Automatizált vizsgálatok alkalmazásával olyan új ellenőrző rendszer kifejlesztése volt a FUJI Heavy Industries feladata, amely megfelel a Subaru első sorozatgyártott hibrid járműve, a Subaru XV Crosstrek Hybrid elektromos motorvezérlő egységénél szükséges vezérlésminőségi követelményeknek és valódi motorokkal nehezen megvalósítható, nagy igénybevételt jelentő vizsgálati körülményeket képes teremteni. A megoldást az NI FlexRIO-platformja szolgáltatta. Ez alkalmas olyan ellenőrző rendszer megépítésére, amely lehetővé teszi minden vizsgálati műveletsor automatizált végrehajtását, a felhasználó biztonságát legmesszebbmenőkig biztosítva helyettesíti a legveszélyesebb tesztkörnyezeteket, miközben eléri a megkövetelt vezérlési sebességet, és teljesíti a kritikus időkövetelményeket.
Manapság az autók számos elektronikus vezérlőegységet tartalmaznak a különféle járulékos funkciók és korszerű vezérlések kezelésére. Hibrid járműben az elektronikus vezérlőegység szerepe még bonyolultabb, mivel ez irányítja a hagyományos és az elektromos motor közötti folyamatokat, valamint az utóbbi hajtásrendszerét is.
A Subaru anyavállalata, a Fuji Heavy Industries eldöntötte, hogy kifejleszti első hibrid járművét, a Subaru XV Crosstrek Hybrid modellt. Ezzel első ízben kívántunk piacra dobni sorozatgyártott hibrid modellt, megcélozva mind a hazai japán, mind az észak-amerikai piacot. Mérnökeink előzőleg már kifejlesztettek egy elektronikus motorvezérlő egységet egy korábbi hibrid prototípushoz, ez azonban nem elégítette ki az autó piaci bevezetésének szigorú követelményeit. A sorozatgyártott járműmodell elektronikus motorvezérlő egységének rendelkeznie kell számos olyan vezérlési funkcióval, amelyek védik a karosszériát a sérüléstől és biztosítják a vezető, illetve az utasok biztonságát olyan használati körülmények mellett is, amelyeket lehetetlen vagy célszerűtlen lenne valós fizikai modellen vizsgálni.
Például: jeges úton hirtelen megszűnhet a kerék tapadása. Ennek hatására gyorsítás közben drasztikusan megemelkedhet a motor fordulatszáma, ezért az ilyen helyzetet biztonságosan kezelni kell. Ezt a vezetésbiztonsági viselkedést azonban dinamométeren nem lehet fizikailag reprodukálni, tesztpályán pedig nehéz és időigényes lenne. Az ilyen és ehhez hasonló, különleges biztonsági körülményekhez bonyolult vezérlési algoritmusokat kell kifejleszteni és hitelesíteni. A sorozatgyártott járműveknél megkövetelt minőség biztosítása érdekében a vizsgálatoknál figyelembe kell venni a szélsőséges üzemi körülményeket.
Új megközelítés
![A Subaru XV Crosstrek Hybrid erőátviteli rendszerének átlátszó felülnézete](/images/stories/cikkek/2014/10/14-5-ni-3.jpg)
Mérnökeink az elektronikus motorvezérlő egységet egy valósidejű motorszimulátorra csatlakoztatva sokféle körülményt tudtak vizsgálni és igazolni, többek között olyan szélsőséges helyzeteket is, amelyek hagyományos mechanikai bevizsgálás esetén tönkretették volna a rendszert. Kifejlesztettek egy olyan megoldást, amely kellő mértékben alátámasztja a szoftveres szimuláción alapuló megközelítést, három fő célt szem előtt tartva a sikeres tesztelések érdekében:
- ellenőrizni tudja az elektronikus motorvezérlő egység funkcionalitását a különböző, például nehezen létrehozható vagy reprodukálható feltételek esetén is;
- a követelményeket le tudja képezni vizsgálati esetekre, így a vizsgálatok minden követelményt lefednek;
- könnyen elvégezhető, regressziós vizsgálatokkal gyorsan igazolni tudja a tervezési iterációkat.
A fenti célok elérése érdekében műszaki csapatunk a lenti V-diagram (1. séma) szerinti megközelítéssel indította el a tervezési és ellenőrzési folyamatot. A diagram többlépcsős módszert szemléltet a beágyazott szoftver fejlesztésére és ellenőrzésére vonatkozóan, beleértve az egyes lépcsők vizsgálati pontjait is. A tervezési folyamat több lépésénél a csapatnak környezetszimulálós („hardware-in-the-loop" — HIL) rendszerrel kellett ellenőriznie az elektronikus motorvezérlő egységet, összevetve egy másik, a jármű tényleges motorját hűen leképező valósidejű motorszimulációval. A HIL-rendszer biztosította a visszakövethetőséget is: automatikusan rögzítette a vizsgálati eredményeket, az elektronikus motorvezérlő egység módosításakor pedig automatizálni lehetett a regressziós vizsgálatokat.
Sikeres rendszer
A megépített, új ellenőrző rendszer egy fizikai motorvezérlő egységből és a motor működését szimuláló HIL-rendszerből áll (2. séma). Ez utóbbi a fizikai jellemzők — például az induktivitás- és ellenállásértékek — beállításával szimulálni tudja a motor bármilyen üzemállapotát. Be tudja állítani a teljesítményelektronikai paramétereket is, beleértve a hibaállapotokat és különféle vizsgálati helyzeteket, például a terhelőnyomaték és a kívánt fordulatszám kombinációit is. A vizsgálat közben egyszerűen lehet paramétert módosítani, így a HIL-rendszerrel könnyen szimulálhatók bonyolult teszthelyzetek — mint például a korábbi példa szerinti tapadás megszűnése vagy akár az inverter teljesítményelektronikájának olyan jellegű meghibásodása, amely a motor teljes tönkremenetelét okozhatja. Amikor a kezelő egy vizsgálati műveletsort kér, a HIL-rendszer úgy reagál, mint egy valódi motor, majd ezután a teljes rendszer viselkedését az elvárttal összevetve igazolni lehet, hogy a vezérlő biztonságosan kezeli-e az adott vizsgálati esetet.
A leírt folyamat igen számításigényes, és véleményünk szerint ezeket a követelményeket egyedül a National Instruments termékei tudják teljesíteni. Az alaprendszerhez választott hardver az NI FlexRIO FPGA-modulokon alapul, amelyek FPGA integrált áramköröket tartalmazó, PXI-alapú vezérlők. A modulok a szimulált motorokat utánzó modellt futtattak, és minden használt program az NI LabVIEW rendszertervező szoftverével készült.
Excel-táblázat formájában létrehoztuk az egyes vizsgálati lépéseket egymás után futtató műveletsort. A futtatáshoz lépésenként 1 ms-ot állítottunk be, és az Excel-táblában időrendben leírtuk a vizsgálati feltételeket, többek között a nyomatékot és a fordulatszámot. Ilyen feltételek mellett a motor elektronikus vezérlőegysége működésbe lép, és jeleket — például impulzusszélesség-modulált jeleket — küld a HIL-rendszernek. Ez utóbbi fogadja őket, majd szimulálja egy valódi motor működését. A szimuláció során a HIL-rendszer elvégzi a szükséges számításokat, az eredményeket pedig ugyanolyan sebességgel adja ki, mint egy valódi motor. A nyomatékot és a háromfázisú áramot képviselő kimeneti jelek a motor elektronikus vezérlőegységébe jutnak.
Az ellenőrzési folyamatot LabVIEW fejlesztői környezetben automatizáltuk, amely az Excel-táblából kiolvassa és végrehajtja a vizsgálati lépéseket, az eredményeket pedig automatikusan beírja az Excel-táblába, mérési jegyzőkönyvet hozva létre. A fejlesztők ezt a funkciót Excelben programozták le, Visual Basic for Applications kóddal.
Az NI-platform választásának előnyei
![](/images/stories/cikkek/2014/10/14-5-ni-4.jpg)
A HIL-rendszerben a legfontosabb tényező a szimuláció ciklusideje volt, amely a szimuláció időbeli felbontásának felel meg. Az elektronikus motorvezérlő vonatkozásában 1,2 µs vagy rövidebb ciklusidőre volt szükség ahhoz, hogy a szimuláció működjön. Más gyártók szimulációs platformjai többnyire számítógépes processzorokkal végzik el a számításokat, amivel csak 5 — 50 µs-os ciklusidő érhető el.
Az NI FlexRIO a vezérlést és a számításokat FPGA áramkörökkel oldja meg, ami egyrészt teljesíti a feldolgozási követelményeket, másrészt lényegesen gyorsabbá teszi a numerikus feldolgozást. Rendszerünkhöz elsősorban azért választottuk az NI FlexRIO platformját, mert segítségével biztosítani lehetett a megkövetelt 1,2 µs-os ciklusidőt. Ezenfelül az NI FlexRIO nagy kapacitású, beépített, dinamikus RAM-jának köszönhetően használni tudtuk a JSOL-vállalat JMAG szoftvereszközláncának JMAG-RT modelljét. Az erősen nemlineáris jellemzők leképezésénél ily módon pontosabban tudtuk közelíteni a valódi motor jellemzőit.
A leírtakon túlmenően, mert az FPGA-t az NI FlexRIO eszközön grafikusan, az NI LabVIEW FPGA modul segítségével programoztuk, gyorsan ki tudtuk fejleszteni az FPGA-alapú rendszert, mert nem kellett szövegalapú, például hardverleíró nyelven programoznunk.
Az összes kifejlesztett vizsgálati műveletsor automatikus futtatása mindössze 118 órát igényelt, míg e tesztek kézi futtatásának időigénye mintegy 2300 óra lett volna. A vizsgálatok automatizálása egyúttal csökkenti a kézileg végzett vizsgálatoknál fennálló kockázatokat és az emberi hibákból adódó többletidőigényt. A HIL-rendszer az időtakarékosság terén további előnyökkel is rendelkezik: segítségével többek között jelentősen felgyorsítható a vizsgálatok elvégzéséhez szükséges elrendezések összeállítása — például szükségtelenné teszi motorvizsgáló asztal és tesztjármű előkészítését —, és nem igényel nagyfeszültségű berendezések kezelésében jártas személyzetet.
A csapat mindegyik műveletsorhoz egy Excel-táblában előre rögzítette a vizsgálat várt eredményeit, 1 ms-os lépésekben megadva a nyomaték és a háromfázisú áram szimulált értékeit. Ezután a HIL-vizsgálatból nyert eredmények sorban bekerültek az Excel-táblába, és a csapat ezeket a megfelelő várt értékekkel összevetve állapította meg a vizsgálat eredményét.