching adjusted. Also part        loop control, quality and stability has im-
power and efficiency. Further testing in-          of the drive control is a brake controller that   proved in all configurations and operating
cludes dynamic drive testing comparable to         simulates the brakes by adding a pre-adju-        modes compared to the former setup. Con-
real-life track tests, to examine adjust-          sted simulated brake torque to the underly-       cerning simulation range, simulation sta-
ments and balancing of manually shifted            ing electrical drive loop control.                bility, rise time, und transitive control qual-
and continuously variable transmissions,           s Pressing the clutch and switching gears         ity a considerable performance improve-
transfer gearboxes and axle transmissions.         with a manual transmission: The clutch is         ment has resulted.
To record characteristic maps, a pool of dif-      continuously adjusted. The drive controller           In general, the automation concept has
ferent speed-/torque-measuring shafts that         adjusts the clutch according to the momen-        lead to a significant increase in process sta-
allow an optimum adaptation to the mea-            tary situation, either controlled or via speed    bility, reliability and availability. This di-
suring value and measuring range are               loop control.                                     rectly results in an increase in test stand
available.                                             The integration of the vehicle control        running hours and economical operation.
    For the examination of exceptional test        into the automation system is of great ad-        With the integration of various test config-
cases during (four-wheel-drive) powertrain         vantage for the test stand operator: The op-      urations and the flexibility of the automa-
development the following functions are            erator has easy access to the software that       tion system there will be a future reduction
used within the standard operation modes:          with great probability has to be altered due      of test preparation time and a further in-
s simulation of speed differences right/left       to the complexity of future vehicles. In-         crease in efficiency. The result of the invest-
as well as front/rear                              creasingly, vehicle control systems must be       ment decision to modernize the system is
s slalom functionality right/left                  able to communicate with vehicle ECUs.            that both the customer and the test stand
s control of torque distribution left/right            The complex vehicle control system at         operator of the transient Driveline test
and front/rear                                     ika/fka was developed and tested using the        bench have profited from these positive ef-
s vehicle simulation with the continuous           simulation tool Matlab/Simulink, Figure 7.        fects.
change of slope and incline based on a pa-         Utilizing the Real-time Workshop, a target
rameterized model or data acquired during          file was created with the models and loop         References
roll out tests which has been stored in a sy-      control structures and implemented into
stem spread sheet.                                 the real-time PAtools system.                     [1] Neumann, P.: SPS-Standard IEC 1131-3 –
                                                                                                     SPS-Programmierung in verteilten Automa-
s wheel slippage simulation with adjusta-              The test stand is used mainly for auto-       tisierungssystemen. Oldenbourg Verlag, 2000
ble friction coefficient and adjustable iner-      mated tests. For short function tests and se-     [2] Hanefeld, M.: Ziel ist der einheitliche Soft-
                                                                                                     warestandard. In: A&D Newsletter 9/2002
tia of the simulated wheels; for this purpo-       tups a manual mode is also supported. Be-         [3] Wallentowitz, H.: Längsdynamik von Kraft-
se the longitudinal dynamics of the vehicle        cause of the complexity of the test stand a       fahrzeugen. Vorlesungsumdruck Fahrzeugtechnik I,
are simulated in the automation system [3];        standard operator control desk would turn         Institut für Kraftfahrwesen Aachen. RWTH Aachen,
                                                                                                     2001
the simulation result is the maximum               out to be extremely complicated. Any adap-
transferable torque per wheel. The mass si-        tation would turn out to be very costly. This
mulation implemented within PAISI is res-          is the reason the entire manual control
ponsible for the simulation of the wheel           desk was integrated into the graphical user
slippage.                                          interface of the automation system,
    One of PAtools most important features         Figure 8. In a window the operator chooses
is its real-time capability. The process unit      the test stand setup and enters the desired



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