Testsimulationen an elektronischen Steuergeräten automatisieren

| Autor / Redakteur: Keith Moore * / Hendrik Härter

Steuergeräte testen: 
Fehlersimulationsmodule (FIUs) erhöhen die Effizienz von Softwaretests bei Steuergeräten des Antriebsstrangs. Das Bild zeigt ein Verteilergetriebe von BorgWarner.
Steuergeräte testen: 
Fehlersimulationsmodule (FIUs) erhöhen die Effizienz von Softwaretests bei Steuergeräten des Antriebsstrangs. Das Bild zeigt ein Verteilergetriebe von BorgWarner. (Bild: Pickering Interfaces)

Mit automatisierten Testsimulationen lassen sich elektronische Steuergeräte (ECU) detaillierter und vor allem auch schneller testen. Wir zeigen, wie das geht und welche Hardware dazu notwendig ist.

Der Test sicherheitsrelevanter elektronischer Steuergeräte, kurz ECU, betrifft Hard- und Software gleichermaßen. Der Test ist zwingend notwendig, da die elektronischen Steuergeräte die Bremsen regeln, Überschläge verhindern und dafür sorgen, dass die Leistung korrekt auf die Räder verteilt wird.

Die Tier-1-Automobilzulieferer teilen diese Ansicht. Verteilergetriebe für Fahrzeuge mit Vierrad- bzw. Allradantrieben sind elektromechanische Geräte, die den Schlupf der Räder überwachen und sicherstellen, dass die Energie nur auf die Räder verteilt wird, die keinen Schlupf aufweisen.

Solch ein Steuergerät für Verteilergetriebe verbindet Sensoren und Aktuatoren sowie Schnittstellen mit dem Netzwerk des Fahrzeugs. Wenn der Fahrer einen Gang einlegt, überprüft die ECU, ob das Schalten in diesen Gang möglich ist. Ist der Schaltvorgang beendet, gibt die ECU eine entsprechende Meldung an das Netzwerk ab. Während des Betriebs können verschiedene Fehler auftreten. Es kann beispielsweise ein Kabelbruch vorliegen, benachbarte Leiter einen Kurzschluss haben oder Verbindungen zu hohe Widerstände aufweisen.

Mehr Automatisierung beim Test

Um sicherzustellen, dass Verteilergetriebe im Fehlerfall sichere Betriebszustände einnehmen, simulieren die Hersteller diese Fehler. In einigen Fällen entwickeln Lieferanten einen Testadapter für Antriebsstrang-Systeme. Mit dem Testadapter ist es möglich, während der Prüfung des Verteilergetriebes bestimmte Fehlerzustände zu simulieren. Das manuelle Herbeiführen von Fehlern ist zeitaufwendig und begrenzt die mögliche Anzahl der Tests. Hinzu kommt, dass die Vorgehensweise fehleranfällig ist.

Es gibt einen Trend hin zu mehr Testautomatisierung, um ECUs detaillierter und in kürzerer Zeit testen zu können. Sind die ECUs noch in der Entwicklung, werden Simulationen mit Hardware-in-the-Loop (HIL) angesteuert. Dabei handelt es sich um ein Testsystem, das die Geräte simuliert, welche die ECU ansteuert. So wird beispielsweise ein Stimulus-Instrument angeschlossen, um das Verhalten des Motors zu simulieren. Gesteuert wird es manuell oder durch einen mit Messinstrumenten ausgestatteten Computer, der die analogen und digitalen Antworten des Steuergeräts erfasst. Für notwendige Fehlerzustände wurde ein Rangierverteiler benutzt.

Fehlersimulations-Einheiten

Allerdings haben solche Lösungen systembedingte Nachteile. Dazu gehören beispielsweise fehlende Wiederholbarkeit, Größe, fortwährende Wartung, die Notwendigkeit profunder Kenntnisse des Bedieners über das System, mögliche menschliche Fehler sowie die Arbeitskosten für Test und und Protokollierung. Der richtige Weg bei der Verbesserung der HIL-Simulation ist der Einsatz von Fehlersimulations-Einheiten (= Fault Insertion Units FIU). Das sind Module, die elektrische Fehler einschleifen und so Probleme wie Korrosion, Kurzschlüsse/Unterbrechungen und andere elektrische Fehler nachbilden. Die Prüfung mit FIUs ist wiederholbarer und umfassender und findet Probleme schneller.

Doch zurück zum realen Test des Steuergeräts: Der Testadapter wurde zwischen dem Verteilergetriebe und seiner ECU eingeschleift. Ein Techniker schaltete die Fehler manuell ein und aus, wodurch die Anzahl an Testdurchläufe gesenkt wurde. Zudem bestand die Gefahr von Bedienfehlern. Auch gab es Probleme mit dem Testadapter: Die Testingenieure konnten keine resistiven Fehler nachbilden und der Test eines einzigen Prüflings dauerte bis zu acht Minuten. Da der Hersteller des Antriebsstrangs tausende von Tests durchzuführen hatte, war es schnell klar, dass eine Lösung mit geringeren Testzeiten gefunden werden musste.

Die Fehlersimulation automatisieren

Wurden mehrere Schaltsysteme evaluiert, entschied sich der Hersteller der Antriebsstrang-Systeme für Pickering und beschaffte ein PXI-Chassis. Dieses ist mit Fehlersimulations-Schaltmodulen des Typs 40-191 bestückt, um Kurzschlüsse und Unterbrechungen zu simulieren. Das Modul verwendet Halbleiter-Schaltelemente und kann bis zu 40 A auf einem einzelnen Kanal schalten. Über jeden Kanal lassen sich Signale zum Prüfling senden oder die Verbindung unterbrechen. Die Fehlersimulations-Busse erlauben es, jeden Kanal mit jedem anderen Kanal kurzzuschließen. Fehlerzustände lassen sich simulieren, indem jeder Kanal mit externen Signalen wie Spannungsversorgung, Zündung oder Masse verbunden wird. Das programmierbare Widerstands-Modul 40-297 von Pickering wurde ausgewählt, um resistive Fehler nachzubilden.

Um einen Unterbrechungsfehler zu simulieren, muss nur ein Kanal geöffnet werden. Um zwei Leitungen kurzzuschließen, werden beide Leitungen an einen der Fehlerbusse des Moduls angeschlossen. Um einen Kurzschluss mit der Versorgungsspannung oder mit Masse zu simulieren, wird die Signalleitung mit einem der Fehlerbusse verbunden, der dann an Masse oder eine externe Spannung angeschlossen wird.

Gesunkene Testzeit

Um einen simulierten resistiven Fehler in einer der Signalleitungen zwischen dem Verteilergetriebe und seinem elektronischen Steuergerät nachzubilden, schaltet der Computer einen variablen Widerstand des Moduls 40-297 zu und variiert den Widerstandswert in einzelnen Schritten bis das System eine Unterbrechung erkennt. Ist ein Fehler eingefügt, werden ein oder mehrere Fahrszenarien durchgespielt und die Testdaten erfasst. Der automatisierte Tests senkte die Zeit auf etwa vier Minuten. Zum Vergleich: Ein typischer Testlauf benötigt bis zu 20.000 Einzeltests und dauert länger als einen Monat.

Hat die ECU während des Tests keine Schäden genommen, werden die Testdaten analysiert. Interessant sind die CAN-Signale und das Gesamtverhalten, vor allem Daten, die auf ungewollte Änderungen hinweisen und die Diagnose-Codes. Ein universelles Testsystem für ihre Verteilergetriebe ist in Planung.

* Keith Moore ist CEO bei Pickering Interfaces am Hauptsitz in Großbritannien.

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