Projekte

Fraunhofer-Allianz Adaptronik

Vibrationsminderung für fahrzeugtechnische Anwendungen

Zur Implementierung von regelungstechnischen Anwendungen und zur digitalen Signalverarbeitung werden eingebettete Systeme mit unterschiedlicher Rechenleistung und unterschiedlichem Integrationsgrad eingesetzt. Die oftmals echtzeitfähigen Plattformen werden in vielen industriellen Anwendungen genutzt und sind meist mit Kommunikationsschnittstellen ausgestattet, wodurch sich Parameter des implementierten Systems ändern und auslesen lassen. Um eine möglichst hohe Systemintegration zu erreichen, wird versucht, ein von den Funktionalitäten auf die Aufgabenstellung angepasstes Rechnersystem zu verwenden.

Abb. 1: Aufbau des dezentralen Regelungssystems.

Anwendungen

Aktuell werden eingebettete Systeme z.B. im EU-Projekt APROSYS eingesetzt, wo die Steuerung einer aktiven Verriegelungsstruktur auf Basis multifunktionaler Formgedächtnislegierungen über einen 8-Bit-Mikrocontroller mit CAN-Bus Anbindung erfolgt. Im Rahmen des FhG-Projektes InGuss werden mehrere eingebettete Systeme zur Vibrationsregelung verwendet. Hier wird der Ansatz eines verteilten Regelungskonzepts genutzt, bei dem mehrere kompakte Regler die Schwingungen am Ort des Auftretens vermindern. Jede Reglereinheit arbeitet in der gewählten Anwendung mit nur einem Sensor und einem Aktuator, wodurch einerseits der Signalverarbeitungs- und andererseits der Verkabelungsaufwand verringert wird. Im Gegensatz zu einem zentralen Regelungskonzept, bei dem eine Reglereinheit eine Vielzahl von Sensorgrößen erfasst, besteht hier die Notwendigkeit einer Kommunikation, um die verteilten Reglerknoten global optimiert einstellen zu können. In Abb. 1 ist der prinzipielle Aufbau des Regelungssystems dargestellt. Diese enthält noch eine Steuerungseinheit, die über einen Optimierungsalgorithmus abhängig von den lokalen Schwingunsamplituden die besten Reglerparameter ermittelt.

Abb. 2: Ergebnisse der Optimierung.

Erste Ergebnisse

In einem Laborversuch wurde auf einem Echtzeitrechnersystem die Optimierung von drei Positive-Position-Feedback (PPF)-Reglern erprobt, die über einen genetischen Optimierungsalgorithmus eingestellt wurden. Bei der Versuchsstruktur handelte es sich um eine gelenkig gelagerte Aluminiumplatte mit drei applizierten Sensor-Aktuator-Paaren, die aus piezoelektrischen Keramiken bestanden. Die Effektivwerte der Sensorsignale wurden als zu optimierende Zielgröße an den Algorithmus übergeben, wobei eine Schwingungsbedämpfung in den ersten drei Eigenfrequenzen der Platte erreicht werden sollte. Es wurden mehrere Optimierungsläufe durchgeführt, wobei sich die in Abb. 2 dargestellten Werte ergaben. Der Frequenzgang zwischen anregender Kraft und gemessener Beschleungigung am Anregungspunkt zeigt eine gute Ampltitudenreduktion der ersten drei Eigenfrequenzen, die vom Algorthmus wiederholt erzielt werden konnte. Zur Umsetzung in einen echten verteilten Aufbau wurde ein eingebettetes Mikrocontrollersystem mit CAN-Kommunikation, Sensorsignalerfassung, Leistungstreiber für die Aktuatoren und einem einstellbaren analogen PPF-Regler entwickelt, womit bereits erste Messungen gemacht wurden. Die Schaltung ist als modulares Konzept ausgeführt, bei dem der analoge Reglerteil für weitere Anwendungen mit abweichenden Regelgesetzen austauschbar ist. Als Weiterentwicklung ist die Integration der analogen Reglerschaltung als digitaler Filter in einen leistungsfähigen Mikrocontroller geplant. Hierdurch lässt sich die Schaltungsgröße auf die Fläche einer Leiterplatte verringern und es wird ein höherer Integrationsgrad des aktiven Systems erzielt.

Abb. 3

Kundennutzen

Der vorgestellte verteilte Ansatz ermöglicht z.B. die Nutzung aktiver Systeme zur Schwingungsreduktion in schwer zugänglichen Bereichen, wie sie z.B. im Fahrzeugbau vorgefunden werden. Das vorgestellte aktive System besitzt alle für die Regelung und Steuerung notwendigen Komponenten und benötigt lediglich die Zuführung der Versorgungs- und der Kommunikationsleitungen. Über die Verbindung mit einer externen Rechnereinheit lassen sich automatisiert optimale Reglereinstellungen für komplexe Aufbauten ermitteln.