2 HiL-Prüfstand
Bild 2.1 zeigt ein EPS‑System, bestehend aus dem EPS‑Motor mit ‑Steuergerät und der Lenkmechanik. Bei der dargestellten Systemanordnung wird das Unterstützungsmoment des EPS‑Motors über ein Getriebe auf die Zahnstange übertragen.
Bild 2.1 EPS System
Die sicherheitsrelevanten und zu optimierenden Komponenten des EPS Systems sind insbesondere der Motor und das Steuergerät mit der entsprechenden Funktionssoftware. Diese sind demnach umfangreichen und möglichst realen Tests zu unterziehen. Dazu werden beide, wie in Bild 2.2 auf der linken Seite dargestellt, als Hardware in den HiL Prüfstand integriert.
Bild 2.2 Aufbau des HiL Prüfstands
Als weitere Komponenten enthält der Prüfstand einen HiL Aktor, Bauteile zur Drehmomentenübertragung und Sensorik. Die fehlende reale Lenkmechanik wird durch ein detailliertes mathematisches Modell berücksichtigt, das alle für den Test des EPS Motors und Steuergeräts relevanten Eigenschaften beinhaltet. Dieses Modell wird auf einem dSPACE Simulator in Echtzeit ausgeführt. Die beim realen EPS System auftretenden Schnittgrößen am EPS Motor werden durch den hochdynamisch geregelten HiL Aktor eingestellt, so dass dem EPS Motor die Anbindung an die reale Lenkmechanik vermittelt wird. Um dies zu gewährleisten, müssen die im Prüfstand verwendeten Komponenten besondere Anforderungen erfüllen. Dazu zählen unter anderem geringe Massenträgheitsmomente sowie eine geringe Reibung und geringe Ungleichförmigkeiten im HiL Aktor. Letzteres wird durch zusätzliche regelungstechnische Maßnahmen unterstützt. Ferner weisen die Sensorsignale eine hohe Güte auf und die Sensor- sowie Aktorschnittstellen enthalten vernachlässigbar geringe Totzeiten. Der HiL Aktor kann bis zu hohen Lenkwinkel¬geschwindigkeiten von 1200 °/s Drehmomente bis zu 30 Nm stellen, wodurch er vielseitig auch für Lenksysteme im Rennsportbereich einsetzbar ist.
Bild 2.3 zeigt die Struktur des HiL Prüfstands mit den zuvor beschriebenen Komponenten und deren Zusammenwirken.
Bild 2.3 Struktur des HiL Prüfstands
Auf dem Simulator ist neben dem echtzeitfähigen mathematischen Modell der Lenkmechanik die HiL Aktor Regelung implementiert. Diese erzeugt die Stellgröße für den HiL Aktor und stellt zusätzlich Größen zur Simulation der Lenkmechanik bereit. Letztere wiederum liefert Sollgrößen an die HiL Aktor Regelung zurück und die Eingangsgrößen für das EPS Steuergerät.
3 HiL Aktor Regelung
Für die Zielsetzung, dem EPS Motor und Steuergerät eine reale Testumgebung zu vermitteln, ist eine hohe Regelungsbandbreite erforderlich. Zudem sollen die Regelgrößen trotz Störeinflüssen, wie Reibung am HiL Aktor und Messrauschen, den vom Modell der Lenkmechanik berechneten Sollgrößen in einem sehr engen Toleranzband folgen. Um diese Ziele zu erreichen, kommt eine beobachtergestützte Zustandsregelung zum Einsatz.
Darüber hinaus wird der Regler um ein nichtlineares Modell zur Rekonstruktion der Rastmomente am HiL Aktor erweitert. Bild 3.1 zeigt die entsprechende Regelungsstruktur.
Bild 3.1 Struktur der HiL Aktor Regelung
Die Regelung besteht aus einer statischen Rückführung der geschätzten Zustandsgrößen des HiL Prüfstands im Vektor xp sowie einer Aufschaltung der Führungsgrößen im Vektor uref und der geschätzten Störgrößen im Vektor xd. Die benötigten Schätzgrößen werden mit Hilfe eines linearen Beobachters aus der Regler¬ausgangsgröße yctrl und den Messgrößen im Vektor ypm ermittelt. Zusätzlich berechnet der Beobachter Größen im Vektor umech für die Simulation der Lenkmechanik.
Die Regler und Beobachterverstärkungen werden durch den Entwurf einer optimalen und robusten Regelung nach dem LQG/LTR Verfahren bestimmt [1], [2].
Zur Kompensation der Rastmomente wird der
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