Zollner Elektronik AG / Universelles HiL-Testsystem mit E-Maschinen-Emulation

Die Zollner Elektronik AG entwickelt Steuergeräte für unterschiedlichste Einsatzgebiete. Die Spanne reicht von Konsumelektronik bis hin zu sicherheitskritischen Anwendungen in den Bereichen Automotive und Luftfahrt. Intensive Tests mit einer hohen Testtiefe sind erforderlich, damit alle Normen erfüllt werden. Um sicherheitskritische Steuergeräte zu validieren, greift Zollner auf ein NovaSim-HiL-System von MicroNova zurück.

HiL-Simulation mit NovaSim
MicroNova hat den HiL-Simulator auf Basis der besonderen Anforderungen der Zollner Elektronik AG zusammengestellt. Die Leitungen und Steckverbindungen sind durchweg großzügig ausgelegt, um Übergangswiderstände so klein wie möglich zu halten. Ein kräftiges und impulsfestes Netzteil und die notwendige Ruhestrommesseinheit runden das System ab. Die Fault Insertion Unit (FIU) und Break Out Box (BOB) sind diesen Vorgaben entsprechend dimensioniert.

NovaSim-HiL-Simulatoren wären ohne leistungsfähige FPGA-Boards nicht denkbar. Eine generische Schnittstelle ermöglicht die einfache Einbindung und Schnittstellendefinition von FPGA-Boards. Die FPGAs wurden nicht in der Programmiersprache VHDL, sondern mit der grafischen Entwicklungsumgebung LabVIEW von National Instruments programmiert. So können auch Anwender Änderungen leicht vornehmen.

Die Emulation der SET GmbH
Der Einsatz realer Komponenten ermöglicht es, Steuergeräte unter realistischen Bedingungen zu qualifizieren. Dieses Vorgehen hat jedoch einen Nachteil: Der Aufwand, Maschinenparameter zu variieren oder kritische Arbeitspunkte zu betreiben, ist unverhältnismäßig hoch. Überdies wäre zusätzlich eine weitere E-Maschine notwendig, um ein Gegenmoment zu erzeugen. Eine elegante Alternative ist es daher, elektrische Antriebskomponenten durch eine Emulation der E-Maschine nachzubilden – in diesem Fall durch die Emulation eines Brushless-DC-Motors der SET GmbH. Die Emula­tion ermöglicht Betriebszustände einzustellen, welche nur sehr schwer oder gar nicht mit realen Maschinen zu erreichen sind. Der Emulator bietet einen weiten Variationsbereich der Maschinenparameter sowie eine hohe Flexibilität, so dass ein sehr guter Abgleich an reale E-Maschinen möglich ist.

Als Gegenpart für den HiL-Simulator liefert ein Emulator die Drehzahl als Inkrementalsignal, zuzüglich eines Nullindexes. Diese Signale werden unverfälscht durch den HiL-Simulator an das Steuergerät geleitet. Für weitere Auswertungen sowie die Bestimmung des Rotorwinkels und der Drehgeschwindigkeit misst der Simulator diese Signale und wertet sie aus.

Eine Manipulation dieser Signale ist Voraussetzung, um ein Steuergerät zu qualifizieren. Dabei ist die Fehlerbeaufschlagung durch die FIU notwendig, aber noch nicht ausreichend: Die FIU bildet in erster Linie elektrische Fehler ab, die gezielte Manipulation von Signalen ist hingegen nicht möglich. An dieser Stelle kommen die Stärken eines FPGAs besonders bei der Signalmanipulation zum Tragen. Zu diesen Stärken gehören:

• Amplitudemanipulation
• Ausfall von Einzelimpulsen oder ganzen Impulsfolgen
• Aufschaltungen von Störimpulsen oder Rauschen
• Aufschaltung periodischer Störeinflüsse

In diesem konkretem Fall lassen sich die durch den HiL-Simulator geleiteten Signale quasi beliebig verfälschen. Selbst ausgefallene Anforderungen lassen sich problemlos und effizient umsetzen. Eine sinnvolle Realisierung dieser Szenarien wäre im Emulator kaum möglich.

Die passende Automatisierung zum HiL-System
Der hohe Entwicklungs- und Vernetzungsgrad moderner Steuergeräte fordert nicht nur ein maßgeschneidertes Testsystem, sondern stellt auch spezielle Anforderungen an den ganzen Testprozess und somit auch an die Test-Toolkette. Der Gesetzgeber stellt speziell bei der Entwicklung sicherheitskritischer Systeme strenge Anforderungen an den Entwicklungs- und Testprozess. Das erfordert eine Durchgängigkeit und Nachvollziehbarkeit von der Anforderung bis hin zum Testergebnis. Um diese Ansprüche zu erfüllen, greift Zollner auf die Testautomatisierung EXAM (EXtended Automation Method) zurück. EXAM ist eine von MicroNova für den Volks­wagen Konzern entwickelte Testautomatisierung, die als Freeware jedem Anwender zur Verfügung steht. MicroNova hat EXAM bei Zollner installiert und außerdem Mitarbeiter geschult. Ein eigens für die Zollner Elek­tronik AG erstelltes Konzept ermöglicht es, das Testen mit EXAM optimal zu nutzen.

Fazit und Ausblick
MicroNova begleitete Zollner während des gesamten Entwicklungsprozesses als Gesamtintegrator. Zu den Aufgaben gehörten insbesondere:

• die Entwicklung und Inbetrieb­nahme des HiL-Testsystems
• die Installation der Testauto­matisierung EXAM
• die Integration des Emulators der SET GmbH
• eine Einführung in die Testmethodik

Gemeinsam mit Zollner wurden ein Testsystem spezifiziert und eine Testmethodik definiert. Nach Aufbau und Inbetriebnahme des Systems führten Zollner und MicroNova gemeinsam Testfälle mit EXAM durch.

Mit dem NovaSim-HiL-Testsystem hat die Zollner AG das passende Werkzeug erhalten, um die notwendigen elektrischen und funktionalen Qualifizierungen durchzuführen. Die Emulation der E-Maschine eröffnet ein weites Feld der Testszenarien. Ohne die besonderen Möglichkeiten der FPGA-Technologie wäre die erforderliche Signalmanipulation kaum zu realisieren gewesen. Auch die Zukunftssicherheit der Testumgebung ist gewährleistet: Dazu tragen unter anderem die Parameter­va­riation im Emulator und die Erweiterungsmöglichkeiten zur Fehlermani­pulation der Sensorik bei. Das System ist damit jetzt und auch in Zukunft das von der Zollner Elektronik AG benö­tigte leistungsfähige Tool zur Qualifizierung von Steuergeräten.