Fehlertolerante mechatronische Aktorsysteme mit Realisierung einer elektrischen Duplex-Servolenkung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fehlertoleranz redundanter mechatronischer Aktorsysteme am Beispiel einer Duplex-EPS. Hierfür wird im ersten Schritt eine Systemanalyse durchgeführt, zur Bestimmung einer Systemkonfiguration mit einer möglichst großen Fehlertoleranz bezüglich der Aktorik als auch der Sensorik bei gleichzeitig einer möglichst niedrigen Systemkomplexität. Hierfür kommen für die Wahl der Aktoranordnung Verfahren wie die FMEA (Failure Mode and Effect Analyse) zum Einsatz. Für die richtige Auswahl der Sensorik wird eine strukturelle Fehlererkennbarkeits- und -isolierbarkeitsanalyse durchgeführt.

Es wird versucht sowohl eine aktive als auch eine passive Fehlertoleranz des Systems herzustellen. Für eine passive Fehlertoleranz wird eine Internal Model Control (IMC) Reglerstruktur entwickelt, die eine automatische Aktor-Allokation im Fehlerfall ermöglicht und somit die vorhandene Aktorredundanz im „hot standby“ nutzbar macht. Um eine bestmögliche Systemperfomance im Fehlerfall zu ermöglichen wird die IMC zu einer adaptiven Regelung erweitert, die eine Systemrekonfiguration abhängig von einer überlagerten Fehlererkennung und-diagnose in einem Fehlermanagementsystem erlaubt.

Die angenommenen Sensor- und Aktorfehler können hierbei alle über eine Kombination aus Paritätsgleichungen und Parameterschätzverfahren erkannt und diagnostiziert werden. Die hierfür verwendeten analytischen Redundanzen konnten über die durchgeführte Strukturanalyse ermittelt werden. Die hohe Güte des verwendeten Modells sowie eine schnelle und präzise Extraktion von Symptomen erlauben frühzeitig Fehler zu erkennen und zu diagnostizieren, selbst bei einer geringen Fehlerstärke.

Um fehlertolerant gegenüber Sensorfehlern zu sein wird zum einen gezeigt wie die verwendete IMC Struktur beim Ausfall von einem oder mehreren Stromsensoren stufenweise in eine Vorsteuerung rekonfiguriert werden kann und zum anderen wie die benötigten Sensorsignale (Ströme, Winkel und Winkelgeschwindigkeit) mit einem Extended Kalman Filter (EKF) über dem kompletten Geschwindigkeitsbereich der Aktoren beim Ausfall eines der Sensorsignale geschätzt werden können. Hierbei ist hervorzuheben, dass die Schätzung bis in den Stillstand funktioniert, auch wenn die Winkellage unbeobachtbar wird.

Für die Untersuchung der Auswirkung eines Fehlers in der EPS sowie für die Validierung der in dieser Arbeit beschriebenen Ergebnisse standen zwei Prüfstände zur Verfügung. Der erste Prüfstand ist ein Duplex-EPS System bestehend aus zwei Standard EPS Systemen, die über die Zahnstange miteinander verkoppelt wurden. Der zweite Prüfstand besteht aus zwei permanent erregten Synchronmotoren, die über eine Balgkupplung rotatorisch miteinander verbunden sind.

This thesis deals with the fault-tolerance of redundant mechatronic actuator systems using the example of a duplex EPS. In the first step, a system analysis is carried out to determine a system configuration with the greatest possible fault-tolerance with respect to both the actuators and the sensors while keeping system complexity as low as possible. For this purpose, methods such as FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) are used for the selection of the actuator arrangement. For the correct selection of the sensor technology, a structural failure detection and isolation analysis is performed.

An attempt is made to establish both an active and a passive fault tolerance of the system. For a passive fault tolerance, an Internal Model Control (IMC) controller structure is developed, which enables an automatic actuator allocation in case of a fault and thus makes the existing actuator redundancy usable in ’hot standby’. In order to achieve the best possible system performance in the event of a fault, the IMC is extended to an adaptive control system, which allows a system reconfiguration depending on a superimposed fault detection and diagnosis in a fault management system.

The assumed sensor and actuator errors can all be detected and diagnosed using a combination of parity equations and parameter estimation methods. The analytical redundancies used for this purpose could be determined by means of the performed structural analysis. The high quality of the used model as well as a fast and precise extraction of symptoms allows to detect and diagnose errors at an early stage, even with a low error severity.

In order to be fault-tolerant to sensor errors, it is shown on the one hand how the IMC structure used can be reconfigured stepwise into a feedforward control system in case of failure of one or more current sensors and on the other hand how the required sensor signals (currents, angle and angular velocity) can be estimated over the complete velocity range of the actuators with an Extended Kalman Filter (EKF) in case of failure of one of the sensor signals. It should be emphasized that the estimation works up to standstill, even if the angular position becomes unobservable.

Two test benches were available to investigate the effect of a failure in the EPS and to validate the results described in this thesis. The first test bench is a duplex EPS system consisting of two standard EPS systems, which were coupled to each other via the rack. The second test stand consists of two permanently excited synchronous motors which are connected to each other by a bellows coupling.