Diseño de Test automáticos en Hardware-in-the-Loop para la validación del software de la Unidad de Control Electrónica de una bicicleta eléctrica

Abstract

[ES] Este trabajo fin de master nace impulsado por la compañía Mahle, un proveedor de componentes electrónicos para la industria automovilística. Específicamente el TFM se encuentra en el marco del proyecto de bicicletas eléctricas que tiene la compañía actualmente. La validación del software es el proceso de evaluar y verificar que una aplicación de software cumple las especificaciones requeridas en términos de validez, consistencia y completitud. Es un procedimiento muy importante en el proceso de desarrollo para la detección temprana de errores y defectos que permita mejorar la calidad y fiabilidad del software, así como reducir los costes de desarrollo. Hasta ahora, el sistema de validación de software consistía en un banco de pruebas que contiene todas las partes electrónicas reales de la bicicleta, como son el motor, inversor de tracción. Este método presenta serias desventajas como la falta de robustez y dificultad para asegurar la repetitividad de los test. Esto es debido a que tanto el fallo del software como de los componentes físicos puede dar lugar un resultado negativo del test. Es decir, el fallo de los componentes físicos puede ralentizar el proceso de validación y resultar un cuello de botella para el desarrollo del producto completo: la bicicleta. Actualmente se está desarrollando los sistemas de validación basado en Hardware-in-the-Loop (HIL) que utiliza un modelo de los componentes de la bicicleta ejecutándose en tiempo real. Este sistema permite ejecutar test de forma más robusta eliminando la dependencia de los componentes reales y también realizar pruebas que no es factible realizarlas en el banco de pruebas real por complejidad o peligrosidad. Por tanto, el objetivo de este TFM consiste en el diseño, implementación y evaluación de los tests como sistema de validación de los softwares de los distintos subsistemas de la bicicleta eléctrica usando un HIL de la marca dSPACE. El software a testear es el correspondiente al ciclo de desarrollo C (estado avanzado del desarrollo del producto) para la unidad de control de una bicicleta de propulsión eléctrica. Se utilizará un Human Machine Interface (HMI) creado con la aplicación Control Desk (dSPACE) que se comunica con el HIL para controlar las variables del entorno físico de la bicicleta. La automatización de las instrucciones para el HMI se hará desde el programa ECU-Test así como el post-procesado de los datos recogidos durante la ejecución del test. Se han desarrollado tres test. El primero test consiste en verificar el funcionamiento del módulo Bike Assistance Computer (BAC) que se encarga de generar la referencia de par que debe aplicar el motor del subsistema de asistencia al pedaleo. El test a diseñar, debe determinar si la referencia de par sigue la curva pre-programada en función de la velocidad de la bicicleta. Asimismo se comprobará (segundo test) que el módulo BAC es capaz de generar una referencia de par para mantener una relación determinada (factor) entre las potencias generadas por el ciclista y por el motor. Por último, el tercer test irá destinado a validar el correcto funcionamiento de las protecciones de corriente de las fases del motor, comprobando si el sistema es capaz de detectar un fallo por corriente excesiva y activar un mensaje de error.

[EN] This Master's thesis was initiated by the company Mahle, a supplier of electronic components for the automotive industry. Specifically, the TFM is within the framework of the electric bicycles project that the company currently has. Software validation is the process of evaluating and verifying that a software application meets the required specifications in terms of validity, consistency and completeness. It is a very important procedure in the development process for the early detection of bugs and defects to improve the quality and reliability of the software, as well as to reduce development costs. Until now, the software validation system consisted of a test bench containing all the actual electronic parts of the bicycle, such as the motor, traction inverter. This method has serious disadvantages such as lack of robustness and difficulty to ensure the repeatability of the tests. This is because both software and physical component failure can lead to a negative test result. In other words, the failure of physical components can slow down the validation process and result in a bottleneck for the development of the complete product: the bicycle. Currently, Hardware-in-the-Loop (HIL) validation systems are being developed that use a model of the bicycle components running in real time. This system allows to run tests in a more robust way eliminating the dependence on the real components and also to perform tests that are not feasible to perform in the real test bench due to complexity or dangerousness. Therefore, the objective of this TFM is the design, implementation and evaluation of the tests as a validation system of the software of the different subsystems of the electric bicycle using a HIL of the dSPACE brand. The software to be tested is the one corresponding to development cycle C (advanced stage of product development) for the control unit of an electric propulsion bicycle. A Human Machine Interface (HMI) created with the Control Desk application (dSPACE) that communicates with the HIL will be used to control the variables of the physical environment of the bicycle. The automation of the instructions for the HMI will be done from the ECU-Test program as well as the post-processing of the data collected during the test execution. Three tests have been developed. The first one verifies the operation of the Bike Assistance Computer (BAC) module, which is in charge of generating the torque reference to be applied by the motor of the pedal assistance subsystem. The test to be designed should determine whether the torque reference follows the pre-programmed curve as a function of bicycle speed. The second test will also check that the BAC module is able to generate a torque reference to maintain a given ratio (factor) between the power generated by the cyclist and the motor. Finally, the third test will validate the correct operation of the current protections of the motor phases, checking if the system is able to detect a fault due to excessive current and activate an error message.

[CAT] Aquest treball fi de màster neix impulsat per la companyia Mahle, un proveïdor de components electrònics per a la indústria automobilística. Específicament, el TFM es troba en el marc del projecte de bicicletes elèctriques que té la companyia actualment. La validació del programari és el procés davaluar i verificar que una aplicació de programari compleix les especificacions requerides en termes de validesa, consistència i completesa. És un procediment molt important en el procés de desenvolupament per a la detecció primerenca d'errors i defectes que permeti millorar la qualitat i la fiabilitat del programari, així com reduir els costos de desenvolupament. Fins ara, el sistema de validació de programari consistia en un banc de proves que conté totes les parts electròniques reals de la bicicleta, com ara el motor, inversor de tracció. Aquest mètode presenta seriosos desavantatges com la manca de robustesa i dificultat per assegurar la repetitivitat dels tests. Això és degut a que tant la fallada del programari com dels components físics pot donar lloc a un resultat negatiu del test. És a dir, la fallida dels components físics pot alentir el procés de validació i resultar un coll d'ampolla per al desenvolupament del producte complet: la bicicleta. Actualment s'està desenvolupant els sistemes de validació basat en Hardware-in-the-Loop (HIL) que utilitza un model dels components de la bicicleta executant-se en temps real. Aquest sistema permet executar test de forma més robusta eliminant la dependència dels components reals i també realitzar proves que no és factible realitzar-les al banc de proves real per complexitat o perillositat. Per tant, l'objectiu d'aquest TFM consisteix en el disseny, la implementació i l'avaluació dels tests com a sistema de validació dels programaris dels diferents subsistemes de la bicicleta elèctrica usant un HIL de la marca dSPACE. El programari a testejar és el corresponent al cicle de desenvolupament C (estat avançat del desenvolupament del producte) per a la unitat de control duna bicicleta de propulsió elèctrica. S'utilitza un Human Machine Interface (HMI) creat amb l'aplicació Control Desk (dSPACE) que es comunica amb el HIL per controlar les variables de l'entorn físic de la bicicleta. L'automatització de les instruccions per a l'HMI es farà des del programa ECU-Test així com el postprocessament de les dades recollides durant l'execució del test. S'han desenvolupat tres tests. El primer verifica el funcionament del mòdul Bike Assistance Computer (BAC) que s'encarrega de generar la referència de parell que ha d'aplicar el motor del subsistema d'assistència al pedaleig. El test a dissenyar ha de determinar si la referència de parell segueix la corba pre-programada en funció de la velocitat de la bicicleta. El segon test també comprovarà que el mòdul BAC és capaç de generar una referència de parell per mantenir una relació determinada (factor) entre les potències generades pel ciclista i pel motor. Finalment, el tercer test anirà destinat a validar el funcionament correcte de les proteccions de corrent de les fases del motor, comprovant si el sistema és capaç de detectar una fallada per corrent excessiu i activar un missatge d'error.