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Prüfstände

Mehrachs-Servoregler bringt hohe Dynamik in mechanische Getriebeprüfstände

Die Wahrheit liegt auf dem Platz. Sagt man zum Beispiel im Fußball. Dementsprechend zeigt sich die Wahrheit von Komponenten wie z.B. Getrieben im Fahrzeug – was in der Praxis jedoch viel zu spät wäre. Die mechanischen Prüfstände zum Testen mechatronischer Systeme von dSPACE ermöglichen es, durch die detailgetreue Nachbildung der physikalischen Belastungen eine Vielzahl der Tests vom echten Fahrzeug ins Labor zu verlagern. Für die hohe Präzision und Dynamik sorgen die modularen Einzel- und Mehrachsantriebssysteme ServoOne von LTI Motion.

Mit dem Antriebssystem ServoOne bietet LTI Motion leistungsfähige Servoregler für eine Vielzahl von Anwendungen an. Das modulare Konzept der Produktfamilie und die flexible Hardware ermöglichen eine optimale Integration in unterschiedlichste Prüfaufgaben. Damit lassen sich innovative mechanische Prüfstände für beispielsweise Elektromotoren, Getriebe, Radarsysteme oder Lenkungen realisieren. Mit eigenen Lösungen besteht zudem die Möglichkeit, elektrische Prüfstände zu konstruieren, die ein verschleißfreies Prüfen von Fahrzeuginvertern ohne kostenintensive Lastmaschinen ermöglichen. „Die hohe Endstufenschaltfrequenz bis 16 kHz, vor allem aber die gute Skalierbarkeit von 4 A bis 450 A und die Möglichkeit durch einen Parallelbetrieb sogar 900 A zu erreichen, sind nicht nur Alleinstellungsmerkmale bei Servoreglern dieser Art, sondern auch drei der wesentlichen Argumente für den Einsatz in unseren mechanischen Prüfständen“, sagt Matthias Deter, Group Manager Engineering bei dSPACE. „Hinzu kommt das für uns offene TWINsync-Protokoll von LTI Motion, das in Verbindung mit unserer Echtzeit-Hardware verschiedene Vorteile bietet – beispielsweise die schnelle Sollwertvorgabe mit 8 kHz, die unterschiedlichen Regelungsmodi und die Synchronität zu den Abtasttakten der Antriebsregler“

Technologievorsprung beim Testen mechatronischer Systeme

Seit über 30 Jahren entwickelt und vertreibt die dSPACE GmbH integrierte Hardware- und Software-Werkzeuge für die Entwicklung und den Test von Steuergeräten – und ist auf diesem Gebiet heute der weltweit führende Anbieter von Lösungen für die Entwicklung und den Test mechatronischer Regelungssysteme. Mehr Tempo in der Entwicklung, mehr Sicherheit beim Testen, schnelle Reaktionszeiten, globale Verfügbarkeit – das ist das Credo des Unternehmens. Als Komplettanbieter unter anderem für schlüsselfertige, hochdynamische und sehr präzise Brems-, Lenkungs- und Radarprüfstände oder als Entwicklungspartner von externen Prüfstandsbauern – wenn es um größere Leistungen geht, wie sie zum Beispiel für Getriebeprüfstände benötigt werden – ist dSPACE ein gefragter Partner und Lösungsanbieter in vielen aktuellen Entwicklungsbereichen der Automobilindustrie. Diese reichen von der Elektromobilität über die automobile Vernetzung bis hin zum autonomen Fahren. Zum Kundenstamm gehören daher auch nahezu alle namhaften Automobilhersteller und -zulieferer. Darüber hinaus werden Systeme von dSPACE auch in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Industriebereichen erfolgreich eingesetzt. Mit mehr als 1.700 Mitarbeitern weltweit ist dSPACE am Sitz in Paderborn, mit drei Projektzentren in Deutschland sowie durch lokale dSPACE Gesellschaften in den USA, Großbritannien, Frankreich, Japan, China und Kroatien vertreten.

Die Zusammenarbeit mit LTI Motion aus Lahnau bewährt sich seit mehr als zehn Jahren auf einer sehr partnerschaftlichen Ebene. „Die Unternehmen haben eine ähnliche Größenordnung, wir begegnen uns auf Augenhöhe, es gibt sogar eine Reihe privater Kontakte zwischen dSPACE und LTI, und wir pflegen einen engen Austausch bis tief in die Entwicklerebene“, bestätigt Matthias Deter. „Das ist auch erforderlich, denn wir sind mit vielen Pilotprojekten und innovativen Simulationslösungen insbesondere für unsere Automobilkunden gemeinsam auf neuen Wegen unterwegs. Da muss man sich gegenseitig auf seinen Partner und dessen Kompetenz verlassen können.“

Simulationen auf Prüfständen virtualisieren die Einsatzwelt

Die Entwicklung und der Bau von mechanischen Prüfständen für Fahrzeugkomponenten und Verkehrssituationen erfolgt auf der Basis der echtzeitfähigen Simulationsmodelle (Automotive Simulation Models) des Unternehmens. „Mit den verschiedenen Simulationsmodellen für den Hardware-in-the-Loop-Betrieb (HiL) virtualisieren wir bei der Simulation von Komponenten deren echte Welt, das heißt deren statische und dynamische Einsatzumgebung“, erklärt Matthias Deter. Für die mechanischen Prüfstände, die das Unternehmen in Kundenprojekten entsprechend der jeweiligen spezifischen Anforderungen konzipiert, spielen elektrische Antriebe eine zentrale Rolle. So bieten sie eine gute Kombination aus Dynamik und Energieeffizienz und ermöglichen eine überschaubare, einfache Infrastruktur des Prüfstandes. Sie sind leicht zu regeln und eröffnen vielfältige Möglichkeiten der Anwendungsorientierung. „Auf den mechanischen Prüfständen wird ein Teil des Prüflings elektrisch über die HiL-Simulation bedient, während die mechanischen Abgänge über die Antriebstechnik und Mechatronik angebunden werden“, erklärt Matthias Deter das Zusammenspiel. Um die äußeren Einflüsse beispielsweise bei der Getriebeprüfung als möglichst realitätsnahe Drehmomente einprägen und um das Verhalten der Komponente hochdynamisch testen zu können, bedarf es einer entsprechend leistungsstarken und dynamischen Antriebsregelung, wie sie die ServoOne-Servoregler von LTI Motion bieten.

Durch Regler-Parallelbetrieb und TWINsync-Kopplung in neue Leistungsdimensionen

Mechanische Prüfstände stellen ein wichtiges Werkzeug zur Forschung und Entwicklung von Getrieben und zur Qualitätssicherung in der Getriebefertigung dar. Im Entstehungsprozess von Komponenten dienen sie ganz allgemein dazu, diese frühzeitig zu testen, um sie zeitnah und gezielt optimieren zu können. Dazu muss die Einsatzumgebung der jeweiligen Komponente, beispielsweise eines Motorgetriebes, realitätsnah nachgestellt werden – denn ein Testen erst im fertigen Antriebsstrang oder gar im fertigen Fahrzeug wäre viel zu spät und viel zu teuer. Um Getriebe auf Prüfständen testen zu können, bedarf es neben der Belastung der Abtriebswellen auch eines motorischen Krafteintrags von außen, wie er in der Realität von einer Verbrennungskraftmaschine (VKM), das heißt einem Benzin- oder Dieselmotor, erzeugt wird. Wird im Rahmen der Simulation eine reale VKM eingesetzt, hat dies eine Reihe von Nachteilen. Das Verfahren ist nicht energieeffizient und umweltgerecht, weil dabei oft in erheblichem Umfang fossile Brennstoffe eingesetzt werden. Soll ein Getriebe im Zusammenspiel mit mehreren VKMs getestet werden, muss dafür der Prüfstand mehrfach aufwändig modifiziert werden. Dies ist wenig flexibel – und dazu noch zeit- und kostenintensiv. Durch die Verwendung elektrischer Antriebe kann beispielsweise die VKM spezifische Drehmomentwelligkeit, die bei der Verdichtung und Zündung des Gemischs aus Kraftstoff und Luft im Motorzylinder entsteht, gezielt und unabhängig von den realen Umgebungsbedingungen eingeprägt und variiert werden. Die hieraus resultierenden mess- und regelungstechnischen Vorteile kommen bei der Entwicklung und Qualifizierung moderner Getriebe zum Tragen.

Um daher in den mechanischen Prüfständen auf Verbrennungskraftmaschinen verzichten und diese stattdessen exakt simulieren zu können, setzt dSPACE in HiL-Getriebeprüfständen auf ein mechatronisches Antriebssystem mit ServoOne-Servoreglern von LTI Motion – in der mit 450 A größten verfügbaren Bemessung der Baureihe. Deren Versorgungseinheit ist mit einer aktiven sinusförmigen Netzrückspeisung zur Rekuperation ausgestattet. Dadurch besteht die Möglichkeit einer Blindleistungskompensation, welche sich positiv auf die Netzstabilität auswirkt. Zudem gewährleistet die Zwischenkreiskopplung einen sehr energieeffizienten Betrieb des Mehrachssystems. „Durch die Parallelisierung von zwei ServoOne-Umrichtern mit 450 A können die Servoantriebe im Prüfstand mit einer addierten Stromstärke von 900 A und zugleich hoher Überlastfähigkeit betrieben werden“, stellt Matthias Deter einen wichtigen Vorteil heraus, „wobei wir zur Verbesserung der Energieeffizienz und der höheren Überlastfähigkeit nicht die mögliche Endstufenschaltfrequenz von 16 kHz nutzen, sondern nur auf 8 kHz gehen.“ Der daraus resultierende Dynamikverlust ist gering, da die ansteigende und abfallende Flanke des Pulsmusters separat geregelt werden und damit der Stromregler trotzdem mit 16 kHz läuft. Der ServoOne kommuniziert über die von LTI Motion entwickelte, hochperformante TWINsync-Kopplung direkt mit der MATLAB/Simulink-Schnittstelle der Prüfstandssteuerung. Die Kopplung ist auf die Abtasttakte der Regelung synchronisiert, vermeidet so schwankende Totzeiten im Regelkreis und bietet dadurch eine sehr hohe Regelungsqualität. „Die Servoregler können mit einem Taktzyklus von 125 µs direkt aus der Echtzeitanwendung des Prüfstandes hochdynamisch angesprochen werden“, erklärt Matthias Deter. „Darüber hinaus ermöglicht die Virtualisierung in Prüfständen grundsätzlich ein besseres Variantenhandling, da komplexe Echtzeitmodelle integriert und die modellbasierten Antriebsregelungen testspezifisch ausgelegt und angepasst werden können.“ In der Praxis bedeutet dies unter anderem ein Höchstmaß an Flexibilität und Effizienz beim Testen eines Getriebes für verschiedene Motoren, denn statt diese mechanisch mit großem Aufwand auszutauschen, können sie jetzt durch das Laden ihrer Kennfelder auf einfache und schnelle Weise simuliert werden.

Mit ihren schnellen Regelungstakten unterstützen ServoOne und TWINsync die Paradedisziplin der dSPACE-Prüfstände: Dynamik. In der Anwendung Getriebeprüfstand ermöglicht es die hochdynamische und präzise Regelung, die Momentwelligkeit der Verbrennungskraftmaschine auch bei hohen Drehzahlen exakt zu simulieren. „Wir können diese torque ripple durch die hochdynamische Maschinenansteuerung gezielt in der Simulation injizieren und so spezifische Momentwelligkeiten nachbilden“, sagt Matthias Deter. „Das zeigt: je mehr Einflussgrößen von VKM auf Getriebe durch elektrische Antriebstechnik simuliert werden können, desto mehr Flexibilität und Freiheitsgrade werden bei der Nutzung des Prüfstands erreicht, ohne diesen zwischen zwei Tests umbauen zu müssen.“ Quasi auf Knopfdruck kann das Getriebe in Kombination mit einem 4-Zylinder-Dieselmotor mit 140 PS oder 6-Zylinder-Benziner mit 250 PS betrieben werden.

Sind die Prüfaufgaben und Testzyklen programmiert, können die Kunden die Anlagen zudem im 24/7-Betrieb laufen lassen und auch auf sehr effiziente Weise Regressionstests fahren.

Auch Dank ServoOne in der Königsklasse etabliert

Mit seinen mechanischen Prüfständen spielt das Paderborner Unternehmen dSPACE – nicht zuletzt dank der Dynamik und Präzision des Mehrachssystems ServoOne – seit Jahren in der Champions League. Damit hat die Stadt an der Pader – übrigens der kürzeste Fluss in Deutschland – zumindest einen Teilnehmer in einer Königsklasse. Es sei denn, die gerade erst aufgestiegenen Fußballer des SC Paderborn landen in der 1. Bundesliga einen erneuten Durchmarsch nach ganz oben…

Autor: Michael Deseniss, Vertriebsingenieur, LTI Motion GmbH (Teil der KEBA Gruppe), Lahnau


05.01.2020

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