Intelligente Systeme und Regelungstechnik

 Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Kuznietsov bearbeitet Forschungsprojekte im Bereich der

• Antriebsregelung und Diagnose,
• Diagnose von Lithium-Ionen-Batterien sowie
• Interaktion Fahrzeug-Netz.

Die Arbeitsgruppe ist mit mehreren im Bereich der Elektromobilität tätigen regionalen Unternehmen vernetzt und kooperiert mit mehreren Universitäten in Deutschland und im Ausland. Dies ermöglicht den Studierenden das Kennenlernen zukünftiger Trends der Elektromobilität sowie die Teilnahme an internationalen Projekten.

Hoch- und Höchstfrequenztechnik

Die Arbeitsgruppe Hoch- und Höchstfrequenztechnik von Prof. Dr. Penirschke bearbeitet Forschungsthemen basierend auf elektromagnetischen Sensoren und Systemen für vielfältige Anwendungsbereiche:

• Hochfrequenz-Sensoren und Sensornetzwerke
  - Mikrowellenbasierte Feuchtebestimmung
  - Massendurchfluss (Konzentration und Geschwindigkeit)
  - Radarsensoren und Systeme
• Millimeterwellen- und THz-Detektoren für Teilchenbeschleunigeranlagen
• Mikro- und Millimeterwellensysteme
• THz-Erzeugung und -Detektion

Das Forschungsspektrum umfasst die Entwicklung neuartiger Sensoren, Detektoren und Systeme von Mikrowellen über Millimeterwellen bis hin zu THz-Frequenzen, angefangen bei numerischen Simulationen, Fertigung im eigenen Haus bis hin zu experimenteller Verifizierung.

Zu den Förderagenturen zählen unter anderem das Bundesministerium für Bildung und Forschung, der THM-Fonds für strategische Forschung, die Europäische Union, das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) sowie Industriepartner.

Aktuelle Themen für Projektarbeiten, Bachelor-, Master- und Doktorarbeiten finden Sie in Moodle.

Optische Nachrichtentechnik

Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Labor für optische Nachrichtentechnik, als wichtige Säule im  Kompetenzzentrum für Optische Technologien und Systeme (OTS) an der Technischen Hochschule Mittelhessen, konzentrieren sich auf spezielle Lichtwellenleiter in allen Anwendungsfeldern außerhalb der Telekommunikation (Weitverkehr). In Kooperation mit anderen Partnerhochschulen, Instituten und Industriepartnern existieren aber auch Möglichkeiten, Telekom-Fasern und angepasste Systeme zu testen.

Spezialfasern werden in vielfältiger Weise in der Industrie, Medizin und Sensorik eingesetzt. Neben der Charakterisierung von unterschiedlichen Spezialfasern, deren kritische Parameter typischerweise von der Anwendung abhängen, ist auch das gesamte faseroptische System für die Anwendung zu betrachten. Deshalb werden auch Lichtquellen und Detektoren bzw. Detektor-Systeme untersucht, falls die notwendigen Daten nicht vorhanden sind.

Alle Komponenten und das Gesamtsystem können deshalb unter Verwendung geeigneter und an die Anwendung angepasste Messtechniken optimiert werden.

Die Definition Spezialfaser hängt stark von der Anwendung ab. In unserem Fall werden nur die folgenden Spezialfasern im Detail untersucht:

• Dickkernfasern mit stufenförmigem Brechzahlprofil, vom UV- bis zum MIR-Wellenlängenbereich
• Quarzglasfasern („All-Silica“) mit undotiertem Kern und F-dotiertem Mantel, v. a. UV-Fasern mit verbesserten Eigenschaften
• Geformte Faserendstücke (z. B. konisch-zulaufende Fasern)
• Faserbündel
• Polymer ummantelte Quarzglasfasern (PCS)
• Polymer Optische Fasern (POF), mit Stufen- oder Gradienten-Index-Profil
• Mikrostrukturierte Fasern, basierend auf Quarzglas oder Kunststoff als Basismaterial
• Fluoreszierende Polymer-Optische Fasern
• Hohlwellenleiter für UV- und MIR-Wellenlängenbereich

Um ausgewählte Eigenschaften der Spezialfasern zu messen, musste die notwendige MESSTECHNIK aufgebaut werden. Bei neuen Anwendungen wird die Messtechnik immer zielgerichtet erweitert und kann zu einem späteren Zeitpunkt unseren Kooperationspartnern für die Qualitätskontrolle zur Verfügung gestellt werden. Test-Systeme für die folgenden Faser-Größen von Multimode-Fasern wurden geplant und aufgebaut (nur eine Auswahl):

• Spektraler Dämpfungskoeffizient, von 180 nm bis 2200 nm Wellenlänge
• UV-induzierte Dämpfungen zwischen 180 und 300 nm Wellenlänge
• Fernfeld- und Nahfeld-Intensitätsprofile
• Brechzahl-Profil
• Numerische Apertur, auch in Abhängigkeit der Wellenlänge
• Degradation der Lichtausbreitung in Stufenindex-Fasern (sog. „Focal Ratio Degradation FRD“)
• Puls-Verbreiterung durch Modendispersion
• Qualität von Endflächen
• Festigkeit

Neben den Multimode-Fasern können aber auch Lowmode (LM)- und Singlemode (SM)-Fasern, vor allem im UV- oder violetten Wellenlängenbereich, charakterisiert werden. Folgende Eigenschaften von SM-Fasern können durch vorhandene Spezial-Messtechnik bestimmt werden:

• Spektraler Dämpfungskoeffizient bis zu 200 nm Wellenlänge
• Intensitätsprofile der Grundmode
• Spektrale Krümmungsverluste
• Grenzwellenlängen der Einmodigkeit, vor allem im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm (bis 600 nm möglich)
• Schädigungen durch UV- oder violettes Laserlicht

Auch im Wellenlängenfenster für die optische Nachrichtentechnik von > 1200 nm faseroptische Komponenten und Systeme, beide auf der Basis von SM-Fasern, können in Friedberg untersucht werden. Beispiele sind Faser-Bragg-Gitter (FBG), dispersionskompensierende Fasern und passive mikrostrukturierte Fasern.

Durch die Vorgabe der Spezialfasern und der Test-Anordnungen sind die folgenden Anwendungen in einem weit gefächerten Bereich von Interesse für das Labor:

• Licht-Transport über Lichtwellenleiter, von 180 nm (UV-C) bis 15 µm (MIR)
• Licht-Transport, v. a. von Licht von verschiedenen Lichtquellen im tiefen UV-Bereich
• Licht-Transport von Laserlicht
• Einkopplung und Auskoppelung von linear und nicht-linear gestreutem Licht, durch die Verwendung von Spezial-Endstücken
• Industrielle, chemische und medizinische Anwendungen
• Astronomische Anwendungen
• Datenübertragung im Automobil-Bereich
• Sensorik

Folgende Dienstleistungen innerhalb des Kompetenzzentrum für Optische Technologien und Systeme (OTS) können angeboten werden:

• Untersuchungen ausgewählter Eigenschaften von Spezialfasern
• Studien zu faseroptischen Anwendungen, unter Verwendung von Spezialfasern
• Bereitstellung von Spezialfasern (nach Anfrage)
• Qualitätskontrolle und –sicherung ausgewählter Eigenschaften von Spezialfasern
• Beratung beim Einsatz ausgesuchter faseroptischer Produkte

Die in unserem Labor gewonnenen Resultate wurden und werden bei nationalen und internationalen Konferenzen, in Zeitschriften und auf verschiedenen Messen vorgestellt:

• Photonics West in San Jose, USA
• OFC in San Diego, USA
• ACHEMA in Frankfurt
• LASER in München
• OPTATEC in Frankfurt
• ECOC in Berlin
• Hannover-Industrie in Hannover
• Messe während der internationalen POF-Konferenz in Nürnberg

Die genannten Messe-Aktivitäten wurden teilweise durch das BMWi, HMWK bzw. TTN Hessen sowie durch das Kompetenzzentrum OTS finanziell unterstützt.

ADVANCED BAM:  Ultra Low Charge Bunch Arrival-time Monitor – fs Resolution for ultra low bunch charge pulsed- and CW-beams (Prof. Dr. Penirschke)

Bearbeitung: Bernhard Scheible, M. Sc.

Laufzeit: 01.7.2019 bis 30.6.2022

Projektförderung:
Das Projekt Advanced-BAM wird unter dem Förderkennzeichen 05K19RO1 innerhalb des Rahmenprogrammes "Erforschung von Universum und Materie - ErUM" vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Projektpartner:

• Karlsruher Institut für Technologie - KIT
• DESY Hamburg

In Freie-Elektronen-Lasern (FEL), wie dem Europäischen XFEL am DESY, wird durch Ablenkung von relativistischen Elektronenpaketen kohärente Synchrotronstrahlung erzeugt, die in einer Vielzahl von Experimenten zur Anwendung kommt. Diese Experimente laufen auf extrem kurzen Zeitskalen ab, so dass die Anforderungen an das Synchronisationssystem hoch sind. Hierzu wird ein optisches Synchronisationssystem verwendet, das mehrere Ankunftszeitmonitore (BAM) enthält.
Für erforderliche Experimente mit sehr geringen Elektronenpaketladungen von wenigen pC bei einer geforderten fs-Synchronisationsgenauigkeit ist der bestehende Ankunftszeitmonitor nicht ausreichend. Im aktuell laufenden Verbundprojekt wird die Neuentwicklung des bestehenden Ankunftszeitmonitors verfolgt, um ein größeres Parameterspektrum für den Betrieb der Anlagen zu ermöglichen, indem neue Pickup-Strukturen inklusive der Signalübertragungsleitung erforscht werden (zum Bericht in den THM-News).

MAKE-PWA: Minimierung des Ankunftszeitjitters für lasergetriebene PlasmaWakefied-Beschleuniger (Prof. Dr. Penirschke)

Ziel dieses Projektes ist die Minimierung des Ankunftszeitjitters eines extern injektierten Elektronenstrahls in einem plasmagetriebenen Wake-Feld Beschleuniger.

Für einen optimalen Betrieb von plasmagetriebenen Wake-Feld-Beschleunigern ist eine direkte Synchronisation zwischen den plasmaerzeugenden Wellen und den zu beschleunigenden Elektronenpaketen mit höchster Präzision unabdingbar. Um einen optimalen Betrieb zu ermöglichen, sind neben präzisen Ankunftszeitmonitoren zusätzlich auch aktive Stabilisierungssysteme notwendig, die den verbleibenden Ankunftszeitjitter weiter minimieren können. Dieses Problem tritt in allen Plasma-Wake-Feld-Beschleunigern auf und ist nach dem heutigen Stand der Technik noch ungelöst.
Da die Periodendauer eines Plasma-Wake-Felds typischerweise nur wenige Femtosekunden beträgt, wird in diesem Teilprojekt die Synchronisation des Elektronenpakets zum plasmatreibenden Laserpuls bei SINBAD durch ein neuartiges „Schuss-zu-Schuss“-Synchronisationssystem verbessert. Das System synchronisiert aktiv die zu beschleunigenden Elektronenpakete durch direkte Interaktion mit dem erzeugten THz-Puls und verspricht einen Synchronisationsjitter von 1 fs oder weniger.

ITN CELTA: Convergence of Electronics and Photonics Technologies for Enabling Terahertz Applications (Prof. Dr. Penirschke)

Common PhD. project of the Institut für Mikrowellentechnik und Photonik at Technische Universität Darmstadt (TUDa) in October 2016 where, in collaboration with the Technische Hochschule Mittelhessen (THM) in the framework of the European Union

Link to Website: http://www.celta-itn.eu/

Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM): Mikrowellenbasiertes Durchflussmesssystem im Pulverumfeld (Prof. Dr. Penirschke)

In automatisierten Pulverbeschichtungsanlagen werden für den Beschichtungsvorgang Injektionsröhrchen zum Ansaugvorgang des Pulvers aus der Pulverküche verwendet. Zur Bestimmung der aktuellen Durchflussmenge des Pulvers soll ein mikrowellenbasiertes Messsystem entwickelt werden. Ziel ist es, durch die Bestimmung des Durchflusses die Pulverfördermenge konstant zu halten und durch die sich ändernde Luftmenge auf den Abnutzungsgrad des Injektors zu schließen. Herausforderung sind dabei die Partikelgeschwindigkeiten und eine inhomogene Verteilung der Pulvermenge.

Kooperationspartner: BBL-Oberflächentechnik GmbH, Omitron GmbH

Erforschung neuartiger Sensorstrukturen zur Bestimmung der Prozessfeuchte sowie des Feuchtigkeitsgehaltes für industrielle Anwendungen (Prof. Dr. Penirschke)

Mikrowellenbasierte Feuchtesensoren arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Aquametrie. Hohe dielektrische Eigenschaften von Wasser und Wasserverbindungen im Mikrowellenbereich erlauben eine sehr hohe prinzipbedingte Sensitivität solcher Sensoren. Die Arbeitsfrequenz im Mikrowellenbereich begünstigt zusätzlich die drahtlose Kommunikation zwischen Sensor und Datenerfassung. Sie erlaubt den Aufbau sehr kostengünstiger, vollständig passiver Sensoren (d.h. Sensoren, die ohne zusätzliche Energiequellen auskommen). Die Entwicklung neuartiger Sensorstrukturen auf Basis linkshändiger Leitungsstrukturen ermöglicht zudem bei gleichbleibender Frequenz im Vergleich zu konventionellen Techniken die Miniaturisierung der Sensoren bei gleichzeitiger Verbesserung der Sensitivität.

Ziel des Promotionsvorhabens ist es diese Vorteile zu kombinieren und damit neuartige, passive, kompakte mikrowellenbasierte Feuchtesensoren zu entwickeln, die mit Hilfe von Funknetzen ausgelesen werden können.

Durch die kontinuierliche Überwachung von Feuchte während eines Trocknungsprozesses kann beispielsweise die Zeitdauer der Herstellungsphasen im Bauhandwerk verkürzt und die damit verbundenen Kosten stark reduzieren werden. Auch kann durch eine kontinuierliche Überwachung, von feuchtigkeitsexponierten Bereichen in bestehenden Gebäuden oder Anlagen, sowie in denkmalgeschützten Objekten, ein rechtzeitiges Erkennen und Eingreifen erfolgen und so hohe Restaurations-/Reparaturkosten vermieden werden. Es wird eine Installation von kontinuierlichen Warnsystemen auch an schwer zugänglichen Stellen möglich.

Modellbasierte prädiktive Regelung permanentmagneterregter Synchronmaschinen im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen (Prof. Dr. Kuznietsov)

Aktuell werden permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSMs), die z. B. bei den europäischen und asiatischen Automobilherstellern als Antrieb für Elektro- und Hybridfahrzeuge zum Einsatz kommen, mithilfe der PI-basierten feldorientierten Regelung geregelt. Jedoch bietet der Ansatz der modellbasierten prädiktiven Regelung (Model Predictive Control, MPC) gegenüber den klassischen Regelalgorithmen zwei signifikante Vorteile. MPC nutzt das Modell der Regelstrecke, um das zukünftige Verhalten des Systems vorherzusagen und abhängig von der Sollgrößentrajektorie die Trajektorie der Stellgröße zu planen.

Dabei wird ein Gütefunktional, welches die Regelabweichung und die Stellgrößen beinhaltet, jeden Abtastschritt über die Stellgrößentrajektorie minimiert. Die Stellgrößenbeschränkungen können entsprechend durch Nebenbedingungen zu diesem Minimierungsproblem mathematisch berücksichtigt werden. Wird die Regelstrecke als ein lineares System betrachtet, resultiert das Minimierungsproblem in ein quadratisches Programm mit Nebenbedingungen, welches in Echtzeit problemlos gelöst werden kann. Somit kann die Spannungsbegrenzung, bedingt durch die endliche Zwischenkreisspannung, im Regler mathematisch erfasst werden. Weiterhin können neben der Regelabweichung und Stellgrößen weitere Größen in das Gütefunktional des Reglers aufgenommen werden. In Bezug auf die PMSM kann die Regelung dann z. B. hinsichtlich der Verlustleistung optimiert werden.

Modellbasierte Fehlererkennung in permanentmagneterregten Synchronmaschinen im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen (Prof. Dr. Kuznietsov)

Grundsätzlich sind permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSMs) sehr robust. Dennoch können im Laufe ihres Betriebslebens Fehler auftreten. Einer der häufigsten Fehler betrifft die Statorspulen der PMSM. Es handelt sich um den sogenannten Zwischenwindungskurzschluss. Dabei werden mehrere Windungen in einer der Statorspulen kurzgeschlossen, weil die Isolierungsschicht dazwischen aufgrund verschiedener Belastungen wie z. B. thermischen Stress oder Alterung zerstört wird. Tritt ein Zwischenwindungskurzschluss auf, kommt es zu einer Kurzschlussschleife in den betroffenen Windungen. Aufgrund der Permanentmagnete im Rotor wird in der Kurzschlussschleife ein von der Drehzahl abhängiger Strom induziert. Bei hohen Drehzahlen kann dieser Kurzschlussstrom den für den Motor maximal zulässigen Strom um ein Vielfaches übersteigen und zur Zerstörung des Motors führen. Wird der Fehler dagegen schnell entdeckt, können entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen und der Motor so vor Zerstörung bewahrt werden.

Ein weiterer Fehler betrifft die Permanentmagnete im Rotor der PMSM. Hohe Temperaturen sowie inverse Magnetfelder, die z. B. im Feldschwächbetrieb erzeugt werden, demagnetisieren die Rotormagnete partiell, sodass ihr Magnetfeld nicht mehr über den gesamten Rotorumfang konstant ist. Als Folge bekommt das von der PMSM erzeugte Drehmoment einen Rippel, was in eine Zunahme der Blindleistung und Vibrationen des Motors resultiert.

Der Zwischenwindungskurzschluss und die Demagnetisierung der Rotormagnete sind Fehler, die den Motor selbst betreffen. Wird der Motor allerdings geregelt, setzt es den Einsatz bestimmter Sensoren voraus. Im Hinblick auf PMSM werden dabei ein Winkelsensor zur Bestimmung der Rotorposition sowie mindestens zwei Stromsensoren benötigt. Auch die Sensoren können durch verschiedene Defekte beeinträchtigt werden oder sogar komplett ausfallen.

Zur Diagnose der beschriebenen Fehler erforscht unsere Arbeitsgruppe den Einsatz modellbasierter Detektionsalgorithmen. Dabei läuft auf dem Steuergerät neben der Regelung ein Modell der PMSM. Mithilfe des Modells wird das Verhalten des Motors vorhergesagt und mit der Realität verglichen. Treten dabei starke Unterschiede zwischen der Realität und dem Modell auf, weist dies auf einen Fehler im Motor hin. Durch die Analyse der Abweichung kann der Fehler anschließend erkannt werden.