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Pickering Interfaces

Bei der Prüfung von Motorsteuergeräten (Engine Control Units, ECUs) geht es heute insbesondere bei sicherheitsrelevanten Modellen um die Prüfung der Software als auch der Hardware. Dies ist aufgrund der erhöhten Komplexität der ECUs notwendig geworden, die für das Ansteuern der Bremsen, das Verhindern von Überschlägen und die radweise angepasste Kraftverteilung in schwierigen fahrdynamischen Zuständen erforderlich sind. Zulieferer für den Automobilbau wie Magna Powertrain, Delphi und Continental stehen vor denselben Herausforderungen bei der Prüfung des sicheren Betriebsverhaltens ihrer Produkte.

Im Rahmen dieses Artikels werden wir uns auf Verteilergetriebe von Pkw konzentrieren. Ein Verteilergetriebe ist ein mechanisch-elektronisches Bauteil für die Überwachung des Radschlupfes und gewährleistet die Verteilung der Kraft auf diejenigen Räder, die nicht ‚durchdrehen‘.

Als Teil des Entwicklungsprozesses führen Hersteller Testreihen durch, um sicherzugehen, dass die Software für die Steuerung ihrer Verteilergetriebe auf Systemfehler, wie Leitungsunterbrechung, Kurzschluss und Verbindungen mit erhöhten Widerständen in und zwischen den Leitern, auf vorhersagbare und sichere Weise reagiert. Das sorgt letztendlich für mehr Kundenzufriedenheit und senkt die Gewährleistungskosten.

Bei einem Fall hat ein Hersteller einen Prüfstand für die manuelle Nachbildung von Fehlerzuständen entwickelt. Die Prüfvorrichtung war zwar effektiv, das manuelle Einschalten der Fehler aber recht zeitaufwändig, was die Anzahl der durchführbaren Tests an einem bestimmten Gerät begrenzte. Außerdem müssen manuelle Prüfvorrichtungen oft häufiger gewartet werden, wodurch der Prüfdurchsatz weiter sinkt. Und sie war darüber hinaus anfällig für Bedienerfehler, was die Testergebnisse verfälschen kann.

Daher entschlossen sie sich, sich an Pickering zu wenden. Zu den Produkten von Pickering für solche Fehlersimulationen gehören Schaltlösungen für die Fehlereinspeisung mit Fault Insertion Units (FIU) bei der Hardware-in-the-Loop(HIL)-Simulation und Programmierbare Widerstände. Mit FIU-Schaltmodulen können elektrische Fehler in ein System eingespeist werden, die typische Bedingungen nachbilden, die bei Korrosion, Kurzschlüssen, Leiterbruch und anderen elektrischen Fehlern auftreten, die durch Alterung, Beschädigung oder sogar fehlerhafte Installation/Montage entstehen können.

Mit den Fehlersimulationsmodulen von Pickering für die Automatisierung der Fehlersimulation können mehr Testläufe in kürzerer Zeit durchgeführt werden, mit dem Ergebnis, dass die Tests reproduzierbarer und umfassender werden und Probleme bereits in einem früheren Entwicklungsstadium entdeckt und abgestellt werden können.

Fehler finden

Ein Verteilergetriebe soll die Kraft in einem Fahrzeuggetriebe auf die Vorder- und Hinterachse verteilen. Eine Ausführung ist das aktive 2-Stufen-Verteilergetriebe, im Englischen als ATC abgekürzt. Das ATC ist mit einer in Öl laufenden Lamellenkupplung, elektromechanischer Betätigung und kettengetriebener Ausgangswelle für den Vorderradantrieb ausgestattet. Das System garantiert die dynamische Drehmomentverteilung zwischen Vorder- und Hinterrädern und lässt sich im Hinblick auf das gewünschte Fahrverhalten unter verschiedenen Gelände- und Wetterbedingungen anpassen.

Als Bestandteil der Verteilergetriebesteuereinrichtung (Transfer Case Control Mechanism, TCCM) steuert ein elektronisches Verteilergetriebesteuergerät (Electronics Control Unit, ECU) die Vorgänge im Verteilergetriebe. Das Steuergerät ist nicht nur mit den Sensoren und Aktoren im Verteilergetriebe verbunden, sondern auch mit dem CAN-Fahrzeugbus (Controller Area Network). Wenn der Fahrer einen Schaltvorgang einleitet, empfängt das Verteilergetriebesteuergerät den Befehl und bestimmt dann, ob der Schaltvorgang ausgeführt wird oder nicht. Nach der erfolgreichen Ausführung des Schaltvorgangs meldet das Verteilergetriebesteuergerät dieses Ereignis an das Netzwerk.

Im täglichen Betrieb können viele verschiedene Störungen auftreten. Denken wir zum Beispiel an ein 8-Leiter-Kabel für die Verbindung von Aktuatoren und Sensoren im Verteilergetriebe mit dem Steuergerät. Bei diesen kann es zu Unterbrechungen, Brüchen oder zu Kurzschlüssen mit Nachbarleitern kommen. Zusätzlich kann es mit zunehmender Alterung zu Verbindungen mit hochohmigen Widerständen und hochohmigen Kurzschlüssen kommen, die zu einem Versagen des Verteilergetriebes im Betrieb führen können.

Um zu gewährleisten, dass das Verteilergetriebe auch unter Störbedingungen sicher funktioniert, werden diese Störungen und Fehler von den Getriebeherstellern im Labor simuliert.

Die Hardware-in-the-Loop(HIL)-Simulation ist zu einem weit verbreiteten Prüfverfahren für elektronische Steuergeräte geworden, wie für das Verteilergetriebesteuergerät (VGSG) in den heutigen Kraftfahrzeugen. Mit einem HIL-Simulator lassen sich alle Ein- und Ausgänge eines realen Fahrzeugs virtuell nachbilden, ohne dass dafür extra Prototypen gebaut werden müssten. So können Steuergerätehersteller eine Menge Geld sparen, nicht nur weil sie keine Prototypfahrzeuge bauen müssen, sondern auch weil sie große Prüfreihen im Labor durchführen können, anstatt auf der Teststrecke oder auf dem Prüfstand.

Sie können das Steuergerät sogar ohne die eigentliche Mechanik des Verteilergetriebes prüfen. Hier simuliert die HIL-Prüfanlage neben dem ganzen Rest des Fahrzeugs auch noch das Verteilergetriebe.

Für die Prüfung der VGSG-Software haben Konstrukteure eine Reihe unterschiedlicher Betriebsszenarien entwickelt. Dazu gehören Start-, Abschalt- und Fahrszenarien, mit denen das VGSG auf Herz und Nieren geprüft werden soll. So soll in einem Szenario das Verteilergetriebe zum Beispiel in die angewählte bzw. gewünschte Stellung fahren. Bei anderen Szenarien werden verschiedenste andere Produktfunktionen (unterschiedliche Schaltszenarien, Kaltstart- und Spannungsprofile, usw.) unter die Lupe genommen.

Abbildung 1: Breakout Box für den Prüfstandversuch

Abbildung 1: Breakout Box für den Prüfstandversuch Pickering Interfaces

Als der Hersteller in unserem Beispiel damit begann, diese Art der Prüfungen durchzuführen, baute er einen Testadapter (Abb. 1), eine so genannte Breakout Box, für das manuelle Einspielen von Störungen. Die Breakout Box wurde zwischen Verteilergetriebe und Steuergerät gesetzt und ein Techniker würde die Fehler manuell zu- und wieder wegschalten. Wie bereits erwähnt, begrenzte dies die Anzahl durchführbarer Tests stark, erforderte häufigere Wartungen, ließ die Testzeiten ansteigen und der Testprozess war anfällig für Bedienerfehler, was die Testergebnisse in Frage stellen konnte. Diese Methode war also ein erster Einstieg, aber es war schnell klar, dass noch viel Raum für Verbesserungen blieb.

Der wohl problematischste Aspekt der manuellen Erzeugung von Fehlerzuständen ist der enorme Zeitaufwand für das Durchführen einer ganzen Testreihe. Mit der Breakout Box dauerte ein einziger Einzeltest bis zu acht Minuten. Da aber Tausende von Testfällen geprüft wurden, war von Anfang an klar, dass ein Weg gefunden werden musste, um die Testzeiten zu reduzieren.

Ein weiterer Nachteil dieser Art der manuellen Fehlereinspielung, ist, dass nur Kurzschlüsse und Unterbrechungen simuliert werden können. Für eine eingehendere Prüfung der VGSG mussten aber sowohl Widerstandsfehler als auch niederohmige Kurzschlüsse und Unterbrechungen simulierbar sein.

Ein drittes Problem dieser manuellen Erzeugung von Fehlerzuständen ist die feste Verdrahtung der damit eher unflexiblen Breakout Box. Um verschiedene VGSGs oder Produktkonfigurationen zu testen, würde die prüftechnische Abteilung neue Breakout Boxes bauen oder vorhandene umverdrahten müssen. Beides ist kosten- und zeitaufwändig.

Fehlersimulation automatisieren

Offensichtlich haben sich die Hersteller Gedanken darüber gemacht, wie sie die Fehlersimulation automatisieren können. Das Ziel dieses speziellen Herstellers von Verteilergetrieben war nicht nur die Beschleunigung der Testdurchführung – er wollte auch widerstandsbasierte Fehler einfügen können und seine Testausrüstung ein bisschen universeller gestalten. Wenn er diese Ziele erreicht, so die Überlegung, könnte er mehr praxisnahe Fehler simulieren und so ein zuverlässigeres Produkt schaffen.

Abbildung 2: 30-A-PXI-Fehlersimulations-Schaltmodul, Modell 40-191

Abbildung 2: 30-A-PXI-Fehlersimulations-Schaltmodul, Modell 40-191 Pickering Interfaces

Nach der Bewertung von Schaltsystemen mehrerer Anbieter hat sich dieser Kunde für Produkte von Pickering Interfaces als vielversprechendste Lösung entschieden. Der Kunde kaufte ein 19-Zoll-PXI-Chassis, bestückt mit mehreren PXIModulen (u.a. das Pickering  30-A-Fehlersimulations-Schaltmodul 40-191), wie in Bild 2, um Kurzschlüsse und Unterbrechungen bzw. Kabelbrüche zu simulieren. Dieses Modul ist eine robuste Lösung zur Simulation von Hochstromfehlern. Es verwendet Halbleiter-Schaltelemente und kann bis zu 40 A auf einem Kanal oder 30 A auf allen Kanälen gleichzeitig führen. Es soll drei unterschiedliche Fehlerzustände zwischen Prüfstand und Prüfling (DUT) erzeugen können, wozu Leitungsunterbrechungen sowie Kurzschlüsse zwischen prüflingsinternen Verbindungen und zu externen Signalen gehören.

Abbildung 3: Programmierbares PXI-Widerstandsmodul, Modell 40-295

Abbildung 3: Programmierbares PXI-Widerstandsmodul, Modell 40-295 Pickering Interfaces

Halbleiterrelais in jedem Kanal ermöglichen dem Testsystem das Setzen von Signalen zum Prüfling (DUT), um eine Unterbrechung der Leitung zu simulieren. Durch Fehlersimulationsbusse kann jeder Kanal sowohl gegen jeden anderen Kanal kurzgeschlossen werden als auch mit externen Signalen wie Spannungsversorgung, Zündung oder Masse verbunden werden, um Fehlerzustände zu simulieren. Das Modul wird mit zwei Fehlersimulationsbussen geliefert.

Weil Störungen nicht nur als vollständige Leitungsunterbrechungen bzw. Kabelbrüche oder niederohmige Kurzschlüsse auftreten, werden programmierbare Widerstandsmodule (Modell 40-295) eingesetzt, um Fehler mit hohen Widerstandswerten zu simulieren. Dieses Modul stellt bis zu 18 vollständig isolierte Widerstandskanäle mit 8-Bit-Auflösung oder 10 vollständig isolierte Kanäle mit 16-Bit-Auflösung zur Verfügung. Der Widerstandsbereich jedes Kanals liegt zwischen 0 Ω und 16 MΩ.

Abbildung 4 zeigt, wie das Schaltsystem den HiL-Simulator, das zu testende VGSG und das Verteilergetriebe selbst verbindet, falls ein reales Verteilergetriebe für den Test erforderlich ist.

Abbildung 4

Abbildung 4 Pickering Interfaces

Das Schaltsystem erzeugt alle möglichen Verbindungsfehler selbst. Eine Signalunterbrechung wird zum Beispiel einfach über das Öffnen der Leitung simuliert. Um zwei Leitungen kurzzuschließen, werden beide Leitungen mit einem Fehlersimulations-Modul verbunden und die beiden Signale an einen der Fehlerbusse des Moduls angeschlossen. Um einen Kurzschluss gegen Plus oder Masse zu simulieren, wird die Signalleitung mit einem der Fehlerbusse verbunden, der dann an Masse oder eine externe Spannung angeschlossen wird.

Um einen simulierten resistiven Fehler in eine der Signalleitungen zwischen dem Verteilergetriebe und seinem elektronischen Steuergerät einzufügen, muss der Steuercomputer das Schaltsystem anweisen, einen der variablen Widerstände des programmierbaren Widerstandsmoduls (40-295) dazwischenzuschalten. Dann wird der Widerstandswert in diskreten Schritten erhöht: 0 Ω, 5 Ω, 10 Ω, 20 Ω, 50 Ω, 100 Ω, 200 Ω, 500 Ω, 1000 Ω und so weiter bis 1 MΩ, oder bis sich die Leitung wie ein Leitungsbruch verhält.

Nach Erzeugung des Fehlerzustands werden ein oder mehrere Fahrszenarien durchgespielt und die Testdaten erfasst. Zu den wichtigsten erfassten Daten gehört die Stromaufnahme des Systems. Ein ungewöhnlich hoher Strom ist ein sicheres Zeichen für ein bestehendes Problem. Natürlich werden auch eine Reihe weitere Parameter betrachtet. Dazu zählen zum Beispiel CAN-Signale und elektrische Signale des VGSG sowie das gesamte Systemverhalten.

Durch die Automatisierung der Fehlersimulation konnte die Zeit für die Durchführung eines Einzeltests von durchschnittlichen acht Minuten auf etwa vier Minuten gesenkt werden – eine immense Einsparung, wenn man bedenkt, dass eine typische Testreihe bis zu 20.000 Einzeltests umfassen und länger als einen Monat laufen kann. Der Hersteller konnte so also den Zeitbedarf für einen vollständigen Testlauf deutlich reduzieren. Bei der manuellen Erzeugung von simulierten Fehlerzuständen muss stets ein Techniker oder Testingenieur anwesend sein, um die Fehlerbedingungen ein- und wieder auszuschalten. Jetzt muss das Personal nur noch bei der Simulation schwerer Fehlerzustände anwesend sein und die meisten Tests laufen über Nacht ab, ohne dass eine Überwachung erforderlich wäre.

Die Zeitersparnis wird interessanterweise nicht unbedingt genutzt, um die Prüfläufe insgesamt zu verkürzen, sondern um in gleicher Zeit mehr Einzeltests, wie zum Beispiel solche mit Widerstandsfehlern, durchzuführen. Die Nutzung der gewonnenen Zeit zur Steigerung der Testeffektivität ist ein Anzeichen dafür, wie sehr die Unternehmen auf die Qualität und Zuverlässigkeit der Software achten.

Testergebnisse analysieren

Man kann sich leicht vorstellen, dass diese Tests ein riesiges Volumen an Testdaten generieren, deren Analyse eine umfangreiche Aufgabe ist. Als erstes wird geprüft, ob der Prüfling im Testverlauf eventuell beschädigt worden ist. Keiner der Fehler sollte das Verteilergetriebe oder das Steuergerät beschädigen, also ist jeglicher Hinweis auf eine Beschädigung ein kritisches Warnsignal, eine so genannte Red Flag.

Wenn keiner der Einzeltests eine Beschädigung verursacht hat, wird damit begonnen, den Rest der Testdaten auszuwerten. An dieser Stelle sind insbesondere die CAN-Signale und das Gesamtverhalten des Systems von Interesse. Gesucht wird nach Daten, die auf unbeabsichtigte Motorbewegungen in einem Verteilergetriebe hinweisen würden. Es könnte auch geprüft werden, ob das Steuergerät des Verteilergetriebes die entsprechenden Diagnosecodes generiert hat.

Die Analyse der Testdaten ist eine Aufgabe für das gesamte Team – zu dem nicht nur die Testingenieure, sondern auch die Maschinenbauer, Elektronikingenieure und Softwareentwickler gehören, die das Verteilergetriebe entwickelt haben. Durch die Arbeit im Team sind die Beteiligten nicht nur in der Lage, Problembereiche schnell aufzudecken, sondern auch die Abhilfemaßnahmen schneller umzusetzen.

Die Zukunft liegt in der Automatisierung

Die technische Abteilung des Kunden ist mit  Pickering Schaltsystemen  zur Testautomatisierung sehr zufrieden  Es ist aber auch bewusst, dass dies nur der Anfang sein kann. Anstatt beispielsweise für jedes Verteilergetriebe eine eigene Prüfvorrichtung zu bauen, arbeiten sie daran, ein „universelles“ Testsystem für ihre Verteilergetriebe zu entwickeln. Sie sind davon überzeugt, dass ihnen das mit einem computergesteuerten Schaltsystem auch gelingen wird.

Eine weitere Hürde, die die Hersteller nehmen müssen, ist die Verkürzung der Testdatenauswertung. Durch die Automatisierung der Fehlersimulation konnten sie zwar viel mehr Testläufe durchführen, dafür erhöht sich aber auch der Zeitaufwand für die Analyse der Testdaten. Vor diesem Hintergrund gibt es derzeit Bestrebungen in Richtung automatisierte Prüfdatenauswertung. Die Entwicklung eines Tools für die automatische Markierung von Datensätzen, die auf ein Problem hinweisen könnten, wäre eine große Zeitersparnis.

Darüber hinaus wird versucht, die Anzahl der Einzeltests zu verringern. Bei unserem Kunden ist die Technikabteilung der Meinung, man könne dies durch die Identifizierung von Tests erreichen, bei denen dasselbe geprüft wird, und sie aus dem Testprogramm herauszunehmen. Ebenfalls sollte beachtet werden, dass häufig ein Teil der im NPI-Bereich entwickelten Einzeltests in der Produktteststrategie Verwendung findet. Diese Vorgehensweise sorgt in Bezug auf die NPI-Messungen für konsistente Testergebnisse und beschleunigt die Entwicklung von Produktionstestverfahren.

Produkte von Pickering haben der Technik bei der Einführung der „SMART Automation“ beim Testen zusätzlicher Fehlerzustände (widerstandsbedingte leitungsinterne Fehler, Kurzschlüsse zwischen Leitungen, auch widerstandsbedingt) unter dynamischen Fahrzeugbedingungen unterstützt und so zu mehr Produktqualität beigetragen.

Für diese Phase der Produkt- oder Systemprüfung lässt sich festhalten, dass Produkte von Pickering Interfaces den Herstellern von Steuergeräten durch die automatisierte Fehlereinspeisung mehr Testläufe in kürzerer Zeit ermöglichen.

Weitere Informationen: www.pickeringtest.com