Verteilte Systeme zur adaptiven Schwingungskompensation und Regelung für die aktive Lagerung

Eine Schwingungskompensation oder -isolation ist bei vielen Anwendungen von Interesse, wo störende Kräfte zum Beispiel durch Unwuchten bei rotierenden Maschinen eingeleitet werden. Herkömmlich kann diese Problematik durch passive Schwingungsisolation oder -kompensation mit Elastomer- oder Fluidlagern und Tilgern gelöst werden, wobei diese Elemente aufgrund gegensätzlicher Anforderungen im statischen und dynamischen Bereich und zeitlicher Änderung der Störfrequenz meist nicht ideal ausgelegt werden können. Verschiedene Ansätze existieren, um Schwingungen aktiv durch eine Störgrößenaufschaltung oder Regelung zu reduzieren, wobei eine adaptive Schwingungskompensation basierend auf dem Filtered-Reference-Least-Mean-Squares Algorithmus für Mehrgrößensysteme eine hohe Güte der Schwingungsreduktion erreichen kann. Da oftmals eine wesentliche Hürde der Anwendung der aktiven Systeme durch den nicht unerheblichen Rechenaufwand gegeben ist und für die Integration in Form eines adaptronischen Systems kaum modulare und für die jeweilige Aufgabe skalierbare Signalverarbeitungsplattformen existieren, soll ein Ziel dieser Arbeit in der Untersuchung eines intelligenten Sensor-Aktor Netzwerks zur Systemidentifikation und adaptiven Schwingungskompensation bestehen. Eine wesentliche Aufgabe besteht hierbei in der Anpassung und Erweiterung der Algorithmen. Die grundsätzliche Bewertung geeigneter Verfahren erfolgt zunächst anhand eines vereinfachten numerischen Modells einer aktiven Lagerung, wobei mögliche Topologien zur mehrkanaligen und verteilten adaptiven Schwingungskompensation diskutiert werden und ebenfalls eine Vermaschung von adaptiver Schwingungskompensation und dezentraler Regelung untersucht wird. Weiterhin werden Konvergenz- und Stabilitätseigenschaften des vermaschten Systems analysiert. Zur Identifikation des benötigten parametrischen Modells der Übertragungsmatrix des mechanischen Systems können Methoden basierend auf adaptiven transversalen Filtern und schmalbandigen adaptiven Linearkombinierern verwendet werden, welche eine deutliche Verringerung des Rechenaufwands erlauben. Da für die praktische Umsetzung der adaptiven Gegensteuerung keine exakte Bestimmung der Referenzfrequenz vorliegt und die Bandbreite des Datenübertragungsmediums für das Sensor-Aktor-Netzwerk begrenzt ist, werden diese Faktoren ebenfalls berücksichtigt, wie auch die Kompensation von frequenzvariablen Störgrößen mit mehreren harmonischen Komponenten. Basierend auf den Ergebnissen der numerischen Untersuchungen werden die Verfahren auf einem Rapid Control Prototyping System und einem Netzwerk aus eingebetteten Digital Signal Controllern implementiert und im Experiment untersucht. Die Leistungsfähigkeit der unterschiedlichen Verfahren, wie auch der beiden Implementierungsarten, wird hinsichtlich der Güte der erreichten Schwingungskompensation und des notwendigen Verarbeitungsaufwands untersucht

Energieeffiziente Auswerteelektronik für kapazitive mikromechanische Drehratensensoren

Der Bedarf an mikromechanischen Inertialsensoren zur Messung von Drehgeschwindigkeiten und Beschleunigungen ist stark ansteigend. Die Technologie für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) bietet hierbei den Vorteil einer hohen Packungsdichte. In dieser Arbeit werden Ansätze auf Systemebene zur Reduktion der Stromaufnahme der Auswerteelektronik eines kapazitiven mikromechanischen Drehratensensors vorgestellt und so ein leistungsoptimierter Betrieb in mobilen Endanwendung ermöglicht

Modulare Simulation komplexer SAR-Szenarien: Signalgenerierung, Positionsschätzung und Missionsplanung

Die vorliegende Arbeit entstand an der Universität Siegen im Rahmen des von der DFG unter dem Förderkennzeichen WI1705/9-1 geförderten Gemeinschaftsprojekts Bistatic Exploration, das in Zusammenarbeit des ZESS (Zentrum für Sensorsysteme), FOMAAS (Forschungszentrum für Multidisziplinäre Analysen und Angewandte Systemoptimierung) und der FGAN-FHR Wachtberg (Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften - Forschungsinstitut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik) durchgeführt wird. Dieses Projekt hat zum Ziel, neue grundlegende Verfahren und Methoden für die Radarfernerkundung mit bistatischen SAR-Techniken (Synthetic Aperture Radar - Radar mit synthetischer Apertur) zu entwickeln. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung eines modularen, universell einsetzbaren SAR-Simulators zur Unterstützung der am Projekt beteiligten Forschergruppen, die sich u.a. mit der Entwicklung von neuen Algorithmen und Ansätzen zur Prozessierung bi- und multistatischer Rohdaten befassen. Dabei soll der Simulator synthetisch generierte SAR- und Sensordaten von komplexen mono-, bi- und multistatischen SAR-Konstellationen zum Test der neu entwickelten Ansätze und Algorithmen liefern sowie die für die Beurteilung dieser Konstellationen benötigten Daten bereitstellen. Im Vergleich zu bisher verfügbaren SAR-Simulatoren, bei denen oft nur ebene Geometrien und lineare Flugpfade berücksichtigt werden, soll er SAR-Konstellationen unter realitätsnahen Bedingungen simulieren, wobei reale, gekrümmte Bewegungstrajektorien sowie ein digitales Höhenmodell der Erde als Reflektionsoberfläche verwendet werden. Das Grundkonzept des Simulators besteht in der Bereitstellung eines möglichst frei konfigurierbaren Werkzeugs, das dem Anwender größtmögliche Flexibilität zur Umsetzung und Simulation von komplexen SAR-Konstellationen bietet. Dazu wurde zunächst ein modulares Baukastenkonzept entwickelt, das die Basiselemente typischer SAR-Missionen bereitstellt. Durch entsprechende Kombination dieser Baukastenelemente kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Konstellationen erzeugt werden. Um den Simulator flexibel verwenden zu können, wurde ein Frameworkkonzept entwickelt, das modular aus verschiedenen Programmkomponenten aufgebaut ist und alle zur SAR-Simulation benötigten Funktionalitäten bereitstellt. Dabei sind die einzelnen Komponenten autark und können in unterschiedlichen Kombinationen für unterschiedliche Aufgaben genutzt werden. Das Framework selbst besitzt bewusst keine eigene Logik zur Steuerung der Simulation. Diese Aufgabe übernimmt ein eigenständiges Steuerwerk, das die einzelnen Funktionalitäten für unterschiedliche Aufgabenstellungen in logischer Weise verwendet. Neben der Nutzung exemplarisch implementierter Anwendungen hat der Benutzer die Möglichkeit, das Steuerwerk durch eigene Implementierungen um speziell benötigte Funktionalitäten selber zu erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ein Modell zur Berechnung von hochgenauen Satellitentrajektorien sowie ein Positionsschätzer auf Basis eines Kalman-Filters zur Fusion von simulierten und gemessenen Positionsdaten im Rechen- und Steuerwerk implementiert. Zusätzlich konnte ein grundlegendes Modul zur Missionsplanung und -optimierung zum Design neuer SAR-Missionen entwickelt und umgesetzt werden. Die Signalübertragung wird mittels eines phänomenologischen Modellierungsansatzes umgesetzt, bei dem sie als mechanisch-geometrisches System abgebildet wird. Hierdurch kann die Verwendung eines sehr komplexen mathematischen und physikalischen Modells zur Abbildung von elektromagnetischen Wellen vermieden werden. Der geometrische Ansatz eignet sich ebenfalls für die Modellierung aller weiteren benötigten Sensoren zur Bereitstellung der erforderlichen Sensordaten. Aufgrund sehr langer Simulationszeiten wurde die sehr rechenzeitintensive Rohdatengenerierung auf einem Rechencluster parallelisiert. Dazu sind unterschiedliche Ansätze zur parallelen Generierung von Rohdaten entwickelt und implementiert worden, mit denen ein großer Speedup in der Simulation erreicht werden konnte. Der neu entwickelte Simulator bildet die Basis für weiterführende Entwicklungen im Bereich der SAR-Simulation und bietet Potential für zusätzliche wissenschaftliche Untersuchungen

Selbsttest und Fehlertoleranz mit zugelassener milder Degradation in integrierten CMOS-Sensorsystemen

In dieser Arbeit wird eine Erweiterung bisheriger intelligenter Sensorsysteme, basierend auf Anforderungen aus der Industrie nach steigender Leistung und erweiterten Systemfähigkeiten, vorgestellt. Die hier untersuchte Erweiterung stellt zusätzliche Funktionen zur Erhöhung der Betriebssicherheit im Fehlerfall zur Verfügung. Ein so erweitertes Sensorsystem beinhaltet eine Selbsttestfunktion mit Fehlererkennung, Fehleranalyse, Fehlerbeseitigung und Fehlersignalisierung. Ziel der Erweiterung ist es, Gefahren verursacht durch technische Systeme, die Messergebnisse von einem so erweiterten Sensorsystemen auswerten, durch nichterkannte fehlerhafte Messergebnisse zu minimieren. Aus Kostengründen kann die Fehlerbeseitigung häufig unter dem Aspekt einer unvollständigen Fehlerbeseitigung vorgenommen werden. Im Fehlerfall verringert sich somit die Leistungsfähigkeit des Sensorsystems (milde Degradation). Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt bei der Fehlererkennung von defekten Sensorelementen. Der Grund für die Wahl dieses Schwerpunktes ist, dass für Sensorelemente keine herkömmlichen Selbsttestverfahren existieren und dass gerade die Sensorelemente einer besonders hohen Gefahr der Zerstörung ausgesetzt sind, weil sie direkt mit der Umwelt in Kontakt kommen. In der Arbeit werden zuerst die Grundlagen zu Sensoren und Sensorsystemen beschrieben. Es werden unterschiedliche Fehlererkennungsmethoden vorgestellt und auf die Notwendigkeiten im Hinblick auf einen Einsatz in Sensorsystemen bewertet. Speziell für integrierte Sensoren weist die Methode der Selbstanregung des Sensorelementes mittels elektrischer Stimulation eine hohe Flexibilität auf. Allerdings sind der Selbstanregung durch die begrenzten elektrischen Stimulationsamplituden und den nur geringen Empfindlichkeiten der integrierten Sensorelemente Grenzen gesetzt. Diese Nachteile werden durch die im Rahmen der Arbeit entwickelten Methode der Korrelationsdetektion mit einer festen Stimulationssequenz verringert. Dazu wird das Sensorelement direkt oder indirekt elektrisch mit einer festgelegten Stimulationssequenz angeregt. Bei der direkten Stimulation wird das Sensorelement entsprechend dem eigentlichen Messprinzip angeregt. Bei der indirekten Stimulation erfolgt die Anregung über die Querempfindlichkeit des Sensorelementes. In einem fehlerfreien Sensorsystem wird die Stimulation des Sensorelementes in eine elektrische Größe konvertiert und gelangt über die gesamte Signalverarbeitungskette, wie die eigentliche Messgröße, zum Ausgang des Sensorsystems. In einem fehlerfreien Sensorsystem ist also die Stimulationssequenz im Ausgangssignal vorhanden. Aufgrund der begrenzten elektrischen Stimulationsamplituden, der meistens geringen Empfindlichkeit des Sensorelementes auf die Stimulation und dem Grund, dass die eigentliche Messwertaufnahme nur minimal gestört werden darf, ist die Amplitude der Stimulationssequenz im Ausgang des Sensorsystems nur sehr gering. Um ein solches kleines Signal zu detektieren, wird ein auf die Stimulationssequenz optimiertes Matched-Filter mit nachfolgendem Schwellwertentscheider eingesetzt. Der Vorteil dieser Fehlererkennungsmethode ist, dass neben dem Sensorelement auch die gesamte Signalverarbeitung auf einen Fehler untersucht und kein Eingriff in diese Kette notwendig wird. Die Funktionalität der entwickelten Fehlererkennungsmethode konnte an zwei Anwendungsbeispielen, einem Druck- und Temperatursensorelement, demonstriert werden. Am Beispiel des Drucksensorsystems wurden anschließend zwei Methoden zur Fehlerbeseitigung unter Anwendung der milden Degradation vorgestellt. An extension of smart sensor systems based on industrial requirements for increasing performance and system capability will be examined in this Ph.D. thesis. The extension towards a dependable sensor systems includes additional functions for increasing the reliability. A dependable sensor system contains error detection, error analysis, error removal, and error indication functions. The goal of this extension is to minimize the danger for humans or environment caused by technical systems, which evaluate non-recognized faulty measurement results generated by a non-dependable sensor system. Due to cost issues a full error removal is often impossible. In the case of a detected fault a mild or partial performance degradation may be the result. The error detection of defective sensor elements is the key part of this work. This key part has been chosen because no conventional self-testing strategy for sensor elements are available and defective sensor elements are highly probable because they usually exposed to rough environments. The Ph.D. thesis starts with a survey of integrated sensor systems. Some different error detection methods are presented and analyzed for implementation in integrated sensor systems. The electrical self-stimulation of the sensor element has some advantages special for integrated sensor systems. Due to limited electrical stimulation amplitudes and low sensitivities the self-stimulation of the sensor elements is limited. These disadvantages can be reduced using a new error detection method based on correlation detection of a fixed stimulation sequence. The sensor element is electrically stimulated directly or indirectly using a fixed stimulation sequence. Direct stimulation uses the measurement principle of the sensor element whereas indirect stimulation uses the cross-sensitivities of a sensor element. In a faulty-free sensor system the electrical stimulation is converted by the sensor element into an electrical signal and this is read out like the measurement result by the whole sensor signal processing. Therefore, in a faulty-free system the output of the sensor system contains the stimulation sequence. Due to the limited electrical stimulation amplitudes, the normally low sensitivity of the sensor element for the stimulation sequence, and the only small tolerable disturbance of the measurement process only a low amplitude of the stimulation sequence occurs at the output of the sensor system. To detect such a small signal a matched filter for the stimulation sequence followed by a threshold comparator is used. The advantage of this error detect method is that apart from the sensor element also the complete sensor signal processing is tested and no split of the sensor signal processing is necessary. The functionality of the proposed error detection method has been proven for two examples: 1st a temperature and 2nd a pressure sensor element. Using the example of an integrated capacitance pressure sensor system two methods for error removal with mild performance degradation is presented

Ein Beitrag zur Betriebspunktbestimmung an Axialverdichtern

Die Arbeit befasst sich mit einem neuen Konzept zur Bestimmung des Betriebspunktes von Axialverdichtern. Es basiert auf der Erfassung von Schaufelauslenkungen mit optischen Sensoren. Untersuchungen an einem Verdichterprüfstand bestätigen die Annahmen zu Betriebspunkt abhängigen Schaufelauslenkungen. Die Drosselung eines Verdichters bewirkt über einen weiten Bereich eine Zunahme der Schaufelauslenkung. Eine auf Kennfeldern basierende Bestimmung des Betriebspunktes von Axialverdichtern ist mit der Schaufelauslenkung möglich.This thesis is focused on the development of a new concept including a minimal invasive measurement method to determine the operating point of axial compressors. It is based on the measurement of blade deflections with optical sensors. Investigations on a compressor test bench confirm the assumption that blade deflections are depending on the operating point. The compressor throttling at constant revolution speeds leads to rising blade deflections over a wide range. A map based determination of operating points of axial compressors is possible with blade deflection

Fraktionale Flussschätzung in aktiven Magnetlagern

Seit jeher sind Wirbelströme ein fester Bestandteil der Leistungsbilanz und Verlustberechnung in zahlreichen elektromagnetischen Energiewandlern. In aktiven Magnetlagern und Aktoren haben sie jedoch häufig einen zusätzlichen Einfluss auf die Kraftdynamik, da die einhergehende Feldverdrängung parasitäre Magnetisierungsströme hervorbringt, welche die meist strombasierten Kraftregler beeinträchtigen. Besonders betroffen sind die in dieser Dissertation beispielhaft betrachteten magnetischen Axiallager mit ihrer dreidimensionalen Flussführung, für welche die sonst übliche und effektive Blechung des Kerns unwirksam wird. Aus diesen Gründen werden regelungsbasierte Lösungen angestrebt. Bekannte fortschrittliche Topologien nutzen mitunter aufwendige Regler und Beobachter, wobei der direkte physikalische Bezug zu den mechanischen Parametern Steifigkeit und Dämpfung meist verloren geht. Diese Analogie zu mechanischen Lagern ist jedoch essentiell für eine einfache Inbetriebnahme des Magnetlagers, ein Grund, weshalb sich viele alternative Topologien nicht nachhaltig durchsetzen konnten und die dezentrale kaskadierte Lageregelung mit unterlagerter Stromregelung noch immer als weit verbreiteter Industriestandard gilt. Die in Axiallagern eingeschränkte Stabilität, Dynamik und Bandbreite aufgrund der Wirbelstromeffekte wird dabei zu Gunsten der einfacheren Anwendbarkeit toleriert. Diese Arbeit stellt ein fraktionales Kompensationsglied in Gestalt eines Flussschätzers vor, welches im Rückführungszweig der unterlagerten Regelung die Folgen der Wirbelströme dort herausrechnet, wo sie physikalisch wirken. Die resultierende modellbasierte Flussregelung erhält somit sämtliche physikalische Bezüge und die gute Anwendbarkeit, bei gleichzeitig verbesserten Regelungseigenschaften, sodass diesbezüglich keine Kompromisse notwendig sind. Das zugrundeliegende Modell leitet sich aus der Lösung der Diffusionsgleichung für den massiven Kern ab und stellt zunächst ein transzendentes fraktionales System dar, welches nicht direkt in einer Regelung anwendbar ist. Über Kettenbruchentwicklungen und Frequenzganganalysen ist es jedoch möglich, eine rationale Systembeschreibung zu ermitteln, die in Form einer digitalen Biquad-Filter-Kaskade auch in bestehende Mikroprozessor-Regelungen echtzeitfähig implementierbar ist. Die Arbeit dokumentiert das Vorgehen für eine Vielzahl von Randbedingungen und berücksichtigt verschiedene denkbare Einschränkungen, die in praktischen Anwendungen erwartbar sind. Der messtechnische Funktionsnachweis zeigt eine nahezu vollständige Kompensation der Wirbelstromeffekte in der unterlagerten Regelung, während sich die Bandbreite der Lageregelung nachweislich mindestens vervierfacht bei einem um bis zu 90 % Überschwingen gegenüber dem Industriestandard.Eddy currents have always been part of loss calculations and power balances in numerous electromagnetic energy converters. In active magnetic bearings and actuators they additionally have a great influence on the force dynamic, as the concomitant magnetic skin effect provokes parasitic magnetizing currents that impair the usually current-based force controllers. Thrust bearings with their three-dimensional flux propagation, which serve as example in this thesis, are especially affected, due to the ineffectiveness of the commonly applied lamination of the iron core. For these reasons, control-based solutions are desired. Known advanced control topologies employ possibly intricating controllers and observers, which hardly preserve the direct physical reference to mechanical parameters like stiffness and damping. However, this analogy to mechanical bearings is essential for a simple bearing operation. That is one reason why many alternative topologies could not been established sustainably and the decentralized cascaded position control with subordinated current control is considered as the indisputable industry standard. Its limitation of stability, dynamic and bandwidth, caused by the eddy current effects in thrust bearings, is only tolerated, in favor of a superior applicability. This thesis introduces a fractional-order compensation element in the form of a flux estimator that compensates the eddy currents effects, where they physically occur, to wit, within the feedback path of the subordinated control. Hence, the resulting flux control maintains all physical references and the simple applicability, but does not compromise on the control characteristic in this regard. The underlying model is derived from the solution of the diffusing equation that describes the nonlaminated core. It firstly constitutes a transcendental fractional-order system, which cannot be directly applied to a bearing control. However, by the use of continued fraction expansions and frequency analysis, a rational system description is determinable, which can be implemented as biquad filter cascade for real-time application even in existing microprocessor controls. This work documents the procedure for a variety of boundary conditions while considering various possible restrictions, which are to be expected in practical applications. The experimental proof of concept reveals a nearly complete compensation of the eddy current effects in the subordinated control. The bandwidth of the outer position control is at least quadrupled, while the overshoot can be reduced by up to 90 % compared to the industry standard

Optimale Betriebsführung des Modularen Multilevel-Umrichters als Antriebsumrichter für Drehstrommaschinen

Das Konzept des Modularen Multilevel-Umrichters (MMC) bietet zahlreiche Vorteile, wie z. B. ein Höchstmaß an Modularität und Skalierbarkeit sowie eine sehr hohe Spannungsqualität. Moderne Drehstromantriebssysteme sollen zukünftig mit MMCs realisiert werden, was den Einsatz bis in höchste Spannungs- und Leistungsklassen erlaubt. Die vorliegende Arbeit stellt dafür ein ganzheitliches Konzept zur Steuerung und Regelung sowie zur Dimensionierung des MMCs für die Anwendung als Antriebsumrichter vor