ARI - Advanced Ride by Wire

Herzlich willkommen auf unserer Projektseite. Hier erfahren Sie alles über unsere innovative Entwicklungsumgebung und unser Antriebskonzept.

Kurzbeschreibung

ARI fungiert als Entwicklungsumgebung, um ein neuartiges Antriebskonzept für E-Bikes zu untersuchen und weiterzuentwickeln. Während bei herkömmlichen Elektrofahrrädern Pedale und Hinterrad über eine Kette mechanisch gekoppelt sind, verfolgt ARI das Ziel, diese mechanische Verbindung vollständig zu ersetzen, ohne jedoch das vertraute Tretgefühl eines klassischen Fahrrads zu verändern. Stattdessen werden Tretimpulse und Straßenbedingungen in eine elektronische Regelschleife überführt. Drehzahlen und Drehmomente am Tretlager sowie am Antriebsmotor werden erfasst und in Echtzeit interdependent geregelt, um ein natürliches und dynamisches Fahrverhalten sicherzustellen.

Unser Projekt wird bearbeitet und erstellt an der HTL Mössingerstraße

Details

Entwicklungsumgebung

Heimtrainer als Entwicklungsumgebung

Zur praxisnahen Simulation des entwickelten Antriebskonzepts dient ein modifizierter Heimtrainer als Demonstrator. Dabei wird ein vorhandener Heimtrainer derart umgebaut, dass die Regelung mittels ARI in einem kontrollierten Umfeld präsentiert werden kann.

Die Funktionsweise stellt sich wie folgt dar:
Durch die Betätigung der Pedale wird der Generator angetrieben. Währenddessen werden kontinuierlich Parameter der Synchronmaschine (z.B. Drehzahl) an die SPS übermittelt. Anhand der programmierten Regelung wird dementsprechend der Antriebsmotor angesteuert, welcher ebenfalls Daten an die Steuerung zurückmeldet. Mittels einer Bremse lässt sich die Last am Motor variieren, um reale Straßenbedingungen, wie beispielsweise die Steigung, zu simulieren. Durch diese Veränderung ändert sich das Gegenmoment am Generator, woraus ein entsprechend veränderlicher Tretwiderstand für den Anwender resultiert. Das Resultat?

Prinzipiell verhält sich das System somit analog zu einem klassischen Fahrrad, jedoch unter vollständigem Verzicht auf eine mechanische Verbindung. Der wesentliche Vorteil der SPS-basierten Umsetzung liegt in der hohen Flexibilität der Regelung, da diese individuell programmierbar ist. Somit unterliegen die implementierbaren Funktionen und Assistenzsysteme kaum noch technischen Beschränkungen, was weitreichende Entwicklungsmöglichkeiten eröffnet.

Antriebstechnik

Elektrischer Motor & Leistungselektronik

Als Motor und Generator kommen zwei Synchronmaschinen des Typs SIMOTICS S-1FK7 von Siemens zum Einsatz, welche über abgestimmte Leistungsmodule versorgt werden. Hierfür werden ein SINAMICS S120 Double Motor Module, ein SINAMICS S120 Smart Line Module sowie eine SINAMICS Control Unit CU320-2 PN implementiert.

Die übergeordnete informationstechnische Verknüpfung all dieser Komponenten erfolgt mittels der SIMATIC S7-1500 CPU, welche die zentrale Steuerungseinheit der gesamten Regelung bildet. Die Control Unit fungiert dabei als prozessnaher Regler der Synchronmaschinen. Sie erfasst über das Double Motor Module sämtliche Parameter der Antriebe, wertet diese aus und leitet die prozessierten Daten anschließend an die SPS weiter.

Das Smart Line Module übernimmt als rückspeisefähige Einspeiseeinheit bei der Versorgung der SIMOTICS-Maschinen eine entscheidende Rolle. Diese Baugruppe regelt die Ein- und Rückspeisung der elektrischen Energie und ermöglicht somit im Verbund mit einer Netzdrossel eine stabile und netzrückwirkungsarme Spannungsversorgung.

Regelung & Kommuniaktion

Regelung über speicherprogrammierbare Steuerung

Die gesamte Kommunikation und Regelung des Systems erfolgt über eine SIMATIC S7-1500 CPU von Siemens. Innerhalb der herstellerspezifischen Engineering-Software TIA Portal V18 wird die vollumfängliche Programmierung des Systems vorgenommen.
Dieser Prozess umfasst die Hardwarekonfiguration, die kontinuierliche Parametererfassung, die Regelung beider Synchronmaschinen sowie die informationstechnische Umsetzung der Ansteuerung und Visualisierung.
Der systeminterne Datenaustausch und die zugehörige Kommunikation basieren dabei auf dem industriellen PROFINET-Standard.

Human Machine Interface

Visualisierung und Bedienung über HMI

Die Visualisierung sowie die Bedienung des Gesamtsystems erfolgen über ein SIMATIC HMI KTP700 Basic von Siemens. Über dieses Touchpanel können somit zum einen relevante Systemmeldungen und Prozessparameter für den Benutzer übersichtlich dargestellt werden. Zum anderen ermöglichen die interaktiven Eingabefunktionen eine direkte Steuerung und Überwachung der zugrundeliegenden SPS-Prozesse.