Die Funktionsweise der Hardware-in-the-Loop-Simulation

Bei der Hardware-in-the-Loop-Simulation wird eine reale Controller-Hardware mit einem simulierten physischen System, der sogenannten Regelstrecke, verbunden. Die Verbindungen zwischen dem realen Controller und der simulierten Regelstrecke sind echte analoge und digitale E/A. Sie umfassen in vielen Fällen Kommunikationsprotokolle wie UDP, TCP, CAN und andere branchenspezifische Standards. Dabei stellen Kommunikationsschnittstellen mit ihren realen Einstellungen, Zeitvorgaben und Verkabelungen eine Schlüsselkomponente von HIL-Tests dar. Diese Aspekte können in Model-in-the-Loop (MIL)- oder Software-in-the-Loop (SIL)-Simulationen nicht genau nachgebildet werden.

Die Schritte des HIL-Testverfahrens

Hardware-in-the-Loop-Tests umfassen:

1. Modellierung der Regelstrecke: Der erste Schritt besteht darin, ein mathematisches Modell des physischen Systems oder der Regelstrecke zu erstellen. Dieses Modell bildet die Dynamik des tatsächlichen Systems nach. Um komplexe physikalische Systeme, auch mit elektrischen und mechanischen Komponenten, Flüssigkeiten und thermodynamischen Prozessen, zu modellieren, greifen Ingenieure auf Simscape™-Produkte in Verbindung mit Simulink^® zurück.
2. Echtzeitsimulation: Das Regelstreckenmodell wird dann auf einem Echtzeit-Testsystem ausgeführt, das das Verhalten der Regelstrecke als Reaktion auf Eingaben von der Controller-Hardware simuliert. Diese Echtzeitsimulation verifiziert, dass das System wie in einem realen Szenario reagiert. Echtzeit-Testsysteme sind Industriecomputer mit E/A-Karten für die Verbindung mit dem zu testenden Gerät. Zu den Anbietern solcher Systeme gehören Speedgoat, dSPACE, OPAL-RT und NI.
3. Anschluss des Controllers: Die Controller-Hardware, die die Regelungsalgorithmen enthält, ist mit dem Echtzeitsimulator verbunden. Diese Verbindung ermöglicht es dem Controller, mit der virtuellen Regelstrecke so zu interagieren, als würde er das reale System steuern. Analoge und digitale Signale sowie Kommunikationsprotokolle wie Ethernet, CAN und ARINC werden für die Verbindung des Echtzeit-Testsystems und des eigentlichen Embedded Controllers verwendet. HIL-Testumgebungen können Tausende von Ein- und Ausgaben umfassen und physische Verhaltensweisen, Sensoren und elektrische Fehler emulieren.
4. Datenerfassung und Feedback: Das System erfasst kontinuierlich Daten vom Controller und von der simulierten Regelstrecke. Diese Daten werden verwendet, um dem Controller das entsprechende Feedback zu geben, damit er seine Aktionen anhand der simulierten Reaktionen der Regelstrecke anpassen kann. Echtzeit-Testsysteme protokollieren Daten, die während und nach der Ausführung des Hardware-in-the-Loop-Tests analysiert werden können.
5. Tests und Validierung: Ingenieure können eine Vielzahl von Tests durchführen, von normalen Betriebsbedingungen bis hin zu Fehlerszenarien, um die Leistung und Robustheit des Controllers zu validieren. Die HIL-Simulation ermöglicht iterative Tests und Optimierungen und trägt dazu bei, sicherzustellen, dass die Regelungsalgorithmen die erforderlichen Spezifikationen und Standards erfüllen.

Unterschiede zwischen MIL, SIL, PIL und HIL

Model-in-the-Loop (MIL), Software-in-the-Loop (SIL), Processor-in-the-Loop (PIL) und Hardware-in-the-Loop (HIL) sind entscheidende Verfahren, die im Verifizierungs- und Validierungsprozess von Embedded Systems eingesetzt werden. Jede Technik dient einem bestimmten Zweck im Entwicklungszyklus, mit unterschiedlichen Abbildungsgenauigkeiten der Simulationsumgebung.

Model-in-the-Loop (MIL)

Model-in-the-Loop wird in den ersten Entwicklungsphasen eingesetzt, um Regelungsalgorithmen mithilfe eines komplexen Simulationsmodells zu überprüfen. Dieser Ansatz erleichtert die Entwicklung und das iterative Testen der Regelungslogik, ohne dass tatsächliche Hardware oder Software erforderlich ist. Sowohl der Controller als auch die physischen Regelstrecken werden mit entsprechenden Modellen simuliert.

Software-in-the-Loop (SIL)

Bei Software-in-the-Loop liegt der Schwerpunkt auf dem Testen des kompilierten Codes des Regelungsalgorithmus in einer simulierten Umgebung. In diesem Schritt wird überprüft, ob sich die Software bei der Ausführung korrekt verhält, und so eine Brücke zwischen Modellsimulationen und praktischen Anwendungen geschlagen.

SIL entwickelt sich zu virtuellen Tests, bei denen zusätzliche Controller-Softwaredienste simuliert werden. Dieser Ansatz kann die Emulation des gesamten Betriebssystems des Embedded Controllers und die Kommunikation zwischen mehreren Knoten umfassen, die serviceorientierte Architekturkomponenten (SOA) simulieren.

Processor-in-the-Loop (PIL)

Beim Processor-in-the-Loop-Verfahren werden die Regelungsalgorithmen auf dem tatsächlichen Prozessor oder einem ähnlichen Ziel ausgeführt, das mit der simulierten Nicht-Echtzeit-Umgebung verbunden ist. Diese Technik sucht nach potenziellen Problemen im Zusammenhang mit der Codegenerierung, dem Ausführungszeitpunkt sowie dem prozessorspezifischen Verhalten und bestätigt, dass die Software auf der Zielhardware wie vorgesehen funktioniert.

Hardware-in-the-Loop (HIL)

Durch Hardware-in-the-Loop wird die Integration von Regelungsalgorithmen mit realen Hardwarekomponenten validiert. Indem die tatsächliche Controller-Hardware mit einer in Echtzeit simulierten Regelstrecke verbunden wird, bietet HIL-Tests eine realitätsgetreue Umgebung, um das System unter realistischen Bedingungen und Szenarien zu testen.

HIL-Testanwendungen

Hardware-in-the-Loop-Simulation für Embedded Systems

Die Hardware-in-the-Loop-Simulation spielt in den frühen Entwicklungsphasen von Embedded Systems eine wichtige Rolle. Durch die Integration von echter Controller-Hardware in eine virtuelle Umgebung, die das physische System simuliert, ermöglichen HIL-Tests die Validierung von Regelungsalgorithmen und Systeminteraktionen vor der Bereitstellung. Diese frühzeitige Validierung hilft Ingenieuren, Entwurfsprobleme zu erkennen und zu beheben und so das Risiko kostspieliger Überarbeitungen im späteren Verlauf des Entwicklungszyklus zu reduzieren.

Einer der Hauptvorteile der HIL-Simulation ist die Möglichkeit, Regelungsalgorithmen an Hardwarekomponenten zu testen, noch bevor die gesamte physische Hardware verfügbar ist. Dies ist bei komplexen Systemen mit Komponenten mit langen Vorlaufzeiten von Vorteil, bei denen das Warten auf alle Hardwarekomponenten die Entwicklung verzögern könnte. HIL-Tests verringern das Risiko von Schäden an hochwertigem Equipment, indem sie es Ingenieuren ermöglichen, Szenarien und Grenzfälle in einer kontrollierten virtuellen Umgebung zu testen. Dieser Ansatz beschleunigt nicht nur die Entwicklung, sondern bestätigt auch, dass das System fehlerresistent und für den Einsatz in der Praxis bereit ist, ohne dass dabei wertvolle Hardware gefährdet wird.

Regelungs- und Softwareingenieure sind in der Lage, mit MATLAB^® und Simulink HIL-Simulationen zu erstellen und auszuführen. So können aus Simulink heraus echtzeitfähige Anwendungen generiert und auf den Echtzeit-Testsystemen eingesetzt werden.

Hardware-in-the-Loop-Tests zur Validierung und Zertifizierung

Hardware-in-the-Loop-Tests sind nützlich für die Validierung und Zertifizierung sicherheitskritischer Embedded Systems, wie z. B. in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Zertifizierungsstandards wie ISO 26262 für die funktionale Sicherheit in der Automobilindustrie und DO-178 für Luftfahrtsysteme schreiben strenge Tests vor, um die zuverlässige Systemleistung unter allen zu erwartenden Bedingungen zu überprüfen.

Ein Aspekt der HIL-Tests ist die Unterstützung anforderungsbasierter Tests – einer Schlüsselkomponente von Zertifizierungsstandards. Bei diesem Testansatz wird jede Systemfunktion anhand ihrer spezifischen Anforderungen bewertet, wodurch die Rückverfolgbarkeit und Verifikation des beabsichtigten Systemverhaltens gewährleistet wird. Hardware-in-the-Loop-Tests unterstützen Hardware-Software-Integrationstests und ermöglichen es Ingenieuren, zu überprüfen, ob die Regelungsalgorithmen alle definierten Anforderungen in einer Vielzahl von Szenarien erfüllen, auch unter Fehlerbedingungen. Dieser methodische Ansatz unterstützt nicht nur den Zertifizierungsprozess, indem er dokumentierte Nachweise für die Einhaltung von Vorschriften liefert, sondern bietet auch gleichzeitig ein Framework für die Erhöhung der Zuverlässigkeit und Sicherheit des Endprodukts, um es für den Einsatz in anspruchsvollen Betriebsumgebungen vorzubereiten.

Hardware-in-the-Loop-Simulation von Leistungselektroniksystemen

Stromrichter und Wechselrichter enthalten Halbleiter-Schaltelektronik, die durch hochfrequente Pulsbreitenmodulationssignale (PBM) gesteuert wird. Die Echtzeitsimulation dieser Geräte erfordert eine präzise Modellierung und Simulation, die oft mit der 100-fachen Taktfrequenz des tatsächlichen Geräts ausgeführt wird. Damit die Eigenschaften dieser Hochfrequenzsignale simuliert werden können, müssen Simulationsumgebungen in der Lage sein, sehr schnelle Abtastschritte auszuführen, was häufig den Einsatz von FPGA-Hardware erfordert, um die erforderliche Leistung zu erzielen.

Simulink und Simscape Electrical™ bieten Modellierungsbibliotheken zur Simulation komplexer Leistungselektroniksysteme, die die Nuancen hochfrequenter Vorgänge erfassen. Simulink und Simscape Electrical generieren HDL-Code, um diese Modelle auf FPGA-Hardware zu implementieren und auf diese Weise Simulationen und Tests in Echtzeit zu ermöglichen. Dieser direkte Übergang von Model-in-the-Loop zu Hardware-in-the-Loop bietet Ingenieuren die Gelegenheit, die Embedded Software für die Regelung von Stromrichtern und Motorumrichtern zu validieren.

Hardware-in-the-Loop-Simulation von elektrischen Energiesystemen

Die Simulation elektrischer Energiesysteme erfordert eine entsprechend detaillierte Darstellung des elektrischen Netzes, um die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Komponenten, wie z. B. Stromversorgungsanlagen, Wechselrichtern und Controller-Überwachungslogik, genau zu erfassen.

Elektromagnetische Transienten (EMT) können mit Simscape Electrical simuliert werden. Dieselben elektrischen Modelle können auf Echtzeit-Testsystemen für Hardware-in-the-Loop-Simulationen bereitgestellt werden.

Die HIL-Testbench erfordert möglicherweise die Fähigkeit, mit Überwachungslogik und Controllern über industrielle Kommunikationsprotokolle wie Modbus und IEC 61850 zu kommunizieren sowie mit Hochspannungsgeräten für Hardware-in-the-Loop-Tests von Energiesystemen zu interagieren.

Hardware-in-the-Loop-Test von Software für Batteriemanagementsysteme (BMS)

Batteriemanagementsysteme steuern den Betrieb von Batterien in Elektrofahrzeugen, Luftfahrzeugen und Energiespeichersystemen. Beim Testen von C Code für ein BMS werden in der Regel Batteriezellenemulatoren als Teil des Hardware-in-the-Loop-Systems verwendet. Emulatoren für Batteriezellen simulieren die tatsächlichen Spannungs- und Stromwerte, die in Batteriezellen und -packs auftreten, und erleichtern so das Testen von BMS-Software für die Schätzung des Ladezustands (State of Charge, SOC) und des Betriebszustands (State of Health, SOH) sowie für andere BMS-Funktionen.

Die Verwendung von emulierten Batterien mit realistischen Leistungspegeln erleichtert es den Ingenieuren, Szenarien wie Überspannung, extreme Temperaturen und andere mögliche Fehlerbedingungen zu simulieren und die Fähigkeit der BMS-Software zu testen, mit diesen zurechtzukommen. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Aspekte der BMS-Software, zu denen das Batteriemanagement, die Zellenüberwachung und die Stromverteilungseinheiten gehören, umfassend zu testen und zu validieren. Typische HIL-Tests umfassen:

• Testen von Fahrzyklen: Zustandsschätzung während des gesamten Fahrzyklus
• Fehlerbedingungen: Einfügen von Fehlern in die Batterie ein und überprüfen, ob das BMS mit den Fehlerbedingungen umgehen kann.
• Zellausgleich: Testen, ob die Ausgleichsstrategien effektiv funktionieren

Simscape Battery™ umfasst Modelle von Akkupacks, die in Echtzeitanwendungen eingebunden werden können, um Hardware-in-the-Loop-Tests von Batteriemanagementsystemen durchzuführen.

Power-Hardware-in-the-Loop (P-HIL)

In einer klassischen HIL-Testumgebung ist der HIL-Simulator über Niedrigstrom- und Niederspannungssignale, in der Regel bis zu 10 V, mit der Controller-Hardware verbunden. Diese Spannungspegel werden von den im Echtzeitsystem installierten E/A-Karten erzeugt und erfasst. Diese Konfiguration eignet sich vor allem für die Prüfung von Regelungsalgorithmen und den meisten Verhaltensweisen des Systems. Diese Technik wird auch als Controller-Hardware-in-the-Loop (C-HIL) bezeichnet.

Einige Geräte, wie z. B. Solarwechselrichter und elektrische Maschinen, können jedoch höhere Spannungen und Stromstärken verwenden. In diesem Fall kann es notwendig sein, die realen Betriebsbedingungen genau nachzubilden. In solchen Fällen werden Power-Hardware-in-the-Loop-Tests (P-HIL) eingesetzt. P-HIL bringt Hochleistungsgeräte wie Leistungsverstärker zum Einsatz, um die Niederspannungssignale des Echtzeitsystems in die Hochspannung des emulierten Geräts umzuwandeln. Dieser Ansatz ermöglicht es Ingenieuren, umfassende Tests der Leistungskomponenten des Regelungssystems durchzuführen und so ein passendes Framework zu erstellen, mit dem überprüft werden kann, ob sie unter tatsächlichen Betriebsbedingungen zuverlässig funktionieren.

Hardware-in-the-Loop-Tests von Multidomain-Systemen

Hardware-in-the-Loop-Tests für Multidomain-Systeme ermöglichen es Ingenieuren, komplexe Interaktionen zwischen verschiedenen physischen Domänen, wie z. B. mechanischen, elektrischen und Softwarekomponenten, in einer realen Umgebung mit tatsächlicher Hardware zu validieren.

Die Simscape-Produktfamilie erleichtert diesen Prozess, indem sie Ingenieure bei der Simulation des dynamischen Verhaltens von Multidomain-Systemen unterstützt, die in HIL-Setups integriert werden können. In der Luft- und Raumfahrtindustrie beispielsweise ermöglichen das Hardware-in-the-Loop-Tests des Regelungssystems eines Luftfahrzeugs mithilfe von Simscape-Modellen den Ingenieuren die Simulation von aerodynamischen Kräften, hydraulischen Aktoren und elektronischen Regelungsreaktionen. Dieser Prozess optimiert die Regelungsalgorithmen und bestätigt den sicheren Betrieb unter verschiedenen Flugbedingungen.

Mehrknotige Hardware-in-the-Loop-Simulation

In bestimmten Szenarien erstreckt sich die Hardware-in-the-Loop-Simulation über ein einzelnes Regelungssystem hinaus auf mehrere Regelungssysteme oder Knoten. Bei diesem Ansatz wird nicht nur die Regelstrecke simuliert, sondern auch echte Hardware integriert, die einen ganzen Knoten umfassen kann, der sowohl den Controller als auch die Regelstrecke selbst beinhaltet.

Die Kommunikation zwischen realen und simulierten Knoten wird in der Regel über Industrieprotokolle oder Middleware-Lösungen wie Data Distribution Service (DDS), Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) und Scalable service-Oriented Middleware over IP (SOME/IP) erreicht. Diese Protokolle erleichtern den Austausch von Daten und Regelungssignalen. In der Automobil- und Fahrzeugindustrie wird diese Methode oft als Restbussimulation bezeichnet. Bei der Restbussimulation werden ein oder mehrere echte elektronische Steuergeräte (ECUs) an einen HIL-Simulator angeschlossen, der den „Rest des Busses“ und die übrigen ECUs emuliert. Diese Konfiguration ermöglicht es Ingenieuren, einzelne ECUs im Kontext des gesamten Fahrzeug-Netzwerks zu testen und zu validieren, um so zu bestätigen, dass die Steuergeräte bei Integration in das Gesamtsystem ordnungsgemäß funktionieren. Durch die Simulation der vollständigen Netzwerkumgebung bietet die Restbussimulation eine umfassende Plattform zum Testen der Interoperabilität und Leistung von Kfz-Regelungssystemen.

HIL-Tests mit MATLAB und Simulink

Simulink bietet eine effektive Plattform für den Entwurf und die Erstellung von Echtzeitanwendungen und ist damit die erste Wahl für Hardware-in-the-Loop-Tests. Mithilfe von Simulink können Ingenieure komplexe Modelle erstellen, die reale Bedingungen simulieren, und ihre Systeme in einer kontrollierten Umgebung testen. Simulink vereinfacht die Entwicklung von Echtzeitanwendungen und ermöglicht es Benutzern, Parameter einfach zu visualisieren und anzupassen, was besonders in der Entwicklungs- und Testphase von Vorteil ist.

In Verbindung mit der Speedgoat-Hardware bietet Simulink Real-Time eine fehlerresistente Plattform für die Verifikation und Validierung von Embedded Software. Diese Konfiguration ermöglicht es Ihnen, Hardware für umfassende Tests anzuschließen, und dabei Skripte von MATLAB zur Regelung von Echtzeit-HIL-Anwendungen zu verwenden und individuelle Bedienfelder mit App Designer zu entwerfen. Mittels des Simulation Data Inspector können Entwickler und Testingenieure ihre Daten überwachen und analysieren und so sicherstellen, dass sie über die erforderlichen Informationen und Erkenntnisse verfügen, um fundierte Entscheidungen zu treffen. Darüber hinaus können Sie Echtzeitanwendungen direkt über die Simulink-Arbeitsfläche verwalten und so die Prototypenerstellung und iterative Entwicklung erheblich beschleunigen.

Mit Simulink entwickelte Echtzeitanwendungen können zudem auf HIL-Systemen von Drittanbietern wie dSPACE, OPAL-RT und NI ausgeführt werden.