Implementation of hardware-in-the-loop simulation system in engine and chassis dynamometer systems

Thumbnail Image

Files

master_Rumjantsev_Markus_2023.pdf (4.1 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2023-12-11

Department

Major/Subject

Mechanical Engineering

Mcode

Degree programme

ENG25 Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)

Language

en

Pages

64

Series

Abstract

The automotive industry is shifting towards less polluting vehicles due to increasingly strict vehicle emission standards. Traditional emission testing methods struggle to accurately replicate real-world driving conditions. Therefore, improved versions of emission testing methods are now used to better replicate real-world driving conditions. However, the differences between simulation-based tests and real-world tests are still significant. Tighter emissions standards also increase demand for vehicle development. To tackle these issues, a hardware-in-the-loop (HIL) system was developed and implemented into engine and chassis dynamometer test systems. This thesis primarily aims to implement a system capable of coupling a piece of hardware such as an engine or an axle with a vehicle powertrain simulation. This requires a HIL system that consists of a real-time capable controller and control software with a vehicle powertrain model and user interface for the controller. This system has to be integrated into the existing dynamometer test systems. HIL system required a controller, which led to evaluating multiple controllers. After comparing their suitability, a suitable controller was chosen. It was then connected to the controllers from the existing systems using different communication protocols: user datagram protocol (UDP) for the engine dynamometer and transmission control protocol/internet protocol (TCP/IP) for the chassis dynamometer. In the experimental part of the work, the HIL simulation system was tested by running a diesel engine at different speeds. The tests consist of a variable speed test, a two-speed test and an optimal speed test. The communication latency between the controllers was also tested. The results show that the delay is small, and the engine's actual speed and torque tracked the reference values of the simulation model with adequate accuracy, indicating the functionality of the system. In the future, more extensive tests with different engine and powertrain configurations should be performed. Furthermore, the system can be improved by utilising a field-programmable gate array (FPGA) which allows for testing with an electric motor.

Autoteollisuus siirtyy kohti vähemmän saastuttavia ajoneuvoja tiukentuvien päästöstandardien takia. Perinteiset päästöjen testausmenetelmät eivät aina vastaa todellisia ajo-olosuhteita. Siksi nykyään käytetään parannettuja päästöjen testausmenetelmiä, jotka kuvaavat paremmin todellisia ajo-olosuhteita. Tästä huolimatta, simulointiin pohjautuvien menetelmien ja tosielämän testien välinen ero on edelleen merkittävä. Tiukemmat päästövaatimukset lisäävät myös ajoneuvokehityksen kysyntää. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi, työssä kehitettiin ja otettiin käyttöön hardware-in-the-loop (HIL) -järjestelmä moottori- ja alustadynamometrin testausjärjestelmissä. Työn päätavoitteena on toteuttaa järjestelmä, joka kykenee yhdistämään fyysisiä komponentteja, kuten moottorin tai akselin, ajoneuvon voimalinjan simulaatiomalliin. Tämä vaatii HIL-järjestelmän, joka koostuu reaaliaikaohjaukseen kykenevästä tietokoneesta ja ohjelmistosta, joka sisältää tietokoneen ohjauksen, käyttöliittymän ja ajoneuvon voimalinjan mallinnuksen. Tämä järjestelmä on sulautettava olemassa oleviin dynamometritestijärjestelmiin. HIL-järjestelmä vaatii tietokoneen, minkä vuoksi työssä tutkittiin useita tietokoneita. Soveltuvuuden vertailun jälkeen sopiva tietokone valittiin. Tietokone yhdistettiin olemassa olevien testijärjestelmien tietokoneisiin käyttämällä erilaisia tietoliikenneprotokollia: user datagram protocol (UDP) -protokollaa moottoridynamometriä varten ja transmission control protocol/internet protocol (TCP/IP) -protokollaa alustadynamometriä varten. Työn kokeellisessa osuudessa HIL-simulaatiojärjestelmää kokeiltiin ajamalla dieselmoottoria eri nopeuksilla. Testit sisälsivät vaihtelevan nopeuden testin, kahden nopeuden testin ja optimaalisen nopeuden testin. Myös tietokoneiden välisen viestiliikenteen viive mitattiin. Tulokset osoittivat, että viive on pieni, ja moottorin todellinen nopeus ja vääntö seurasivat simulaatiomallin referenssiarvoja riittävällä tarkkuudella, mikä osoittaa järjestelmän toimivuuden. Tulevaisuudessa laajempia kokeita voidaan tehdä eri moottoreilla ja voimalinjoilla. Lisäksi järjestelmää voidaan parantaa hyödyntämällä field-programmable gate array -mikropiiriä (FPGA), joka mahdollistaisi sähkömoottorilla testauksen.

Description

Supervisor

Tammi, Kari

Thesis advisor

Shah, Sahas

Keywords

HIL, real-time system, simulation, Speedgoat, dynamometer

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202312187361

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG