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In dieser Bachelorthesis wurde ein Funktionsmuster eines energieautarken elektronischen Türschildes mit einem 7,8” großen E-Paper-Display und NFC-Konfigurationsschnittstelle entwickelt, auf dem per Smartphone-App und NFC einfach Informationen wie Abwesendheitsnachrichten angezeigt werden können. Hierzu wird ein Kommunikationsprotokoll entwickelt, welches die Kommunikation zwischen App und Türschild spezifiziert, und einen Befehlssatz zur Konfiguration des Türschildes bereitstellt. Das System wird aus amorphen Silizium-Solarzellen versorgt und verfügt über einen LiPo-Akku als Energiespeicher. Durch sorgfältiges Hardware- und Software-seitiges Low-Power-Design beträgt die Leistungsaufnahme im Ruhemodus lediglich 1, 5 μW. Bedingt durch den anwenderfreundlichen, jedoch für Low-Power-Designs ungeeigneten Display-Controller, beträgt der Energieverbrauch während eines Updates 300 mW. Trotzdem zeigt sich, dass das System bei einer Zellfläche von knapp 220 cm2 auch bei schlechter Beleuchtung von 10 lx in dunklen Gängen mehrere Türschild-Updates pro Tag bereitstellen kann.
The objective of this thesis is the conceptual design of a battery management system for the first prototype of the UWC (University of the Western Cape) Modular Battery System. The battery system is a lithium-ion battery that aims to be used in renewable energy systems and for niche electric vehicles such as golf carts.
The concept that is introduced in this thesis comprises the parameter monitoring, the safety management and has its main focus on an accurate state of charge estimation.
Another battery system that was already implemented is used as base for the parameter monitoring and the safety management for the new battery management system. In contrast to that, the concept for the state of charge estimation must be developed completely.
Different methods for the state of charge estimation which are based on the measured voltage, current and temperature are discussed, evaluated and the chosen method is conceived in this thesis. The method used for the state of charge estimation is different for the time when the battery is active than when it is inactive. During charge and discharge Coulomb counting is used and when the cell is inactive voltage versus state of charge lookup tables are used to update the estimation.
To have an accurate estimation when the cell is inactive only for a short time, a model of the voltage relaxation is used to predict the voltage when the cells are in equilibrium. This allows the algorithm to reset the state of charge that is estimated by Coulomb counting – which tends to have a growing error over time – frequently.
To evaluate the accuracy of the voltage prediction, cell tests were executed where the voltage relaxation was sampled. The recursive least square method to predict the end voltage was tested with a MATLAB programme. With the help of voltage versus state of charge lookup tables it was possible to determine the state of charge accuracy with the accuracy of the voltage prediction.
Entwicklung und Realisierung eines Konzepts zur Erweiterung des Messbereichs einer Druckmesszelle
(2022)
Die Messung, von Prozessdrücken in industriellen Anlagen, ist heutzutage nicht mehr wegzudenken. Hierbei können während des Betriebs gelegentlich ungewollte Überdrücke auftreten, welche über dem Messbereich der eingesetzten Sensorik liegen. Mit den bisher bekannten Drucksensoren können solche Überdrücke daher nicht detektiert werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Konzepts, welches eine Messbereichserweiterung hervorbringt. Mit diesem sollen Drücke bis zu einer messbereichsspezifischen Grenze detektiert werden können.
Im ersten Schritt werden die Kapazitäten der Messzellen der aktuell bestehenden Sensorelektronik aufgenommen und ausgewertet. Aufgrund der Verläufe der gemessenen Kapazitäten, wird der Fokus auf die Auswertung der Referenzkapazität gelegt. Anschließend folgt das Approximieren des Verlaufs der Referenzkapazität durch geeignete mathematische Funktionen und das Entwickeln eines messbereichsübergreifenden Algorithmus. Hierfür wird die Methode der kleinsten Fehlerquadrate angewandt. Nachdem sich ein vielversprechendes Fitting, mittels zwei Polynomen herauskristallisiert hat, erfolgt die softwareseitige Implementierung des Algorithmus für einen Mikrocontroller auf der Sensorelektronik. Im letzten Teil der Arbeit werden Testmessungen durchgeführt, um die approximierten Polynome zu validieren.
Am Ende der Arbeit entsteht eine funktionierende Messbereichserweiterung zur Detektion von Drücken im Überlastbereich. Hierbei wird eine verhältnismäßig hohe Genauigkeit mit wenigen zusätzlichen Messpunkten erzielt.
Elektrische Antriebssysteme sind in der modernen Welt überall zu finden und sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. In vielen industriellen Anwendungen wandeln sie elektrische Energie in mechanische Energie um, womit das Antriebssystem als Motor fungiert. Im umgekehrten Fall, wenn demnach mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, arbeitet das Antriebssystem als Generator. Die dabei umgewandelte Energie soll bei einer Einspeisung in das Versorgungsnetz möglichst sinusförmig verlaufen, damit überwiegend Grundschwingungsleistung fließt. Zusätzlich ist ein geringer Blindanteil wünschenswert, weil diese Stromkomponente dafür sorgt, dass die Versorgungsleitungen unnötig belastet werden.
In dieser Bachelorthesis werden auf die für das Verständnis wichtigen theoretischen Grundlagen der Raumzeiger eingegangen. Bei der Regelung des Netz- oder Ausgangsstroms und der Zwischenkreisspannung werden auf diese Grundlagen zurückgegriffen, weil die Beschreibung von zeitveränderlichen, sinusförmig verteilten dreiphasigen Größen durch Transformationen in andere Bezugssysteme als besonders zweckmäßig erscheint. Damit weitere elektrische Geräte, die am selben Netzanschlusspunkt angeschlossen sind, möglichst wenig beeinflusst werden, sollte der ins Versorgungsnetz zurückgespeiste Strom geringe Oberschwingungen enthalten und somit einen weitestgehend sinusförmigen Verlauf annehmen.
Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung der Netzfrequenz von 50 Hz. Aus regelungstechnischer Sicht ist es daher zweckmäßig, ein nahezu exaktes Modell der Regelung des Netzstroms und der Zwischenkreisspannung zu erstellen. Eine hochdynamische Regelung ist dann gewährleistet.
Da die hohe Anzahl an Steuergeräten in einem Fahrzeug von den unterschiedlichsten Automobilzulieferern entwickelt und produziert werden, ist es den einzelnen Steuergeräte-Herstellern nicht möglich, diese während des Entwicklungsprozesses in einem realen Fahrzeug zu testen. Restbussimulationen, womit Fahrzeugnetzwerke softwaretechnisch nachgebaut werden, schaffen hierbei Abhilfe.
Für die Entwicklung konkurrenzfähiger, effizienter und wirtschaftlicher Steuergerätesoftware wird die Embedded Software in einzelne Module unterteilt. Dieser modulare Prozess ermöglicht das Implementieren der Embedded Softwaremodule in Steuergeräte unterschiedlicher Fahrzeughersteller, sodass es zu Kosteneinsparungen während der Entwicklung und Wartung kommt. Steuergeräte, welche in unterschiedlichen Fahrzeugen zum Einsatz kommen und eine hohe Anzahl an gleichen Softwaremodulen besitzen, werden in sogenannten „Plattformen“ gehandelt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird, analog zu der Plattformsoftware der Steuergeräte eine Plattform-Restbussimulation entworfen. Sie stellt dem Softwareentwickler während des kompletten Entwicklungszyklus eine lauffähige Testumgebung zur Verfügung, welche wichtige Steuergeräte eines Fahrzeugnetzwerks nachbildet. So werden in dieser Arbeit Konzepte erstellt und implementiert, welche eine effiziente und intuitive Benutzung der Plattform-Restbussimulation ermöglichen und alle Plattformkunden mit einer einzigen Simulationsumgebung abdecken. Dies führt zu einer zeitlichen Einsparung bei der Implementierung, Verwaltung und Bedienung.
Entwicklung und Implementierung einer Methode zur Funktions- und Verschleißprüfung von Sägeanlagen
(2019)
Die Firma KASTO Maschinenbau produziert Lagersysteme und Sägemaschinen und möchte in Zukunft mit Hilfe von prädiktiver Wartung einen Mehrwert für den Kunden, die firmeneigenen Servicetechniker und die Inbetriebnehmer generieren. Für diesen Weg in Richtung prädiktive Wartung werden in der vorliegenden Arbeit, zunächst mittels Recherche, Grundlagen definiert. Die anschließende Analyse verschiedener Bauteile und Baugruppen in der Lagertechnik und im Sägemaschinenbau führt zur Konkretisierung der Umsetzungsmöglichkeiten.
Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die verschleißkritischen Bauteile eines KASTOwin-Bandsägeautomats behandelt. Durch die Analyse der einzelnen Verschleißformen und -erscheinungen an dessen Komponenten können Parameter zur Verschleiß-überwachung ermittelt werden. Die Überwachung dieser Prozesse soll dabei mit bestehender Sensorik durchgeführt werden und beschränkt sich deshalb hauptsächlich auf die Messeinrichtung der Frequenzumformer. Für die Komponenten Sägebandantrieb, Sägevorschubantrieb, Materialvorschubantrieb, Bandverlaufsensor, sowie das Hydrauliksystem werden entsprechende Methoden zur Funktions- und Verschleiß-prüfung ausgearbeitet.
Auf Basis dieser Methoden wird dann die Implementierung in Form eines SPS-Programms und einer dazu passenden, grafischen Benutzeroberfläche durchgeführt. Das bestehende SPS-Programm und die Benutzeroberfläche werden durch zusätzliche Programmteile ergänzt. Sämtliche Ergänzungen sind portabel und modular ausgelegt, sodass diese problemlos auch in anderen Sägemaschinen ergänzt werden können. Um kritische Verschleißsituationen nach deren Eintritt zu analysieren und daraus Schlüsse im Sinne der prädiktiven Wartung zu ziehen, ist die Sicherung aller Langzeitdaten von enormer Bedeutung. Da der remanente Speicher der SPS jedoch begrenzt ist, werden sämtliche Daten über die Visualisierung gesichert. Alle aufgenommen Daten werden sowohl grafisch als auch in Form von Werten visualisiert und können dem Kunden und Servicetechniker, sowie dem Inbetriebnehmer Aufschluss über den Zustand der Komponenten geben.
Letztlich werden die implementierten Abläufe an einer Vorführmaschine getestet. Es kann dabei die Funktion sämtlicher Prüfungen bestätigt werden
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ist ein modernes Mehrträgermodulationsverfahren, das sich gut an die besonderen Eigenschaften eines Mobilfunkkanals mit zeitvarianter Mehrwegeausbreitung anpassen kann. Es eignet sich aufgrund seines Aufbaus vor allem für Breitbandübertragungen und wird in vielen aktuellen Funksystemen wie LTE, WLAN, DVB-T usw. eingesetzt. In DSL wird die Basisbandvariante von OFDM eingesetzt, die „Discrete Multitone Transmission (DMT)“ genannt wird. Viele Aussagen über OFDM lassen sich auch auf DMT übertragen.
Moduliert wird mit Hilfe der inversen Fouriertransformation, die viele Unterträger parallel verarbeitet und am Schluss aufsummiert. Dies hat den Nachteil einer hohen Signalfluktuation, die bei Verstärkern zu Problemen führt.
Reale Verstärker haben eine nichtlineare Verstärkungskennlinie mit einer maximalen Ausgangsamplitude. Wird diese überschritten, wird das Signal abgeschnitten (geclippt). Dies hat sowohl vermehrte Bitfehler aufgrund des Orthogonalitätsverlustets der Unterträgersignale zueinander zur Folge, als auch eine erhöhte Außerbandabstrahlung.
Eine mögliche Lösung besteht darin, die Aussteuerung des Verstärkers klein zu halten. Daraus resultieren jedoch erhöhte Kosten und eine verringerte Energieeffizienz. Man ist daher bemüht die Signalfluktuation möglichst gering zu halten. Eine Maßzahl für die Amplitudenschwankungen ist das Peak-to-Average-Power-Ratio (PAPR).
Um das PAPR zu senken, gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Verfahren. In dieser Arbeit werden die gängigsten davon vorgestellt und das Interleavingverfahren, die Tone Reservations (TR) und das Active Constellation Expanding (ACE) genauer untersucht.
In letzter Zeit sind einige neue, hochintegrierte Einchip-Radarsensoren auf den Markt gekommen. Die enormen Fortschritte im Bereich des autonomen Fahrens hat diese Sensoren hervorgebracht. Mit ihnen lassen sich diverse Anwendungen, wie zum Beispiel eine Abstandsmessung, Kollisionserkennung oder Geschwindigkeitserfassung realisieren.
Für die Nutzung eines solchen modernen Radarsensors spricht viel, jedoch besitzen alle eine differenzielle Ausgangsschnittstelle, die nicht mit den üblichen Mikrocontrollersystemen eingelesen werden kann. Darum war das Ziel der Arbeit, die Entwicklung eines Schnittstellenwandlers auf einem Low-Power-FPGA, zur Anbindung eines Radarchips an einen klassischen Mikrocontroller.
Der Lösungsweg war demnach schon vorgegeben, es folgte die konkrete Umsetzung mit der Modellierung der Hardware in VHDL. Der FPGA liest die differenzielle Schnittstelle ein, parallelisiert die Daten und speichert sie zwischen. Sobald die Messdaten vollständig sind, können sie über die serielle SPI-Schnittstelle angefordert werden. Als Gegenstelle kommt ein Mikrocontroller zum Einsatz, der die Messdaten wiederum gemäß eines definierten Protokolls zur Auswertung an einen Computer weiterleitet.
Die Machbarkeit dieser Anwendung wurde kontrolliert, indem die Messdaten vom Radarchip, übermittelt durch den FPGA und Mikrocontroller, auf dem Computer mithilfe eines Analyseprogramms bewertet wurden. Die Auswertung der Messergebnisse entspricht in vollem Umfang den Erwartungen. Der Ressourcenverbrauch im FPGA wurde hierbei ebenfalls als kritisch betrachtet, was sich im Nachhinein jedoch nicht bestätigte. Es ist sogar das Gegenteil der Fall, mit den übrigen freien Ressourcen steht einer möglichen Signalverarbeitung nichts im Wege.
Die Funkschnittstelle nach dem Bluetooth Standard ist heutzutage nicht mehr aus dem Consumer-Markt wegzudenken. Auch durch die zukünftige Weiterentwicklung des Prinzips von IoT (Internet of Things) wird vor allem die Bluetooth Low Energy Technologie für Unternehmen bei der Entwicklung von Geräten mehr an Bedeutung gewinnen. Um die Studierenden im Bereich der Kommunikationstechnik auf das Thema Bluetooth vorzubereiten, wird der Versuch „Kurzstreckenkommunikation nach dem Bluetooth Standard“ im Telekommunikations-Labor an der Hochschule Offenburg angeboten. Der Versuch wurde im Rahmen dieser Bachelor-Thesis an die heutigen Anforderungen angepasst.
Die nachfolgende Bachelor-Thesis beinhaltet die gesamte Laboranleitung des Versuchs, welche in die drei Teile: Theoretische Grundlagen, vorbereitende Aufgaben und der Versuchsdurchführung aufgeteilt wird. Der Versuchsanleitung folgt ein Teil mit weiteren Anmerkungen für die akademischen Mitarbeiter, welche den Versuch betreuen. Hier wird sichergestellt, dass auch in Zukunft der Versuch problemlos weiter durchgeführt werden kann. Im Anhang befinden sich die Musterlösungen für die vorbereitentenden Aufgaben und der Versuchsdurchführung.