Leitfaden · 9 Min. Lesezeit

Was ist ein HIL-Test? Aufbau und Funktion eines HIL-Prüfstands

Beim Hardware-in-the-Loop-Test (HIL) arbeitet ein reales Steuergerät in einem geschlossenen Regelkreis mit einem simulierten System. Dieser Leitfaden erklärt die Begriffe, die Bausteine eines HIL-Prüfstands, seinen Aufbau und die Rolle physischer Bewegung – am durchgehenden Beispiel eines UAV-Flugreglers.

HIL-Test in einem Absatz

Beim Hardware-in-the-Loop-Test ist der Prüfling (DUT) die reale Steuerungshardware mit ihrer realen Software: ein Motorsteuergerät, ein Batteriemanagementsystem, eine Wechselrichtersteuerung oder ein Drohnen-Flugregler. Alles, was sie normalerweise erfasst und ansteuert – Fahrzeug, Maschine oder Umgebung –, wird durch eine Echtzeitsimulation ersetzt, die die Ausgänge des Steuergeräts liest und Sensorsignale zurückgibt. Der Kreis ist geschlossen, und im Idealfall merkt das Steuergerät nicht, dass es nicht im realen System arbeitet.

Damit ist HIL die Stufe, auf der Software auf reales Timing, reale Schnittstellen und reale Elektronik trifft – bevor das Gesamtsystem existiert oder wenn Tests am Gesamtsystem zu gefährlich oder zu teuer wären.

MIL, SIL, PIL und HIL: wo HIL einzuordnen ist

HIL ist eine Stufe auf einer Leiter immer realerer Testumgebungen, meist auf dem rechten Ast des V-Modells dargestellt. Jede Stufe findet Fehler, die die vorherige nicht findet:

Model-, Software-, Processor- und Hardware-in-the-Loop im Vergleich
StufeWas real istWas simuliert wirdTypische Befunde
Model-in-the-Loop (MIL)Nichts: Regler und Strecke sind ModelleAllesFehler in Regelgesetz und Logik
Software-in-the-Loop (SIL)Seriencode, für einen PC kompiliertStrecke, Sensoren und TimingProgrammier- und Integrationsfehler, Regressionen
Processor-in-the-Loop (PIL)Code auf dem ZielprozessorStrecke und E/ANumerik- und Laufzeitprobleme
Hardware-in-the-Loop (HIL)Das komplette Steuergerät mit seinen E/AStrecke und Umgebung in EchtzeitSchnittstellen-, Timing-, Fehlerbehandlungs- und Integrationsfehler
Feld- oder FlugtestAllesNichtsEffekte, die kein Modell abbildet

Die Bausteine eines HIL-Prüfstands

Unabhängig von der Branche besteht ein HIL-Prüfstand, auch HIL-Testsystem oder HIL-Simulator genannt, aus denselben Teilen:

  • Echtzeitsimulator. Ein Rechner, der das Streckenmodell mit festem, deterministischem Zeitschritt rechnet – schnell genug für die Zykluszeiten des Steuergeräts.
  • Strecken- und Umgebungsmodell. Die Physik, auf die das Steuergerät wirkt: Fahrzeugdynamik, Motoren, Batterien, Aerodynamik und Sensoren. Seine Genauigkeit bestimmt, was der Test beweisen kann.
  • E/A und Signalkonditionierung. Analoge und digitale Kanäle, PWM, CAN, serielle Busse und Ethernet mit den Spannungspegeln und dem Timing, die das Steuergerät erwartet.
  • Prüfling. Das reale Steuergerät, idealerweise mit Serienfirmware, Verkabelung und Steckverbindern.
  • Fehlersimulation. Signale gezielt unterbrechen, kurzschließen oder verfälschen, um Fehlererkennung und sichere Zustände zu prüfen.
  • Testautomatisierung und Datenerfassung. Skriptbasierte Testfälle, Bestanden-Kriterien und synchronisierte Aufzeichnung für Regressionstests.
  • Physische Anregung, wo nötig. Manche Sensoren lassen sich elektrisch nicht überzeugend simulieren. Dann wird der Sensor selbst auf einem physischen Prüfstand bewegt, belastet oder erwärmt.

HIL-Prüfstand aufbauen: Schritt für Schritt

Ein HIL-Prüfstand ist ein Messinstrument für Software. Sein Aufbau folgt unabhängig vom Produkt derselben Reihenfolge:

  1. Fragen festlegen. Notieren Sie, welche Anforderungen der Prüfstand nachweisen soll: Regelgüte, Fehlerreaktionen, Timing oder Regression nach jedem Software-Release.
  2. Schnittstellen des Steuergeräts erfassen. Jeder Ein- und Ausgang mit Signalart, Wertebereich, Aktualisierungsrate und Latenzbudget. Diese Liste dimensioniert die E/A-Hardware.
  3. Modellgenauigkeit wählen. Verwenden Sie das einfachste Modell, das jede Anforderung noch abdeckt, und verfeinern Sie nur dort, wo ein Test es braucht.
  4. Kreis schließen und Timing messen. Messen Sie die Ende-zu-Ende-Latenz vom Steuergeräteausgang bis zum zurückgelieferten Sensorsignal und vergleichen Sie sie mit der Zykluszeit des Steuergeräts.
  5. Den Prüfstand selbst validieren. Vergleichen Sie Prüfstandsergebnisse mit bekannten Daten, früheren Tests oder Fluglogs, bevor Sie ihm neue Software anvertrauen.
  6. Alles automatisieren und versionieren. Testfälle skripten, Modelle und Skripte zusammen mit der Software versionieren und jeden Lauf archivieren.

Wann physische Bewegung in den Regelkreis gehört

Klassisches HIL ist elektrisch: Der Simulator ersetzt die Sensoren, indem er ihre Signale erzeugt. Für einen Flugregler heißt das, ihn mit simulierten IMU-, Barometer- und GNSS-Daten zu versorgen. Damit wird der Softwarepfad geprüft, nicht aber die realen Sensoren, ihre Montage sowie ihre Vibrations- und Ausrichtungsfehler.

Eine Bewegungsplattform schließt diese Lücke. Sitzt der Flugregler auf einem 3-Achsen-Prüfstand, erfassen seine eigenen Gyroskope und Beschleunigungssensoren echtes Rollen, Nicken und Gieren, während Fahrzeugmodell und übrige Umgebung simuliert bleiben. Encoder an jeder Achse liefern die Referenz für die Lage, die der Regler schätzt.

Nach diesem Prinzip arbeitet INFINITE-HIL X1: eine 3-Achsen-Plattform mit kontinuierlicher 360°-Drehung und 21-Bit-Absolutwertgebern, die physische Lagebewegung mit modellbasierten Testeingaben verbindet. Die Seite HIL-Tests für Drohnen zeigt diesen Testkreis Schritt für Schritt.

Wo HIL-Tests eingesetzt werden

  • Automobil: Motor-, Getriebe-, Brems- und Fahrerassistenz-Steuergeräte – der Ursprung der meisten kommerziellen HIL-Systeme.
  • Luftfahrt und UAVs: Flugregler, Autopiloten, Avionik und Aktuatorsteuerungen.
  • Leistungselektronik und Energie: Wechselrichter, Antriebe und Batteriemanagementsysteme, oft mit schnellen Mehrphasenmodellen.
  • Robotik und Industrieautomation: Bewegungssteuerungen und SPS-Logik, getestet gegen simulierte Maschinen.

Was ein HIL-Test nicht zeigen kann

Ein HIL-Prüfstand ist nur so gut wie seine Modelle und Schnittstellen. Effekte, die niemand modelliert hat, etwa unerwartete Aerodynamik oder elektromagnetische Störungen, deckt er nicht auf, und er kann Timing-Probleme verbergen, wenn die Simulation anders läuft als die Realität. Deshalb ergänzt HIL Feld- und Flugtests, statt sie zu ersetzen: Es macht sie seltener, sicherer und gezielter. Wie die Stufen bei UAVs zusammenpassen, zeigt der Leitfaden zum Testen von Flugreglern.

Sie planen einen HIL-Prüfstand für ein UAV, einen Flugregler oder ein anderes elektromechanisches Produkt? Beschreiben Sie uns Ihr System. INFINITE-HIL entwickelt individuelle HIL-Test- und Simulationssysteme passend zu Produkt und Budget.

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