Egy jármű valamennyi hajtott kerekére szabályozott terhelést adó tesztállomás szabályozórendszere szimulálja az útellenállást, valamint a berendezés első és hátsó hengerein keresztül azonos gyorsulást, sebességet és megtett utat tart a tesztelt jármű kerekein. A szabályozórendszer tulajdonságai több szempontból is alapvető fontosságúak. 

 Egy gépkocsi laboratóriumi körülmények közötti vezetése – miközben az útellenállást szimuláljuk – lehetőséget teremt arra, hogy mérjük a jármű teljesítményét, üzemanyag-fogyasztását és károsanyag-kibocsátását, vagyis a tervezés hatékonyságát mutató jellemzőket. A tesztelésre kiválasztott járművet kerekeivel a tesztállomás forgó első és hátsó hengereire állítjuk. Mialatt a kezelő vezeti a járművet, a rendszer méri a sebességet, a gyorsulást és a motor nyomatékát, eközben pedig két elektronikus fékezőrendszer (DC motor és generátor) szabályozásával változtatják a berendezés hengereivel közvetített erőhatást a jármű kerekeire. Az elektronikus fékek pontos szabályozásával az út- és a légellenállás úgy szimulálható, mintha a járművet valódi úton vezetnék.

Új funkciókra van szükség

Az összkerékhajtású járművek elszaporodása miatt bővíteni kellett a járműtesztelésre használt berendezések funkcionalitását. Követelmény, hogy a tesztállomás első és hátsó hengerén – egyúttal a jármű minden kerekén – a gyorsulás és a sebesség azonos legyen: ehhez valós idejű, kis késleltetésű, a sokváltozós rendszerrel együttműködő vezérlőhardverre van szükség, amelynek működése determinálja az egész berendezés használhatóságát. Egy ilyen rendszer fejlesztése a tapasztalatok szerint hosszú időt és jelentős fejlesztési költséget igényel.

 A leírt automatikus, a jármű minden hajtott kerekére szabályozott terhelést adó tesztállomás példánkban szereplő fejlesztése során az alkalmazás adatgyűjtő és szabályozórendszeréhez az NI CompactRIO platformot választották. A CompactRIO FPGA-val és nagy teljesítményű, valós idejű vezérlővel kiegészülve technikailag fejlett, költséghatékony automatizálási megoldást kínál. A technológiai kockázatok és a fejlesztési idő csökkentésére a hardver mellé a hatékony analízis- és vezérlőképességekkel bíró NI LabVIEW szoftvert választották. Ezzel egy olyan rendszert építettek fel, amelyhez több mint 100 mérendő jel csatlakozik, és amelyben fejlett, többhurkos PID (arányos, integráló és deriváló) szabályozórendszer működik. A mérendő jeleken a mintavételi frekvencia 1 MHz, a szabályozójelek frissítési frekvenciája 250 Hz, így lehet a holtidő kicsi, illetve hatékony és nagy teljesítményű a szabályozás.

Innovatív válasz a kihívásokra

A rendszermérnökök számos kihívással szembesülnek a tesztállomás automatizálásának megalkotásakor. A CompactRIO képességei és a rugalmas programozási környezetet nyújtó LabVIEW – amely a Windows operációs rendszert valós idejű és FPGA fejlesztési területeken is működőképessé teszi – játszott kulcsszerepet az elképzelések sikeres megvalósításában.

Gyors és valós idejű működés Egy gyorsan mozgó jármű dinamikájának követéséhez a szabályozási hurokban a másodperc igen kis töredékét kitevő ciklusidőre van szükség. A kialakított megoldásban az összes mérést és biztonsági ellenőrzést elvégző CompactRIO FPGA hurok másodpercenként egymilliószor fut. A valós idejű, beágyazott processzoron működő szabályozóhurokban másodpercenként 250 iteráció fut le, ami kiváló dinamikát jelent.

Forradalmi méréstechnika A mérések minősége, különösen a sebesség- és gyorsulásméréseké, közvetlenül befolyásolja, hogy a tesztállomással milyen hűen lehet szabályozni és szimulálni. A bemutatott rendszerben alkalmazott CompactRIO platform számos egyedi és innovatív megoldást kínál a mérésekhez: * FPGA kódként implementált egyedi pergés- és zavarszűrés a digitális bemeneteken * új és pontos gyorsulásmérési mód, amely a hagyományos impulzusszámlálás helyett a helyzetadók impulzusainak időzítésén alapul, és elérhetővé teszi az 1 MHz-es hurokfrekvenciát * moduláris, nagy dinamikájú, kiváló linearitású és ipari megbízhatóságú I/O csatornák.

Elosztott szoftver A CompactRIO-alapon és Windows operációs rendszerrel megvalósított szabályozórendszer hatékonyan programozható és elosztható három számítási platformra: FPGA, CompactRIO valósidejű vezérlője és Windows.  A LabVIEW segítségével ez a három platform zökkenőmentesen integrálható és programozható.  A Windows operációs rendszerrel működő, a vezérlőben telepített host számítógép és az I/O szekrényben található CompactRIO valós idejű vezérlő között szabványos Ethernet-alapú kommunikáció folyik. A CompactRIO rendszerrel végeztetjük az összes mérési és vezérlési feladatot, a Windows operációs rendszerrel működő host gépen fut a felhasználói felület, és az adattárolás is ott történik. Egy jármű teljesítménymérésére alkalmas tesztállomás szimulációs pontosságának validálására jól meghatározott ipari előírásokat bocsátott ki a SAE (Society of Automotive Engineers).

A standard kifutásos mérések végrehajtása során a járművet 100 km/h sebességre gyorsították, majd hagyták terhelésmentes állapotba kerülni. A szimuláció finom hangolásával elérték, hogy a sebesség-idő adatok azonosak voltak azokkal, amelyekre akkor lehet számítani, amikor a járművet az úton hagyjuk megállásig lassulni.   A gyors konvergencia és a szoros egyezés a megfigyelt és a különböző sebességek mellett elvárt kifutási idők között igazolják a szabályozórendszer megfelelő működését. Az új szabályozórendszerrel és különböző típusú járművekkel számos tesztet végeztek. A rendszer valamennyi alkalommal sikeresen működött, és kivételes pontossággal, gyorsan reprodukálta az elvárt kifutási jellemzőket.  

Elért eredmények

Néhány hónap alatt megterveztek, kifejlesztettek, üzembe helyeztek, validáltak és dokumentáltak egy új szabályozórendszert. A gépkocsik kifutási procedúrái néhány iterációs lépésen belül az ipari szabványoknak megfelelő módon konvergáltak. A kifutási időzítést 10 százaléknál kisebb hibával (másodpercenként kisebb mint 0,1 másodperc eltérés) reprodukálták, miközben az erő beállítási hibája nem érte el a 10 N-t.

Összkerékhajtású módban az első és hátsó kerék közötti elcsúszást 0,07 ppm minimális értéken tudták tartani. A rendszer maximális sebessége 140 km/h, miközben a tengelyek közötti sebességkülönbség mindössze 0,01 m/s. Dinamikusan változó körülmények között megtett több kilométer után az első és a hátsó kerekek által futott utak közötti különbség mindössze néhány centiméter.