You can directly download the Bachelor Thesis and the Presentation here. If you were wondering why its in German, this is because the Presentation language was German.\u00a0<\/b>[wpfilebase tag=file id=5 \/][wpfilebase tag=file id=4 \/]<\/em>Motivation<\/span><\/strong><\/p>\n Doch hat der Verbrennungskraft Motor schon eine Jahrzehnte lange andauernde Entwicklung hinter sich. F\u00fcr elektrische Antriebe ist es nicht nur notwendig, effiziente Elektromotoren und Stromrichter zu entwickeln, sondern auch die Batterietechnik und besonders die Sicherheit von Batterien wird vermutlich ausschlaggebend sein, ob sich rein elektrisch bewegte Fahrzeuge durchsetzen k\u00f6nnen.<\/p>\n Des weiteren stellt die ben\u00f6tigte Energie zum Laden ein Problem dar. Es muss ein fl\u00e4chendeckendes Netz geschaffen werden, das den Konsumenten und deren hohen Anforderungen gen\u00fcgt. Auch der Transport der notwendigen Energien wird die Energieversorger vor neue Probleme stellen. Aus heutiger Sicht w\u00e4re es nicht m\u00f6glich sofort die ganze Bev\u00f6lkerung auf Elektrofahrzeuge umzustellen denn das Versorgungsnetz w\u00e4re total \u00fcberlastet.<\/p>\n Da ich die Entwicklung besonders von rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen schon seit mehreren Jahren gespannt verfolge, wollte ich durch aktive Mitarbeit beim damaligen E-Power Racing Team 2011 einen tieferen Einblick in die Thematik und Probleme rund um den elektrisch angetriebene Fahrzeuge gewinnen.Aufgabenstellung<\/b><\/span><\/p>\n Es sollte eine sogenannte X-by-Wire Box entwickelt werden, welche Lenkwinkel, Bremsdruck beider Bremskreise sowie die \u201eGas\u201cPedalstellung erfassen soll.<\/p>\n Es sollte besonderes Augenmerk auf redundante Messungen sowie Fehlertoleranz bei Sensorausf\u00e4llen aller Art gelegt werden. Sensorausf\u00e4lle k\u00f6nnen Kurzschluss Leerlauf, falsche oder keine Sensordaten und \u00dcbertragungsfehler bei digitalen Sensoren sein. Die Messdaten sollen in Echtzeit – 10ms Intervall \u2013 via CAN Bus zur zentralen Steuereinheit des Fahrzeuges , auch ECU gennant, \u00fcbermittelt werden.<\/p>\n Desweiteren sollte durch die hohen Anforderungen des Formel Sports, Kosten, Gr\u00f6\u00dfe und Gewicht sowie die Energieeffizienz des Drive-by-Wire Systems weiter optimiert werden.Grundlagen<\/b><\/span><\/p>\n Man muss zwischen Abweichungen sogenannten faults, Fehlern sprich errors und Ausf\u00e4llen also failures eines Systems unterscheiden. Aus Faults k\u00f6nnen Errors und daraus Failures, resultieren. Ein Fault ist immer die Grundursache f\u00fcr einen System Ausfall, jedoch kann ein solcher Ausfall durch geschickte Gegenma\u00dfnahmen verhindert werden.<\/p>\n Es existieren verschiedenste Arten um Fehlertoleranz zu implementieren.<\/p>\n In Hardware wird beispielsweise zwischen statischer und dynamischer Hardwareredundanz unterschieden. So sind bei statischer Redundanz alle Komponenten gleichzeitig aktiv, w\u00e4hrend bei dynamischer Redundanz erst im Fehlerfall Komponenten gezielt wieder hinzugeschalten werden. Einen Sonderfall von Hardwareredundanz stellen hybride Systeme dar, bei welchen statische und dynamische Redundanz kombiniert werden.<\/p>\n Da Fahrzeugsysteme immer komplexer werden, und in modernen Fahrzeugen etliche Mega Byte an Software in mehreren Controllern laufen, wird Fehlertoleranz in Software auch in Zukunft immer wichtiger werden. Diese kann durch folgende Ma\u00dfnahmen erreicht werden:<\/p>\n Design Diversit\u00e4t<\/em>: Verschiedene Implementierungen eines Algorithmus laufen parallel zB.: N-version programming. Nicht nur Hardware- und Software Redundanz spielen eine wichtige Rolle, sondern auch das \u00dcbertragen oder Speichern der berechneten Daten mit Redundanz.<\/p>\n Daher sind bei Bussystemen, welche speziell f\u00fcr den Automotive Bereich entwickelt wurden, gro\u00dfe Redundanzen in der Codierung des \u00dcbertragungsstandards vorhanden, um Fehlern bei der \u00dcbertragung vorzubeugen. Zus\u00e4tzlich zu Redundanz in verwendeten Codes, kann zeitliche Redundanz ebenfalls verwendet werden, um \u00dcbertragungsfehler zu kompensieren. Es kann es sinnvoll sein, wenn es das \u00dcbertragungssystem zul\u00e4sst, ein und denselben Wert, in bestimmten Zeitintervallen nochmals zu senden.<\/p>\n Auch die Mensch-Maschine Schnittstelle soll robust gegen Eingabefehler durch den Menschen sein. Daher wird zB in der Automobilindustrie schon seit l\u00e4ngerer Zeit mit Bremsassistenten gearbeitet, um Fehler in der Benutzereingabe \u2013 zu sp\u00e4tes bremsen \u2013 korrigieren zu k\u00f6nnen.E-Power Racing Team<\/b><\/span><\/p>\n Die Messung soll mit folgenden bereitgestellten Sensoren erfolgen: Alle Sensoren m\u00fcssen unbedingt durch separate Leitungen mit der X-by-Wire Box verbunden sein, um bei Kabelbruch oder mechanischen Belastungen nicht mehrere Sensoren gleichzeitig zu verlieren.<\/p>\n Die an die ECU gesendeten Datenpakete sollen eindeutig identifizierbar sein und in Echtzeit \u00fcbermittelt werden.\u00a0Zus\u00e4tzlich sollte ein Safety Watchdog IC auf der Platine implementiert werden, welcher bei Abweichungen der Versorgungsspannungen oder bei WD timeouts, einen Reset verschiedener auf der Platine befindlichen Komponenten bewirken kann.Umsetzung Sensorik<\/b><\/span><\/p>\n Die zwei Bremsdrucksensoren, werden hinter der Pedalerie direkt in die Bremszylinder eingeschraubt. Die Kabell\u00e4nge der analogen Messleitung betr\u00e4gt daher auch hier nur wenige Zentimeter.ahrzeug\u00fcberblick<\/span><\/b><\/p>\n Zus\u00e4tzlich zu diesen Sicherheitsvorkehrungen wurde entschieden, alle Versorgungsspannung, sei es die Versorgung der Treiber oder auch die digital Versorgung des \u00b5C\u2018s zwischen 3V3 und 5V frei konfigurierbar auszuf\u00fchren. Daher wurden auf der Platine zur Versorgung einzelner Schaltungsteile Jumper zwischen 3V3 und 5V vorgesehen. Aus diesem Grund mussten auch im Vorfeld verschiedene Best\u00fcckungsvarianten und Spannungskonfigurationen auf Funktionalit\u00e4t hin \u00fcberpr\u00fcft werden.\u00a0Der Grund f\u00fcr das Vorsehen der verschiedenen Konfigurationen war, dass die Informationen \u00fcber den SPI Teil der Winkelsensoren so schlecht ausgef\u00fchrt waren, dass man leider nicht 100%ig darauf schlie\u00dfen konnte, dass sich der Sensor auch mit 3V3 Volt Logikpegeln ansprechen lie\u00dfe.\u00a0<\/b><\/span><\/p>\n Alle Bauteile sollen mit Hand aufl\u00f6tbar sein Die Datenaufbereitung f\u00fcr Bremsdruck und Lenkwinkel passiert quasi analog zu dieser Methode.\u00a0<\/b><\/span><\/p>\n Durch die Verwendung von 4 Layern konnte das Spannungsversorgungskonzept weiter verbessert werden, sodass sich auf den Busleitungen bessere elektrische Eigenschaften nachweisen lie\u00dfen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" In\u00a0January 2013 i finished my bachelor thesis:\u00a0 Drive-by-Wire System of the TU Graz Formula Student Electric Race Car 2011\u00a0at the Institute of technical Informatics\u00a0of the TU Graz. You can directly download the Bachelor Thesis and the Presentation here. If you were wondering why its in German, this is because the Presentation language was German.\u00a0[wpfilebase tag=file … Continue reading Bachelor Thesis – Information and Computer Engineering<\/span> ![\"Motivation\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie3.png\")
<\/a>In der Automobilbranche l\u00e4sst sich ein klarer Trend erkennen. Alle gro\u00dfen Automobilhersteller sind am Weg serienreife Fahrzeuge zu entwickeln, deren Hauptantrieb ein rein elektrischer ist. Der Weg f\u00fcr die Automobilentwicklung in den n\u00e4chsten Jahren scheint geebnet f\u00fcr den elektrischen Antrieb.<\/p>\n![\"Folie4\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie4.png\")
<\/a>Im Rahmen dieser Zusammenarbeit sollte das 2010 entwickelte Drive-by-Wire System auf Schwachstellen hin analysiert und weiter verbessert werden.<\/p>\n![\"Folie5\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie5.png\")
<\/a><\/p>\n
\nDaten Diversit\u00e4t<\/em>: Die Eingabedaten werden leicht modifiziert mehrfach bearbeitet
\nTemporale Diversit\u00e4t<\/em>: Ein Algorithmus wird mit denselben Daten mehrfach aufgerufen<\/p>\n![\"Folie6\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie6.png\")
<\/a>Die X-by-Wire Box soll so klein als m\u00f6glich robust und spritzwasserfest sein. Die Sensoren sollen einzeln und eindeutig steckbar sein, sodass diese auf keinen Fall falsch angesteckt werden k\u00f6nnen.<\/p>\n
\n2x analoge Bremsdrucksensoren welche ein ratiometrisches Ausgangssignal liefern
\n4x Gaspedalstellung, da der zu verwendende Sensor als redundante Ausf\u00fchrung erh\u00e4ltlich war und\u00a02x Lenkwinkel, wecher jedoch aus Kostengr\u00fcnden derselbe Sensor wie bei der Pedalstellung sein soll.<\/p>\n![\"Folie7\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie7.png\")
<\/a>Als Gaspedal sowie Lenkwinkelsensoren wurden wie schon erw\u00e4hnt dieselben per SPI angeschlossenen Sensoren mit 14bit Aufl\u00f6sung verwendet. Diese sind in verschiedenen Montagevarianten erh\u00e4ltlich. F\u00fcr die Montage am Pedal sowie an der Lenks\u00e4ule wurde dieselbe Ausf\u00fchrung mit Flanschmontage gew\u00e4hlt. Dies hatte den weiteren Vorteil, dass nur ein Sensor Typ als Ersatz zu Verf\u00fcgung stehen muss. Da die Sensoreinheit jedoch komplett in Kunstharz eingegossen ist, sollte zumindest Wasser keine Defekte hervorrufen. Da die Box in N\u00e4he der Pedale montiert wird, soll versucht werden, die Kabell\u00e4ngen so kurz als m\u00f6glich zu halten.<\/p>\n![\"Folie8\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie8.png\")
<\/a>In der Abbildung ist das Gesamtfahrzeugkonzept des MaxWheel 2011 zu sehen. Wie zu erkennen ist, werden 3 voneinander getrennte CAN Busse verwendet. Einer der CAN Busse wird nur f\u00fcr die Kommunikation BMS intern verwendet wird. Ein weiterer Bus ist f\u00fcr jene Einheiten, welche f\u00fcr die Bewegung des Fahrzeuges zust\u00e4ndig sind, der Powertrain CAN. Am Feature CAN sind alle verbleibenden Einheiten angeschlossen. Da nur die X-by-Wire Box sowie die beiden Stromrichter und die ECU an den Powertrain CAN Bus angeschlossen sind, kann durch die Erfahrungen des Vorjahres die Buslast relativ genau analysiert werden. Da diese bei 1Mbit nur ca. 10% betragen wird, kann dem Bus Echtzeitf\u00e4higkeit attestiert werden.-by-Wire Box<\/b><\/span><\/p>\n![\"Folie9\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie9.png\")
<\/a>Die Anschl\u00fcsse der X-by-Wire Box hier nochmals im \u00dcberblick.
\n<\/b><\/p>\n![\"Folie10\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie10.png\")
<\/a>Als Spannungsversorgung der X-by-Wire Einheit wurde ein Spannungsregler aus dem Hause Infineon gew\u00e4hlt, da dieser nahezu alle gew\u00fcnschten Anforderungen erf\u00fcllen konnte.
\nEr konnte eine relativ hoch belastbare Zwischenkreisspannung von 5,5V zu Verf\u00fcgung stellen, 2x 3,3V f\u00fcr den Mikrocontroller und Peripherie sowie 1x 5V f\u00fcr den analogen Teil des verwendeten Mikrocontrollers.
\nDa 6 idente Winkelsensoren verwendet werden, stellt der Spannungsregler mit den 6 integrierten Trackern nahezu alle Spannungsversorgungnen bereit, welche ben\u00f6tigt werden. Es wurden nur 2 zus\u00e4tzliche Tracker ben\u00f6tigt um die analogen Bremsdrucksensoren versorgen zu k\u00f6nnen. Der Mehrfachspannungsregler bietet au\u00dferdem die M\u00f6glichkeit \u00fcber SPI mehrere Statusbits auszulesen, bzw. eine Window Watchdog Funktion einzuschalten.<\/h1>\n![\"Folie11\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie11.png\")
<\/a>Die Verwendung von separaten Trackern f\u00fcr jeden Sensor, impliziert leider noch nicht, dass bei einem Kurzschluss beliebiger Leitungen eines Sensors (Bsp: Sensor VCC \u2013 Sensor Clock) der Bus ohne Probleme weiter betrieben werden kann. Ohne Trennung mit geeigneten Treiberbausteinen, welche in diesem Fall auch eine Pegelumsetzung des 3,3V versorgten Mikrocontrollers auf die mit 5V versorgten Sensoren vornahm, w\u00e4re die nicht m\u00f6glich.<\/p>\n![\"Folie12\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie12.png\")
<\/a>Bei der Umsetzung des Schaltplanes in das Layout sollten folgende Punkte ber\u00fccksichtigt werden:<\/p>\n
\nMontagebohrungen sollen vorgesehen werden, sodass eine Befestigung im Geh\u00e4use m\u00f6glich ist
\nDie Verbindungen zu den Geh\u00e4usesteckern sollen trennbar aber zugleich vibrationsfest sein um im fehlerfall die Platine rasch auswechseln zu k\u00f6nnen
\nDie Platine soll einen 2 Layer Standard Aufbau besitzen und mit den standard design rules des bevorzugten Herstellers \u2013 multicb \u2013 produziert werden k\u00f6nnen.
\nAlle ungen\u00fctzten Fl\u00e4chen sollen als Supply-Layer oder GND Layer verwendet werden, oder zumindest mit Kupfer ausgef\u00fcllt werden um eine bessere St\u00f6runterdr\u00fcckung zu erzielen
\nDie Bauteile sollen sich nur auf einer Platinenseite befinden
\nSt\u00fctzkondensatoren sollten so nah als m\u00f6glich an Treibern und am uC platziert werden
\nDer verwendete Quarz muss mit kurzen Leitungen am \u00b5C angeschlossen werden
\nSignalleitungen sollen auf m\u00f6glichst auf kurzem Weg zu den Steckern f\u00fchren
\nIm selben Zusammenhang sollen Leiterschleifen so gut es geht vermieden werden\u00a0<\/b><\/span><\/p>\n![\"Folie13\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie13.png\")
<\/a>Jeder Sensor besitzt mehrere Wert-Teilbereiche. Die oberen und unteren Grenzwerte werden nach Einbau des Pedals einmalig ermittelt.
\nDa es sich um 4 voneinander getrennte Sensoren handelt, und jeweils 2 davon gegenl\u00e4ufig messen, muss Start- und Endwert f\u00fcr jeden Sensor einzeln ermittelt und gespeichert werden. Die oberen und unteren Limit Bereiche dienen zur Ber\u00fccksichtigung von mechanischen Verformungen des Pedals, w\u00e4hrend des Bewerbs, sodass bei \u00dcber bzw. Unterschreitung der kalibrierten Start bzw. Endwerte der Sensor nicht aus dem validen Bereich fiel.
\nWeiters war es m\u00f6glich einige Fahrerw\u00fcnsche zu ber\u00fccksichtigen. \u00dcber die Limits konnte \u201eaktive\u201c Pedalweg festgelegt werden, damit nicht schon bei leichter Ber\u00fchrung des Pedals das Fahrzeug in Bewegung gesetzt wird, oder durch mechanische Verformung 100% Endwert nicht mehr erreicht werden k\u00f6nnen. Au\u00dferdem w\u00e4re es auch m\u00f6glich gewesen, Fahrerspezifische progressive oder degressive Pedalkennlinien einzustellen.<\/p>\n![\"Folie14\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie14.png\")
<\/a>In dieser Version war jeder Sensor einzeln auf der Box steckbar. Wurden beispielsweise 3 der 4 Pedalsensoren abgesteckt, so musste dies erkannt werden, und eine Abschaltung des gesamten Powertrain Systems aufgrund verlorener Sensor-Redundanz am Gaspedal erfolgen.<\/p>\n![\"Folie15\"](\"http:\/\/mentin-blog.azurewebsites.net\/wp-content\/uploads\/Folie15.png\")
<\/a>Durch die Verwendung von Widerstandsnetzwerken, konnte der Platzbedarf enorm reduziert werden. So finden nun beispielsweise 4 Widerst\u00e4nde in einem Geh\u00e4use der Bauform 1206 entspricht 2×0603 Platz! Also dort wo 2011 ein Widerstand benutzt wurde, finden nun fast 3 Platz. Die \u00fcberdimensionierten Speicherdrosseln wurden eliminiert, und da auch die Bauh\u00f6he klein zu halten war, wurden spezielle niedrig ESR Polymer Kapazit\u00e4ten verwendet, anstatt der hohen Panasonic Elkos.<\/p>\n