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 felülnézeteMérnökeink 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.
1. séma. Az elektronikus motorvezérlő egység fejlesztésének folyamata (V-diagram)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.
2. séma. A HIL-rendszerű ellenőrzési környezetA 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
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.
