Snelle en flexibele testbanktechniek ondersteunt realistische rijsimulaties

De testbank van de Kempten University of Applied Sciences (HS Kempten) wordt hoofdzakelijk gebruikt voor het testen van voertuigfuncties. Hij is ontwikkeld in het laboratorium voor besturingstechniek en voertuigsystemen van de hogeschool, die zich onder meer bezighoudt met toegepast onderzoek en ontwikkeling op het gebied van de automobiel- en automatiseringssector. Het lab is oorspronkelijk in 2016 opgericht met als doel het testen van componenten. Sindsdien is het scala aan activiteiten gestaag uitgebreid tot complexe testbanken voor complete systemen.

Het doel van zo’n testbank is zo snel mogelijk zowel nieuwe voertuigen als nieuwe functies testen en onderzoeken hoe de afzonderlijke functies elkaar beïnvloeden. Een ander voordeel is dat voertuigen kunnen worden getest in hun oorspronkelijke rijklare staat in plaats van te moeten worden aangepast, zoals het geval is bij de meeste conventionele testbanken.

Florian Zerbes, onderzoeksassistent bij het Allgäu Research Center van HS Kempten, vertelt: ‘In het geval van een elektrisch voertuig is het de bedoeling te testen of de HVAC-systemen – die hun stroom uit de hoogspanningsaccu halen – invloed hebben op de belangrijkste functies van het voertuig, zoals het in- en uitschakelen en het rijden. Dit houdt in dat we een testcyclus specificeren waarbij het voertuig herhaaldelijk wordt gestart, gestopt en versneld. De toestand van het voertuig verandert daardoor, het HVAC-systeem wordt in- of uitgeschakeld en het laadniveau van de accu wordt gevarieerd. Met de testbank bij HS Kempten kan deze test volledig onafhankelijk gedurende meerdere uren of zelfs dagen worden uitgevoerd. De gegevens van de testbank en het voertuig worden voortdurend geregistreerd, zodat ze kunnen worden geanalyseerd en in het eindresultaat van de test kunnen worden opgenomen.’

Natuurgetrouw

De aandrijfmotoren die aan de wielen van het voertuig zijn bevestigd, bieden weerstand aan de aandrijving van de wielen. Zo kan het rijden op een weg worden gesimuleerd. Een robot in het voertuig draait de contactsleutel om, verplaatst de versnellingspook en bedient diverse knoppen, zoals die voor de binnenklimaatregeling. Lineaire motoren op de pedalen drukken het gas- en rempedaal in, terwijl een motor het stuur laat draaien. Een tweede robot buiten het voertuig steekt de verschillende oplaadkabels in en uit de oplaaddoos.

De stromen en spanningen in de kabelbomen van het voertuig worden gemeten en geregistreerd voor latere analyse. Het Beckhoff-besturingsplatform – een C6030 ultracompacte industriële pc met Twincat – communiceert met de afzonderlijke componenten en het voertuig (via de Can-bus). Deze centrale besturingseenheid coördineert de afzonderlijke componenten en stuurt ze aan. Er kan een reeks verschillende tests worden uitgevoerd, elk met een eigen procedure. De naadloze integratie van de Can-apparaten in het Ethercat-besturingssysteem wordt gegarandeerd door negen EL6751 Ethercat-klemmen, enkelkanaals communicatie-interfaces die alle Can- en Canopen-apparaten kunnen integreren.

Tijdens de testprocedure wordt het voertuig blootgesteld aan reële rijomstandigheden. Daartoe beweegt een aandrijvingstestbank de wielen volgens de gesimuleerde koppels en kunnen zelfs stuurbewegingen worden opgevangen. De simulatie is zo natuurgetrouw dat het voertuig niet eens ‘beseft’ dat het op een testbank staat. Zelfs de handelingen van de bestuurder worden gesimuleerd met industriële robots die heel veel verschillende acties mogelijk maken. Ook de omgeving wordt gesimuleerd, evenals de manier waarop het voertuig met de omgeving communiceert – bijvoorbeeld via gps. Naast de ontwikkeling van de echte testbank heeft HS Kempten ook een digital twin van het systeem gemaakt. Dit vergemakkelijkt niet alleen de inbedrijfstelling van de testbank maar biedt ook uitgebreide visualisatie en bewaking van het systeem.

Goedkoper en flexibeler

Een belangrijke overweging bij de ontwikkeling van de nieuwe testbank was hoe het systeem zo kosteneffectief mogelijk kon worden gemaakt. Dit werd met name bereikt door gebruik te maken van standaard industriële componenten zoals omvormers, motoren en regelaars. Een andere overweging was dat het systeem snel geïnstalleerd en verwijderd moest kunnen worden, ongeacht het voertuigmodel. De testbank moest daarom gemakkelijk kunnen worden aangepast.

‘We hebben een testbank ontwikkeld die de meeste voertuigfuncties kan testen met behulp van standaard voertuiginterfaces’, zegt Andreas Stiegelmeyr, professor werktuigbouwkunde aan HS Kempten. ‘Dit maakt het mogelijk om met minimale inspanning functies te testen met een hoge mate van connectiviteit, ongeacht het voertuigtype. Wat wij hebben gecreëerd, is daarom een geweldig alternatief voor voertuigfabrikanten met een breed scala aan modellen, en vooral voor fabrikanten van kleine series.’

Zerbes: ‘We hebben voor een systeem van Beckhoff gekozen als centrale besturing omdat het al veel verschillende interfaces met industriële componenten biedt. De besturingstechnologie kan bovendien eenvoudig worden uitgebreid door Ethercat-klemmen toe te voegen en dankzij de vrijheid van de Ethercat-topologie zelfs optimaal worden verdeeld over een ruimte. Alleen al door het grote aantal beschikbare hardware- en softwareproducten kunnen veel meet- en besturingstaken met minimale inspanning worden uitgevoerd. En als klap op de vuurpijl biedt de pc-gebaseerde besturing van Beckhoff een duidelijk kostenvoordeel ten opzichte van systemen uit de automobielsector.’

Toolchain

De testreeksen worden geschreven in Structured Text met behulp van een speciaal ontwikkelde toolchain en gegenereerd met Matlab/Simulink. Hierdoor is het mogelijk Twincat en Simulink effectief samen te gebruiken. Zerbes: ‘Blokken die al de informatie voor de hardwarekoppelingen bevatten, kunnen automatisch worden gegenereerd in Simulink. Bij het compileren van het betreffende model worden de bijbehorende hardwarekoppelingen automatisch ingesteld door de Twincat Automation Interface en wordt er een koppelingslaag gecreëerd tussen het model en de hardware.’

De nieuwe toolchain biedt verschillende mogelijkheden. Zo kan het vereiste Simulink-model vrijwel moeiteloos worden gecreëerd. Ook kunnen zonder problemen verschillende databases worden gebruikt. Verder kan de verbinding met de hardware worden geautomatiseerd en rechtstreeks in het Simulink-model worden geconfigureerd. En ten slotte profiteren gebruikers van een eenvoudige interface.

De huidige focus van de toolchain ligt op de Can-bus, wat betekent dat Can-berichtblokken zeer snel kunnen worden aangemaakt via bijvoorbeeld een DBC-bestand. Dergelijke blokken kunnen dan rechtstreeks worden verbonden met de rest van het model en de verbinding met de hardware kan in Simulink worden geconfigureerd. Gebruikers kunnen de afzonderlijke berichten via een gui configureren en andere verbindingen met de hardware rechtstreeks in Simulink configureren. Zodra het Simulink-model is gemaakt, kan het eenvoudig en zonder veel moeite via de toolchain met Twincat worden verbonden. De gebruiker hoeft alleen maar te beslissen welk Simulink-model hij aan welk Twincat-project wil koppelen.

Voor het overige gaat alles volledig automatisch. Tegelijkertijd is het ook mogelijk om aanpassingen uit te voeren aan het Twincat-project, bijvoorbeeld op het gebied van de hardware of de implementatie van plc-projecten.

Stefan Ziegler werkt op het redactie- en marketingbureau van Beckhoff Automatisering.