Entwicklung von Dynamometern in der Formel 1 mit NI LabVIEW und NI-DAQmx

Author(s):
Paul Riley - Computer Controlled Solutions Limited

Industry:
Automotive

Products:
PXI/CompactPCI, Data Acquisition, LabVIEW

The Challenge:
Entwicklung eines neuartigen Dynamometers speziell für die von Formel-1-Rennwagen erreichten hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen sowie Ausführung dieser Tests innerhalb von Standardfahrwerk und -aufhängung des Fahrzeugs.

The Solution:
Aufbau des Systems auf einem industriellen Pentium 4 mit 3,2 GHz und 1 GB RAM, zusammen mit Datenerfassungs- und Steuerungskarten von National Instruments und komplett in LabVIEW geschriebener Software.

Bereits seit über 30 Jahren ist AP Racing Marktführer auf dem Gebiet der Technologie und Herstellung von Bremssätteln und Kupplungen für Rennwagen.Vom bisher eingesetzten Dynamometer ausgehend nahmen die Experten von AP Racing an, dass ein einzigartiges neues Dynamometer mit folgenden Fähigkeiten entscheidende Vorteile bringen würde:

• Bremsen und Bremssättel können sowohl auf einem Prüfstand als auch direkt im Fahrwerk und in der Aufhängung getestet werden.

• Der Dynamometer bietet die Leistung, die für die präzise Simulation der in der Formel 1 erreichten Geschwindigkeiten und Beschleunigungen notwendig ist.

• Er kann den Luftstrom um den Bremssattel simulieren und so die Untersuchung der Luftströme durch verschiedene Systeme von Luftführungskanälen ermöglichen.

• Aufgezeichnete Daten können importiert werden.

Erstellen der Software und des Elektroniksteuer- und -regelsystems
Aufgrund der Expertise von AP Racing wurde entschieden, den Prüfstand vor Ort zu bauen. Daraus ergaben sich Kostenvorteile und die uneingeschränkte Kontrolle über die Fähigkeiten des Systems. Für Software und Elektroniksteuer- und -regelsystem fiel die Wahl von AP Racing auf Computer Controlled Solutions (CCS), weil dieses Unternehmen auf diesem Gebiet viel Erfahrung gesammelt und für AP Racing bereits zahlreiche Prüflösungen erfolgreich entwickelt und gewartet hatte.
Das System basierte auf einem industriellen Pentium 4 mit 3,2 GHz und 1 GB RAM sowie folgenden Datenerfassungs- und Steuerungskarten:

• PCI-DIO-96 mit 96 Digital-I/Os
• PCI-6033E mit acht Digital- und 64 Analogeingängen
• PCI-7344, eine Steuereinheit für vier Achsen

Diese Karten wurden mit verschiedenen Rack-basierten Signalkonditionierungsmodulen
verbunden, um folgende Parameter zu steuern, zu regeln und zu messen:

• Drehrichter mit 288 kW
• Abluftventilator
• Eingangsluftstrom von 240 km/h
• Hydraulisches Servosteuersystem für den Bremsdruck
• Drehmoment, Temperatur, Infrarottemperatur, Druck und Geschwindigkeit
• Drehrichter für die Steuerung der Abdeckung
• Kühlung des Wassers und Überwachung des Wasserstands
• Kühlung und Überwachung der Lager
• Bremsscheibenabnutzung

Die Software wurde ausschließlich mit NI LabVIEW entwickelt. Folgende Designelemente spielten dabei eine wichtige Rolle:

• Intuitiv: Das Design wurde um das Hauptmenü gruppiert, so dass der Anwender alle I/Os überprüfen, Tests erstellen und ausführen sowie Daten analysieren kann. Eine vereinfachte Menüoption ändert die Bildschirmansicht zu einer Laufzeitansicht für die Ausführung vorgefertigter Tests.
• Kalibrieransicht: Unter Ausnutzung der doppelten TFT-Displays wurde die Kalibrieransicht so gestaltet, dass auf dem linken Bildschirm eine Tabellenansicht aller I/Os erscheint. Diese Tabellen bieten dem Anwender eine gute Möglichkeit, I/Os zu überprüfen. Der rechte Bildschirm stellt den kompletten Prüfstand dar. Dies dient der Identifikation der Lage des Messwertaufnehmers und des Controllers am Prüfstand.
• Modulare, einfache Testentwicklung: Alle Aspekte eines Tests wurden in einfache Module aufgeteilt (z. B. bremsen, beschleunigen, Schleifen ausführen, Erfassung starten und anhalten). Der Anwender konnte dann durch die Gruppierung der Module in einer einfachen Liste eine ganze Reihe von Tests integrieren.
• Intuitive Laufzeitansicht: Unter Ausnutzung der Ausführungsgeschwindigkeit von LabVIEW wurde eine volle Laufzeitansicht erstellt, auf der die jeweilige Prüfphase, zwei Graphanzeigen und die vollständigen Statusinformationen dargestellt wurden.

Upgrade auf eine neue LabVIEW-Version und die neueste Steuerung mit NI-DAQmx
Die Entwicklung des Systems wurde mit LabVIEW und NI-DAQmx durchgeführt. Vor dem Einsatz wurde die Software getestet und aus folgenden Gründen für gut befunden:

• Problemloses Upgrade auf neue LabVIEW-Versionen: Als Beta-Tester von LabVIEW brachte CCS LabVIEW aufgrund seiner Stabilität und einfachen Bedienbarkeit bereits Vertrauen entgegen.
• Schnellere Datenerfassung: Das System wurde für die Steuerung kontinuierlicher Speicher- und Display-Abbildungen und -Grafen auf doppelten Anzeigen mit bis zu 2 kHz pro Kanal konzipiert. Durch die Implementierung des in NI-DAQmx entwickelten Codes wurden die Erfassungsraten ca. um das Fünffache erhöht, wodurch im System Platz für komplexere Echtzeitsteuerung und -regelung sowie Displays geschaffen werden konnte.
• Nichtlineare Erfassung: Mithilfe von NI-DAQmx wurde automatisch eine nichtlineare Anpassung der Infrarot-Temperatursensoren vorgenommen, so dass keine spätere Verarbeitung nötig war und eine Echzeitanzeige der linearisierten Kanäle zur Verfügung stand.
• Implementierung von Subpanels: Neu implementierte Subpanels wurden verwendet und der Status eines bestimmten Testabschnitts in einem Subpanel auf dem Hauptbildschirm dargestellt. Ein wesentlicher Vorteil bestand darin, dass das Hauptpanel und damit die Schaltfläche “Abbrechen” aktiv blieb, während im Subpanel gearbeitet wurde.

Herausforderungen beim Design: Interdependente Hochgeschwindigkeitsregelung
Das System erforderte folgende Regelungen:

• Drehmoment: Steuerung des gegebenen Drehmoments der Bremsen zur Übereinstimmung mit tatsächlichen Profilen, konstanten oder geschwindigkeitsabhängigen Werten
• Druck: Steuerung der ausgeübten Bremskraft zur Übereinstimmung mit tatsächlichen Profilen, konstanten oder geschwindigkeitsabhängigen Werten
• Luftstrom: Simulation des Luftstroms in den Luftführungskanälen und auf die Bremse, abhängig von der Geschwindigkeit am Ausgang
• Geschwindigkeit: Regelung des Motorumsetzers

Für diese Anwendung stehen verschiedene Servosteuerungskarten mit analogen oder DSP-Lösungen zur Verfügung. Jedoch war die Steuereinheit für vier Achsen von National Instruments aus folgenden Gründen am besten für dieses System geeignet:

• Die Steuereinheit wird ausschließlich in der Umgebung LabVIEW gesteuert und geregelt. Dies ist wichtig für die Softwarewartung, da so keine anderen Softwareprodukte und damit zusammenhängende Bibliotheken benötigt werden, die Probleme bei der Steuerung von verschiedenen Versionen und überflüssigen Aufwand durch die Neuinstallation von Software verursachen können.

• Kostengünstig: Im Vergleich mit anderen DSP-Implementierungen oder Servocontrollern ist das Preis-Leistungs-Verhältnis bei vier Kanälen einzigartig.
• PID-Schleifen mit hoher Frequenz: Frequenzen von PID-Schleifen von bis zu 16 kHz gewährleisten, dass die PID-Regelung herkömmliche Servocontroller bei weitem übertrifft und für sehr weiche mechanische Bewegungen und Steuerung sorgt.

Anmerkung: Nach Implementierung dieses Systems kamen NI-FPGA-Karten auf den Markt, die sich für diese Anwendung auch hervorragend eignen.

Das System wurde erfolgreich in Betrieb genommen und prüft jetzt für die Entwicklungsabteilung von AP Racing und für Formel-1-Teams verschiedene Bremsen und Bremssättel im Bereich Motorsport. Ergebnis dieses Projekts ist eine einzigartige und moderne Methode der Prüfung von Bremsen. Da das System dafür entwickelt wurde, umfassende Dynamometer-Bremstests innerhalb des Fahrzeugs durchzuführen, konnten erstmals Quelldaten erfasst und analysiert werden, aus denen präzise Daten für die optimale Entwicklung von Bremsen gewonnen werden konnten. Mit NI LabVIEW und dazugehörigerHardware wurde ein stabiles System erstellt, das komplexe Steuerung und gleichzeitig einfache Bedienbarkeit bietet. In Zukunft soll außerdem ein Bildverarbeitungssystem implementiert werden, das eine datenbasierte Videodatei liefert.

Weitere Informationen erhalten Sie über:

Paul Riley
Computer Controlled Solutions Ltd.
37 Park Street
Leamington Spa
Warwickshire, England
CV32 4QN
Tel: +44-1926-430200
Fax: +44-1926-430209
E-Mail: Paul@ccsln.com
Web: www.ccsln.com

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