Die Anforderungen an moderne Prüfstände im Bereich Automotive nehmen ständig zu, z. B. wenn es um wirklichkeitsnahe Simulationen und deren Auswirkungen auf den Antriebsstrang geht. Typische Beispiele für wirklichkeitsnahe Simulationen sind neben Antriebsstrangschwingungen, z. B. von Kupplungs- und Schaltvorgängen, auch Simulationen, die sich durch den Einsatz moderner Fahrerassistenzsysteme wie ABS und ESP in Hinblick auf die sich daraus ergebenden dynamischen Vorgänge beim Bremsen oder Beschleunigen, z. B. auf unterschiedlichem Fahrbahnuntergrund, ergeben.

All diese Vorgänge wirken sich auf den Antriebsstrang eines Fahrzeugs aus. Um diese Einflüsse und Auswirkungen untersuchen zu können, sind Prüfstände notwendig, mit denen solche dynamischen Vorgänge simuliert und somit gemessen werden können. Dies stellt nicht nur höchste Ansprüche an die dynamischen Eigenschaften der verwendeten Prüfstandkomponenten, sondern zwangsläufig auch an die Performance der verwendeten Messtechnik bzw. Sensorik zur Drehmoment- und Drehzahlmessung.

Drehmoment- und Drehzahlintegration

Drehmoment-Schnittstellenmodul TIM-EC

Neben den klassischen Ausgangssignalen wie Frequenz und Spannung besitzen Drehmomentaufnehmer von HBM am Stator auch eine digitale Schnittstelle TMC (Torque Measurement Communication). Damit sind die Drehmomentaufnehmer flexibel einsetzbar. Sie lassen sich sowohl über die klassischen Signale wie Frequenz und Spannung, als auch über moderne Ethernet-basierte Feldbustechnik wie EtherCAT in Automatisierungs- und Steuerungskonzepte integrieren. Dabei erfolgt die Integration über das modulare und hochflexible Schnittstellenkonzept TIM-EC.

Bei TIM-EC handelt es sich um ein zweikanaliges EtherCAT-Schnittstellenmodul. Neben dem digitalen Drehmomentsignal TMC lassen sich auch RS422-kompatible Drehzahlsignale der Drehmomentaufnehmer-Serie T40 anschließen. Folgende Messwerte stehen auf dem EtherCAT-Bus zu Verfügung:

  • Drehmoment
  • Drehzahl
  • Drehwinkel
  • Leistung

Die Messwerte Drehmoment, Drehzahl und Leistung können jeweils unabhängig voneinander gefiltert (TP1, TP2) werden. So stehen für die genannten Messgrößen jeweils zwei Messwerte zu Verfügung, welche zyklisch übertragen werden.

Koppler-Funktionalität

Von nun an verfügt das Drehmoment-Schnittstellenmodul TIM-EC auch über eine Koppler-Funktionalität. Dabei wird der Messdatenstrom der Drehmomentaufnehmer-Serie T40 an dem Rückwandbus (10+2 Schnittstelle) des Schnittstellmoduls zu Verfügung gestellt. Dieses Modul übernimmt somit die Koppler-Funktionalität und stellt den Messdatenstrom der Drehmomentmesswelle für weitere angeschlossene Drehmoment-Schnittstellenmodule zur Verfügung. 

Abb. 1: Drehmomentmesstechnik - Kopplung unterschiedlicher Netzwerke

An den Schnittstellenmodulen können individuell und rückwirkungsfrei die eingehenden Drehmoment- und Drehzahlmesswerte skaliert, gefiltert, konfiguriert und parametriert werden. Dieses Setup ist zum Beispiel sinnvoll, wenn die Messwerte eines Drehmomentaufnehmers komplett unabhängig für verschiedene Netzwerke, wie der Steuerungs- und Automatisierungsebene, zur Verfügung stehen sollen.

Damit können die Messwerte unabhängig voneinander optimal an die jeweilige Messaufgabe, z. B. für die Regelung oder Automatisierung, angepasst werden. Dieses Setup ist auch Grundvoraussetzung für einen künftigen Mischbetrieb von verschiedenen leistungsfähigen Industrial-Ethernet-Netzwerken an einem Drehmomentaufnehmer. So ermöglicht diese Konfiguration zukünftig auch, dass ein Drehmomentaufnehmer gleichzeitig an einem EtherCAT- und PROFINET-Netzwerk betrieben werden kann, was die echtzeitfähige Kommunikation zwischen den beiden Netzwerken gewährleistet. Die neu integrierte Funktionalität der Interkommunikation - oder auch TIM-to-TIM-Kommunikation genannt - setzt hinsichtlich Flexibilität neue Maßstäbe.

Die Parametrierung der EtherCAT Schnittstellenmodule erfolgt zeitgemäß – ohne zusätzlichen Softwareinstallationsaufwand – über einen integrierten Webserver. Dies bedeutet, dass das TIM-EC über einen Standard-PC mit Ethernetkarte angeschlossen, parametriert, getestet und analysiert  werden kann. Die Konfiguration der Module geschieht unabhängig für jedes Modul über die integrierte Ethernet-Schnittstelle. Im Auslieferungszustand bzw. Einzelbetrieb sind alle Module als ‚Master‘ parametriert. Um den Interkommunkations-Modus zu nutzen und die entsprechende Funktionalität zuzuweisen, müssen die Schnittstellenmodule über den integrierten Webserver entsprechend konfiguriert werden.

Abb. 2: Parametrierung im Webserver

Übersicht Konfigurationsmodi

Master-Betrieb >>>>>>Standardeinstellung

  1. Super-Master-Betrieb >>>>>>> Interkommunikation
  2. Slave-Betrieb >>>>>>>> Interkommunikation

Das Schnittstellenmodul mit angeschlossenem Drehmomentaufnehmer ist dabei als ‚Super-Master‘ (Koppler) und das Modul ohne Drehmomentaufnehmer als ‚Slave‘ zu konfigurieren.

Der Super-Master (Koppler) übernimmt das Datenhandling innerhalb des Setups und stellt den Messdatenstrom am Rückwandbus (10+2 Bus) zur Verfügung. Darüber hinaus hat ausschließlich die als Super-Master parametrierte Kopfstation vollen Zugriff auf den angeschlossenen Drehmomentaufnehmer. Das bedeutet, dass z. B. das Shunt-Signal nur vom Super-Master ausgelöst werden kann.

Der Slave hört den Kommunikationsdatenstrom zwischen Drehmomentsensor und Super-Master (Koppler) mit. Er verhält sich somit quasi als ‚Listener‘ innerhalb des Setups.

Zusammenfassung

Mit dem Drehmoment-Schnittstellenmodul TIM-EC steht ein extrem leistungsfähiges System zu Verfügung, das die Einbindung von hochdynamischen Drehmoment- und Drehzahlsignalen in eine durchgängige leistungsfähige Netzwerkstruktur ermöglicht. Die neue Interkommunikations-Funktionalität setzt mit der Kopplung unterschiedlicher Netzwerke wie z. B. EtherCAT neue Maßstäbe in punkto Flexibilität in der Drehmomentmesstechnik. Auch die zukünftige Möglichkeit der Kopplung unterschiedlicher Industrial Ethernet-basierter Lösungen wie z. B. EtherCAT mit Profinet-Netzwerken trägt zu mehr Flexibilität bei.

Neben den Prozessdaten stehen dem Anwender auch umfangreiche Diagnoseinformationen standardmäßig zu Verfügung. Durch die entsprechende Auslegung der Echtzeithardware unterstützt TIM-EC Buszykluszeiten von ≤ 20 kHz und minimiert darüber hinaus die Latenz der Nachrichtenübertragung. Damit liefert das System die Dynamik, welche zur Realisierung der Simulation hochdynamischer Fahr -bzw. Belastungszyklen erforderlich ist. Darüber hinaus erleichtert der integrierte Webserver das Handling und die Parametrierung enorm, da auf die Installation von Software komplett verzichtet werden kann.

EtherCAT und Drehmomentmessung

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