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Mechatronik & Automotive

Mechatronik und Automotive

Mechatronische Systeme, die sowohl mechanische als auch elektrische Teile umfassen, stellen ein wichtiges Anwendungsfeld der Regelungstechnik dar. Aufgrund der begrenzten Rechenleistung der eingesetzten Steuergeräte ist die Anwendung von modernen Regelungsverfahren bei diesen Systemen mit besonderen Herausforderungen verbunden. In Forschungsprojekten am Lehrstuhl werden beispielsweise die Regelung von Elektromotoren, Schaltgetrieben oder Kraftfahrzeugen betrachtet.

Prof. Dr.-Ing. Knut Graichen
Tel.: +49 9131 85-27127
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E-Motoren

Die Mechatronik stellt die Verbindung der klassischen Ingenieursdisziplinen Mechanik und Elektrotechnik dar. Ein mechatronisches System setzt sich folglich aus mechanischen und elektrischen Subsystemen zusammen. Um die Performance des Gesamtsystems weiter zu steigern ist es von essenzieller Bedeutung die einzelnen Komponenten gemeinsam zu betrachten und zu modellieren. Synchronmaschinen und Lastschaltgetriebe sind Beispiele solcher Systeme, die am Institut untersucht werden.

Permanenterregte Synchronmaschinen gewinnen in der modernen Antriebstechnik zunehmend an Bedeutung. Sie werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und der hohen Drehmomentdichte sowohl in der Industrie als auch im Automotive-Bereich eingesetzt. Die hochperformante Regelung dieser Maschinen erfordert neben einem energieoptimalen Betrieb auch die Einhaltung einer Vielzahl von nichtlinearen Zustands- und Eingangsbeschränkungen.

Elektromotorenprüfstand

Schwerlast/Offroad-Anwendungen

Verbrennungsmotoren

In der Vergangenheit war die Entwicklung von Verbrennungsmotoren von dem Wunsch nach einem bestmöglichen Wirkungsgrad getrieben. Heute nimmt die Einhaltung zunehmend restriktiver werdender Emissionsziele maßgeblichen Einfluss auf die Entwicklung von Motoren. Der sich ergebende Motoraufbau ist daher inzwischen sehr komplex und besitzt viele regelungstechnische Freiheitsgrade. Insbesondere das hochgradig nichtlineare Verhalten des Verbrennungsprozesses erschwert dabei zunehmend die Regelung mit klassischen Regelungskonzepten.

Stattdessen bietet sich auch hier eine modellprädiktive Regelung (MPC) an, da sich die Regelziele als beschränktes Optimierungsproblem formulieren lassen. Allerdings ist dessen Lösung unter Verwendung adäquater Motormodelle mit einem nicht unerheblichen Rechenaufwand verbunden. Eine große Hürde stellt daher die begrenzte Rechenleistung von Motorsteuergeräten dar, die sich unter Verwendung von suboptimalen MPC Ansätzen bewältigen lässt.

Da sich die MPC maßgeblich auf Modelle stützt, muss beispielsweise trotz Alterungserscheinungen eine hohe Modellgüte sichergestellt werden. Intelligente Verfahren, die bereits in vielen Bereichen Anwendung finden, können hierzu genutzt werden. Dadurch können der MPC zur Laufzeit stets geeignete Motormodelle nachgeführt werden.

V12-Verbrennungsmotor

Lastschaltgetriebe

Lastschaltgetriebe werden wegen Ihrer höheren Effizienz und Schaltkomfort gegenüber konventionellen Getrieben immer mehr eingesetzt. Diese Vorteile werden durch einen deutlich komplizierteren Schaltvorgang erkauft, der sich ohne moderne regelungstechnische Verfahren nur schwer handhaben lässt. Diese Verfahren ermöglichen es Eingangsbeschränkungen in Form von Drehmomenten und Zustandsbeschränkungen in Form von Wellendrehzahlen direkt zu berücksichtigen und somit den Applikationsaufwand deutlich zu reduzieren.

Um diese Anforderungen erfüllen zu können, werden am Institut modellprädiktive Regelstrategien für die genannten Systeme entwickelt. Von zentraler Bedeutung ist dabei die Echzeitfähigkeit der Verfahren, da die Abtastzeit typischerweise im (Sub-)Millisekundenbereich liegt und die zur Verfügung stehende Rechenkapazität, insbesondere auf Steuergeräten, sehr beschränkt ist. Neben den Nichlinearitäten der Modelle werden dabei auch verschiedene Sensorkonzepte betrachtet.

Lastschaltgetriebe für Baumaschinen
(Quelle: ZF Friedrichshafen AG)

Anwendung von Lastschaltgetrieben in Baumaschinen
(Quelle: ZF Friedrichshafen AG)

Offroad

Die Vernetzung und Automatisierung von Fahrzeugen ist neben dem Automotive-Bereich auch bei Industriemaschinen, wie beispielsweise Bau- und Landmaschinen von zunehmender Bedeutung. Bei alltäglichen Aufgaben soll dabei der Fahrzeugführer entlastet oder ersetzt werden. Am Lehrstuhl für Regelungstechnik werden sowohl optimierungsbasierte Methoden der Bahnplanung und auch der Fahrzeugregelung erforscht und für den echtzeitfähigen Einsatz im Fahrzeug entwickelt.

Die Herausforderung bei der Fahrzeugregelung im Offroad-Bereich ist einerseits die Berücksichtigung von Beschränkungen und Aktuatordynamiken. Zudem kommen häufig Kombinationen von Fahrzeug und Trailer, bzw. Arbeitsgeräten vor. Gleichzeitig ändern sich ständig die Fahrzeugparameter aufgrund wechselnder Lasten und Umgebungen. Im Gegensatz zum Automotive-Bereich sind die Geschwindigkeiten zwar niedriger, allerdings sind die Untergründe häufig unbefestigt und dadurch rutschig, was bei der Regelung des Fahrzeugs ebenfalls berücksichtigt werden muss.

Die Herausforderungen bei der globalen Bahnplanung sind unter anderem Manövriervorgänge in beengter Umgebung, wie beispielsweise Einparkvorgänge eines Fahrzeug-Trailer-Gespanns. Die lokale Bahnplanung sorgt dafür, dass kollisionsfreie Trajektorien berechnet werden. Dadurch kann auch auf dynamische Hindernisse reagiert werden. Zusätzlich müssen die Trajektorien das gesamte Fahrzeuggespann berücksichtigen und gewisse Komfortansprüche einhalten.

Bahnplanung und Fahrzeugregelung für automatisierte Fahrfunktionen in der Landwirtschaft
(Quelle: ZF Friedrichshafen AG)

Fahrzeugregelung

Ein wichtiges regelungstechnisches Anwendungsfeld stellt das Kraftfahrzeug dar, in dem durch die heutigen, hohen Anforderungen an Fahrkomfort, Fahrdynamik sowie an die Einhaltung von Emissions- und Effizienzzielen elektronische Regelungssysteme ein integraler Bestandteil geworden sind. Sowohl im Fahrwerksbereich als auch im hybriden Antriebsstrang, sowie bei Konzepten der E-Mobilität beispielsweise mit Einzelradaktorik erfordert die steigende Komplexität der Systeme den Einsatz entsprechender regelungstechnischer Methoden.

Zur Erfüllung der hohen Anforderungen werden am Institut modellbasierte Regelstrategien für die Bereiche Horizontaldynamik überaktuierter Fahrzeuge, Fahrzeug-Vertikaldynamik sowie Längsdynamik und Antriebe entwickelt.

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Andreas Michalka
Tel.: +49 9131 85-28592
E-Mail | Homepage

Horizontaldynamik überaktuierter Fahrzeuge

Die zunehmende Elektrifizierung der Kraftfahrzeuge eröffnet zugunsten einer freieren Innenraumgestaltung und -nutzung die Möglichkeit, zu verteilten Aktorkonfigurationen überzugehen, bei denen letztlich jedes Rad einzeln angetrieben, gebremst und gelenkt wird. Dies führt auf ein System, das über mehr Aktoren verfügt als zur Vorgabe der ebenen Fahrzeugbewegung eigentlich erforderlich sind. Die Regelung solcher überaktuierter Fahrzeuge unter gezielter Nutzung der nicht zur Vorgabe ihrer Horizontalbewegung benötigten Stelleingriffsmöglichkeiten (z.B. zur Fahrsicherheitserhöhung oder Erzielung von Fehlertoleranz) ist Gegenstand der Betrachtungen.

Fahrzeug-Vertikaldynamik

Mit aktiven Fahrwerkssystemen kann der bestehende Zielkonflikt zwischen Fahrkomfort und Fahrsicherheit im Vergleich zu einer passiven Fahrwerksauslegung entschärft werden. Die Regelung solcher Systeme unter Berücksichtigung sich ändernder Fahrbahnbeschaffenheit sowie die Schätzung dieser Beschaffenheit aus der Bewegung von Fahrwerk und Fahrzeug werden dabei untersucht. Die Verbesserung der Fahrzeugreaktion auf Fahrerlenk- und -bremseingriffe (= Führungsverhalten) bei gleichzeitig verminderter Fahrzeugreaktion auf Straßenunebenheiten (= Störverhalten) ist dabei Ziel.

Längsdynamik und Antriebe

Das längsdynamische Verhalten eines Fahrzeugs ist heute nicht mehr Ergebnis der mechanischen Bedienung von Motor und Getriebe durch den Fahrer, sondern von einem Zusammenspiel komplexer, hochautomatisierter Antriebsstrangstrukturen.

Hier werden zum einen Regelstrategien für Komponenten (z.B. Reibkupplungen) entwickelt, deren Verhalten maßgeblich in dieses Zusammenspiel einwirkt. Zum anderen werden Konzepte für die Automatisierung dieses Zusammenspiels betrachtet, die auch die Fahrer-Fahrzeug-Schnittstelle sowie beispielsweise die Betriebsstrategie hybrider Antriebsstränge umfassen.

Überaktuiertes Fahrzeug

pFAU: Profile Analysing Unit

Kupplungsversuchsstand