Linux Real-Time am Prüfstand: Echtzeit ohne teure Spezialhardware

Warum Echtzeit am Prüfstand kein Luxus ist

Eine Prüfstandsregelung lebt von Verlässlichkeit im Takt: Wenn der Drehmomentregler alle 1 ms neue Stellwerte liefern soll, dann in jedem einzelnen Zyklus. Ein normales Betriebssystem ist im Mittel schnell genug, aber gelegentliche Aussetzer von mehreren Millisekunden (Updates, Treiber, Hintergrundprozesse) ruinieren die Regelgüte und machen Messungen unvergleichbar. Echtzeit heißt deshalb nicht „schnell“, sondern „rechtzeitig, garantiert“.

Was PREEMPT_RT aus Linux macht

PREEMPT_RT ist die Echtzeit-Erweiterung des Linux-Kernels und inzwischen weitgehend in den Mainline-Kernel eingeflossen. Sie macht den Kernel nahezu vollständig unterbrechbar: Ein Prozess mit Echtzeitpriorität (SCHED_FIFO) verdrängt alles andere, auch Kernel-Arbeit. Auf einem gewöhnlichen Industrie-PC sind damit zuverlässige Latenzen deutlich unter 100 µs erreichbar, genug Reserve für einen sauberen 1-ms-Regeltakt.

In der Praxis gehören dazu ein paar Handgriffe: einzelne CPU-Kerne für die Echtzeit-Tasks reservieren (CPU-Isolation), Interrupts gezielt zuordnen und die tatsächlichen Latenzen mit Werkzeugen wie cyclictest unter Volllast messen, statt sie zu vermuten.

EtherCAT als Taktgeber der Messkette

Zur Echtzeit-Regelung gehört ein Feldbus, der mithält. EtherCAT liefert harte 1-ms-Zyklen (und schnellere), synchronisiert alle Teilnehmer über verteilte Uhren und transportiert Soll- und Messwerte in einem einzigen Frame über den ganzen Prüfstand. Drehmomentsensoren, Umrichter und I/O hängen an einem Strang, und jeder Messwert trägt denselben Zeitstempel, die Grundlage für synchrones Logging aller Kanäle.

Linux RT oder Spezialsysteme wie Speedgoat und dSPACE?

Kommerzielle Echtzeitsysteme sind exzellente Werkzeuge, kosten aber schnell fünfstellige Beträge plus laufende Lizenzgebühren, und der Code lebt in einem geschlossenen Ökosystem. Ein Linux-RT-Stack auf Industrie-Hardware kostet einen Bruchteil, gehört vollständig einem selbst und lässt sich beliebig erweitern. Der Preis dafür: Man muss das System selbst beherrschen, vom Kernel-Tuning bis zum EtherCAT-Master.

Eine klare Grenze gilt für beide Welten: Funktionale Sicherheit (Not-Halt, Schutztürüberwachung, sichere Drehzahlabschaltung) gehört nie in die Prüfstandssoftware, egal wie echtzeitfähig sie ist, sondern in eine zertifizierte Sicherheits-SPS. Mehr dazu im Artikel über Sicherheitskonzepte.