Hochdynamische Antriebsregelung

Der am Lehrstuhl aufgebaute HiL-Achsprüfstand wird durch einen hydraulischen Hexapoden aktuiert. Er verfügt über sechs Hydraulikzylinder. Das nachfolgende Bild zeigt die Prinzipskizze eines solchen Zylinders.

Hydraulischer Gleichlaufzylinder

Durch gezieltes Einleiten eines Ölvolumenstroms stellt sich eine Druckdifferenz zwischen den beiden Zylinderkammern A und B ein. Die aus dieser Druckdifferenz folgende Kraft beschleunigt den Zylinderkolben und führt zu einer kontrollierbaren Verschiebung. Durch sechs am Endeffektor des Hexapoden montierte Hydraulikzylinder kann dieser in allen sechs Raumrichtungen frei bewegt werden. Damit der Endeffektor mit der gewünschten Schnelligkeit positioniert werden kann, ist die Optimierung sämtlicher beteiligter Komponenten ebenso erforderlich wie der Einsatz leistungsfähiger, über die Methoden der linearen Regelungstechnik hinausgehende Regelungsverfahren unabdingbar.

Die Hydraulikzylinder des Hexapoden wurden gezielt für die Anwendung am Achsprüfstand dimensioniert [FJT14]. Die Ölzufuhr zu jedem Zylinder erfolgt über zwei High-Response Servoventile. Durch Vorgabe einer Steuerspannung können die Ölvolumenströme Qi mit einer Bandbreite von bis zu 350 Hz gestellt werden.

Mithilfe der Methode der exakten Zustandslinearisierung wurde am Lehrstuhl für Regelungstechnik und Mechatronik ein Druckregelkreis für die Hydraulikzylinder entworfen, dessen Bandbreite sich auf etwa 130 Hz beläuft. Basierend auf dieser schnellen Druckregelung ist es möglich, die Position des Hexapoden mit einer Bandbreite von bis zu 60 Hz zu regeln.

Eng verwandt mit der Hydraulik ist die Pneumatik. Im Gegensatz zur Hydraulik bezeichnet die Pneumatik den Teil der Fluidmechanik, in dem Druckluft als Arbeitsmedium zum Einsatz kommt. Neben der oft zur Verfügung stehenden zentralen Druckluftversorgung bietet die Pneumatik den Vorteil, dass austretende Leckageströme nicht die Umwelt verschmutzen, sondern lediglich einen Energieverlust darstellen. Die in der Hydraulik üblichen Aktorkonzepte können häufig, unter Berücksichtigung der Eigenschaften von Druckluft, auch pneumatisch realisiert werden. Allerdings ist zu beachten, dass sich durch die geringeren Arbeitsdrücke auch geringere Kräfte und durch die hohe Luftkompressibilität auch eine geringere Bandbreite als bei hydraulischer Bauweise ergibt. Je nach Anwendungsfall stellen pneumatische Aktoren eine einfache und kostengünstige Lösung dar. Zum Beispiel wurden für den Fahrsimulator „Airmotion Ride“ sechs pneumatische Aktoren in pseudo-parallelkinematischer Anordnung genutzt, um ein möglichst realitätsnahes Fahrerlebnis für den Menschen zu generieren. Bei den eingesetzten Aktoren handelt es sich um mit Aramidfasergelege ummantelte Luftkammern. Durch geregeltes Be- und Entlüften der Druckluftkammer können gezielt Kräfte erzeugt werden. Da der Aktor kolbenstangenlos ausgeführt ist, hat er ein sehr geringes Eigengewicht, eine hohe Energiedichte und kann näherungsweise als reibungsfrei angesehen werden. Aufgrund der flexiblen Ausführung der Außenmembran und der Kontraktion bei Druckerhöhung werden die beschriebenen Aktoren - angelehnt an die Anatomie des Menschen - auch „pneumatische Muskeln“ genannt.

Airmotion Ride von Festo AG & Co. KG, Quelle: www.festo.de

Um lokale Regelkonzepte zu entwerfen muss der „pneumatische Muskel“ zunächst unabhängig von der komplexen Simulatorkinematik  betrachtet werden. Dieser Schritt stellt eine Vorstufe zur Integration in die Fahrsimulatorstruktur dar. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Prüfstand entwickelt, der die Analyse des dynamischen Verhaltens der Aktoren erlaubt. Dies wird erreicht, indem zwei Aktoren gegenläufig an eine linearachsig geführte Masse angekoppelt sind und die wichtigen Systemgrößen wie Kräfte, Wege, Geschwindigkeiten und Drücke gemessen werden. Mithilfe eines realitätsnahen Simulationsmodells dieses Prüfstandes werden Regelstrategien mit dem Ziel entwickelt, das Gesamtverhalten der Aktordynamik möglichst hochdynamisch und präzise einzustellen. Im Detail werden dazu verschiedene überlagerte Regelungsansätze entwickelt und simuliert.

Prüfstandsaufbau (Draufsicht)

Ausgewählte Veröffentlichungen:

• [FJT14] Flottmeier, S.; Jäker, K.-P.; Trächtler, A.: Test Rig for the Hardware-in-the-Loop Simulation of Mechatronic Axles: Proceedings of the 9th International Fluid Power Conference, Aachen, 2014; S. 366–377