ABSCHLUSSARBEITEN Entwicklung Elektrik / Elektronik. Stand 2013

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1 ABSCHLUSSARBEITEN Entwicklung Elektrik / Elektronik Stand 2013

2 Entwicklung von Diagnosealgorithmen für handgetragene Arbeitsgeräte Gewünschte Studienrichtung: Mechatronik, Feinwerktechnik, Elektrotechnik, Elektronik, Technische Informatik Die aktuellen Entwicklungen zeigen, dass mechatronische Komponenten auch in handgetragenen Arbeitsgeräten verstärkt zum Einsatz kommen, um motorische Funktionen oder zusätzliche Komfortfunktionen für den Kunden zu realisieren. Dadurch steigt die Komplexität des Gesamtsystems zunehmend an. Basierend auf einem vorhandenen Diagnosesystem sollen im Rahmen dieser Arbeit neue Diagnosealgorithmen zur Schadensanalyse entwickelt werden. Testfallerstellung für Hardware in the Loop -Prüfstand Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Maschinenbau, Mechatronik Motorsteuergeräte besitzen heute Zündkennfeld-Steuerungen bzw. Regelalgorithmen. Ein umfassender Test dieser Algorithmen ist sehr zeitaufwendig. Ziel der Arbeit ist die Konzeption und Implementierung von automatisierten Funktionstests auf einem "Hardware in the Loop" Prüfstand. Entwicklung von Regelstrategien für Kleinmotoren Gewünschte Studienrichtung: Maschinenbau, Elektrotechnik, Mechatronik, Verfahrenstechnik Mit dem Einzug der Mikroelektronik in die Steuerung kleiner Verbrennungsmotoren können umfangreiche Regelstrategien realisiert werden. Ziel der Arbeit ist an lauffähigen Prototypen geeignete Regelstrategien (z.b. für Leerlauf, Beschleunigung und Drehzahlbegrenzung) zu entwickeln, zu beurteilen und zu optimieren. Entwicklung und Adaption mechatronischer Systeme an handgeführten Arbeitsgeräten Gewünschte Studienrichtung: Maschinenbau, Elektrotechnik, Mechatronik, Technische Kybernetik Mechatronische Systeme werden zunehmend an handgeführten Arbeitsgeräten eingesetzt. In Rahmen der Abschlussarbeit sollen neue Möglichkeiten entwickelt und erprobt werden. Die Entwicklung erfolgt modellbasiert unter Einsatz von Echtzeitsystemen. Zum Aufgabengebiet gehören neben der Entwicklung auch die Versuchsvorbereitung, Durchführung und Außenerprobung. 2

3 Messtechnik für Verbrennungsmotoren Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Technische Informatik, Maschinenbau, Mechatronik Mit dem Einzug der Mikroelektronik bei den Verbrennungs-Kleinmotoren können umfangreiche Regelstrategien realisiert werden. Ziel der Arbeit ist es, externe Sensoren und Aktoren in eine Einheit zusammenzufassen. Die Arbeit beinhaltet konstruktive Aspekte und elektrotechnisches Schaltungsdesign. Entwicklung eines mathematischen 2-Takt-Motorenmodells (MATLAB / Simulink) Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik, Technische Informatik, Feinwerktechnik, Maschinenbau Um die modellbasierte Softwareentwicklung abzurunden ist ein mathematisches Modell des zu regelnden Systems erforderlich. Ziel der Arbeit ist es, mit Unterstützung des Herstellers ein kommerzielles 4-Takt-Motorenmodell auf einen 2-Takt-Motor anzupassen und das Modell zu verifizieren. Entwicklung einer Motorsteuerung mit einem Rapid Prototyping Tool (dspace, Simulink) Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik, Technische Informatik, Feinwerktechnik Durch den Einsatz eines Rapid Prototyping Systems soll die Funktion einer Motorsteuerung am laufenden Triebwerk dargestellt werden. Als Sensorebene dienen die Spulensätze eines Zündmoduls. Deren Signalverläufe müssen analysiert, erfasst und softwaremäßig verarbeitet werden. Als Aktorebene dient die Zündung selbst, welche dann in Abhängigkeit der Eingangssignale die Zündzeitpunkte variiert. Entwicklung eines berührungslosen Sensors zur Erfassung des Kurbelwinkels Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik, Technische Informatik, Feinwerktechnik Für Messungen an unseren sehr schnellen und mit hoher Dynamik drehenden Triebwerken sind Sensorsysteme erforderlich, die direkt von der Kurbelwelle angetrieben werden. Die bisherig verwendeten Systeme fallen jedoch aufgrund der hohen Belastung nach kurzer Zeit aus. Ziel der Arbeit ist es, ein geeignetes Sensorprinzip zu entwickeln, mit dem bei hinreichender Genauigkeit der Kurbelwinkel dauerhaft ohne Ausfall des Messsystems erfasst werden kann. 3

4 Bewertung von Funkenparametern auf motorische Wirksamkeit Für die Entwicklung neuer Zündsysteme müssen die Zielvorgaben wie z.b. Funkenenergie versuchstechnisch unter den möglichen Randbedingungen (Druck, Gemisch, Zündkerzen) abgesichert werden. Über verfügbare Prüfstände und in der Maschine werden die relevanten Parameter festgelegt und bewertet. Dazu gehören Programmierarbeiten (Visual basic) für eine automatisierte Auswertung. Entwicklung von Algorithmen zur Optimierung der Zündzeitpunktstabilität von Kleinmotoren im Startbereich und hardwarenahe Umsetzung auf einem µc Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Informatik, Automatisierungstechnik, Mechatronik, Mikroelektronik Zündsteuergeräte von Kleinmotoren müssen sich zur Bestimmung des Kurbelwinkels und zum Steuern von Ereignissen, wie dem Auslösen des Zündfunken an wenigen zur Verfügung stehenden Signalen, orientieren. Dabei zeigen sich besonders im Startbereich große Schwankungen. Im Rahmen einer Abschlussarbeit sollen Abhängigkeiten und Einflussfaktoren untersucht und daraus Algorithmen zur Verbesserung der Zündzeitpunktsstabilität entwickelt werden. Sensorloses Starten von E-Motoren In dieser Abschlussarbeit sollen die verschiedenen bekannten Verfahren zum sensorlosen Starten von E-Motoren untersucht und in der Praxis erprobt werden. Eigene Ideen und Ansätze sollen weitergehend diskutiert werden. Auch der Einfluss des Motors auf die Genauigkeit der Verfahren soll betrachtet werden. Voraussetzungen sind gute Kenntnisse im Bereich der elektrischen Antriebe sowie der Programmierung von Microcontrollern. Aufbau eines Modells zur Optimierung der Ansteuerung von Ventilen In dieser Abschlussarbeit soll ein Modell zur Auslegung von STIHL-typischen Ventilen erarbeitet werden. Hierfür sollen die theoretischen Zusammenhänge in einem einfachen Ersatzmodell aufgestellt und die wichtigsten Einflussfaktoren mittels Abgleich zu Messungen der geometrischen, elektrischen und hydraulischen Eigenschaften von Ventilen identifiziert werden. 4

5 Optimierung und Erweiterung eines Prüfstandes zur Vermessung von Ventilen In dieser Abschlussarbeit soll ein bestehender Prüfstand zur Vermessung von Ventilen um einen automatisch adaptierenden Dämpfer von Druckschwankungen erweitert werden. Es werden zunächst die hydraulischen Grundlagen untersucht und Konzepte zur automatischen Regelung erarbeitet. Letztlich soll im Rahmen dieser Arbeit die Implementierung einer Lösung in die Prüfstandshardware und -software erfolgen. Trajektorienfolgeregelung eines Elektromotors an einem HIL- Prüfstand Zur automatisierten Bemusterung von Zündsteuergeräten werden bei STIHL HIL- Prüfstände mit mechanischer Ankopplung der Prüflinge eingesetzt. Der Prüfstand kann dabei mit Hilfe eines Elektromotors die typischen Drehzahlverläufe von Verbrennungsmotoren nachbilden. Aufgrund von strukturellen Einschränkungen der aktuell verwendeten Regelung kommt es zu deutlichen Abweichungen zwischen Sollund Istverlauf. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine neue Regelungsstrategie für den Elektromotor entwickelt und am Prüfstand implementiert werden, so dass dieser einen vorgegebenen Drehzahlverlauf präzise nachbildet. Optimierung eines Elektromotors für Elektrokettensägen Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik Ziel ist die Verbesserung der Kühlungssituation um die Leistungsreserven des Motors besser ausnutzen zu können. Über eine zusätzliche programmierbare Motorsteuerung soll die Motorleistung über der Drehzahl angepasst werden. Überarbeitung eines Leistungsprüfstands für E-Handwerkzeuge Ein vorhandener Leistungsprüfstand für E-Handwerkzeuge ist zu überarbeiten und zu erweitern. Insbesondere soll die Messtechnik zur effizienten Analyse der thermischen Gesamtsituation integriert werden. Labview oder Diadem-Kenntnisse sind vorteilhaft. 5

6 Entwicklung einer Hochleistungs-Elektronik für Forstgeräte Für Geräte in einer neuen Leistungsdimension ist die Leistungselektronik auszulegen. Konzeption und thermische Analysen bilden die Grundlage für einen aufzubauenden Prototypen. Digitale Regelung eines Elektromotors Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik, Regelungstechnik Entwicklung einer Motorsteuerung für Elektro-Motoren mit digitaler Drehzahl-, Stromund Leistungsregelung. Realisierung des Reglers und Implementierung in Matlab Simulink mit Autocodegenerierung für das Steuergerät. Testautomatisierung und HIL Prüfstand Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik, Softwaretechnik, Automatisierungstechnik Programmierung von automatisierten Testläufen auf Bauteilebene und Funktionsbaugruppen mit NI Lab View und Teststand. Integration in bestehende HIL Systeme. Konzeption und Umbau eines Prüfstands zur Bemusterung von Steuergeräten Bei der Bemusterung der Steuergeräte wird geprüft, ob die im Lastenheft definierten Anforderungen eingehalten werden. Hierzu werden Testmessungen durchgeführt und ausgewertet. Dies erfolgt noch weitgehend manuell. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Prüfstand umgerüstet werden, so dass der Bediener durch einen teilautomatisierten Ablauf bei der Durchführung von Messung und Auswertung weitgehend unterstützt wird. Für die Prüfstandsteuerung steht ein dspace- Echtzeitsystem zur Verfügung, das mit Matlab/Simulink programmiert wird. 6

7 Konzeption und Realisierung eines EMV-gerechten Aufbaus einer Zündstrecke Im Rahmen der Bemusterung wird das Zündsteuergerät an einer umschaltbaren Funkenstrecke betrieben. Mit dieser kann das Verhalten verschiedener Zündkerzen bzw. Alterungs- und Verschmutzungsgrade von Zündkerzen am Prüfstand nachgestellt werden. Während der Zündung werden elektromagnetische Wellen abgestrahlt, die die übrigen am Prüfstand eingesetzten Messaufnehmer stören. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Konzeption und der Realisierung eines EMVgerechten Aufbaus der Zündstrecke. Konzeption und Aufbau eines Sensors für die Messung von Zündstrom und -spannung sowie des Ionenstroms Im Rahmen der Bemusterung von Zündsteuergeräten wird die vom Zündmodul bereitgestellte Zündenergie bewertet. Des Weiteren lässt die Messung des Ionenstroms Rückschlüsse auf den Verbrennungsverlauf zu. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Konzeption und dem Aufbau einer Messschaltung zur Erfassung dieser Größen und Einbindung in den vorhandenen Prüfstandsaufbau. Realisierung eines Systems zur elektronischen Stimulation eines Steuergeräts und Integration in einen HIL-Prüfstand Die Steuergeräte bilden zusammen mit dem Schwungrad einen Generator, der das Steuergerät mit Energie versorgt. Die Verläufe der vom Generator induzierten Spannungen werden vom Steuergerät zur Bestimmung von Kurbelwinkel und Drehzahl genutzt. Durch künstliche Einprägung dieser Signale kann ein drehendes Schwungrad simuliert werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein System zur elektronischen Stimulation eines Steuergeräts aufgebaut und in einen HIL-Prüfstand integriert werden. Die Programmierung des Prüfstands erfolgt mit Matlab/Simulink auf einem dspace- Echtzeitsystem. 7

8 Analyse und Erweiterung einer existierenden Toolkette hinsichtlich der Applikation von Steuergeräten Gewünschte Studienrichtung: Elektro- und Informationstechnik, Informatik, Mechatronik Zur Applikation von Steuergeräten während der Entwicklung (gemäß ASAM MCD-2 Standard) werden sogenannte A2L-Dateien benötigt. Für die Entwicklung der Steuergeräte werden verschiedene Softwaretools zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses (von der Anforderungs-Spezifikation, über die Implementierung bis hin zum Test) eingesetzt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die bestehende Toolkette zu analysieren und dahingehend zu erweitern, so dass Datenkonsistenz sowie Generierung benötigter Applikationsdateien gewährleistet sind. Neben der Analyse und der Konzepterstellung geht es darum, dass das erstellte Konzept realisiert wird (Java, C#). Entwicklung einer Motorelektronik mit 32 Bit Mikrocontroller Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik, Softwaretechnik, Automatisierungstechnik Basierend auf vorhandenen Schaltungsdesigns soll eine Variante mit 32 Bit Mikrocontroller erstellt werden. Die Bauraumvorgabe besteht aus Elektroniken, welche mit Altium Designer umgesetzt wird. Die Softwareentwicklung ist eine sensorgeführte E- Motor Ansteuerung mit Maschinen-Grundfunktion. Entwurf funktional sicherer Software für einen 32 Bit Mikrocontroller Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik, Softwaretechnik, Automatisierungstechnik Werden elektronische Sicherheitsfunktionen in Software realisiert, so gelten hierfür zusätzliche Anforderungen. In dieser Arbeit sollen diese Anforderungen auf einem 32 Bit Mikrocontroller System realisiert werden. Diese bestehen z.b. aus Selbsttests der Mikrocontroller- Hardware, als auch der Überwachung von Softwareabläufen. Entwurf funktional sicherer Software für einen 8 Bit Mikrocontroller Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik, Softwaretechnik Werden elektronische Sicherheitsfunktionen in einer Software realisiert, so gelten hierfür zusätzliche Anforderungen. In dieser Arbeit sollen diese Anforderungen auf einem 8 Bit Mikrocontroller System realisiert werden. Diese bestehen z.b. aus Selbsttests der Mikrocontroller- Hardware, als auch der Überwachung von Softwareabläufen. Die Herausforderung liegt in der effizienten Umsetzung der Anforderungen, so dass die Performance eines 8 Bit Mikrocontrollers dafür gut ausreicht. 8

9 Umsetzung Prüfstandssoftware auf Basis von NI Toolkette (LabVIEW, TestStand) Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik, Softwaretechnik, Automatisierungstechnik, technische Informatik Mit etablierten Tools der NI Toolchain (Lab View und Test Stand) soll ein modulares, erweiterbares Konzept erstellt und umgesetzt werden, um Elektronikbaugruppen automatisiert prüfen zu können. Die umgesetzten Module können im bestehenden HIL Testsystem integriert oder aber auch stand alone betrieben werden. Konzeptionelle Entwicklung eines rückentragbaren Akkupacks Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik, Automatisierungstechnik Ziel ist die Entwicklung eines Funktionskonzepts für einen rückentragbaren Akku. Dabei sollen die Funktionen Elektronikintegration, Kabelbaum (Abgriff Einzelzellspannungen), Leistungsführung und Zellintegration analysiert werden. Der Fokus liegt bei dieser Arbeit auf der Reduzierung der Gesamtkosten des Akkus und einem einfach zu realisierenden Servicekonzept. Programmierung von Apps für die Auswertung von Maschinendaten im laufenden Betrieb eines Akkuprodukts Gewünschte Studienrichtung: Elektrotechnik, Mechatronik, Automatisierungstechnik, Informatik, Softwaretechnik Basis für diese Arbeit sind vorhandene Bluetooth- Datenübertragungsmodule die zu Testzwecken in Akkugeräten verbaut werden. Um im Feld die Daten komfortabel erfassen und auswerten zu können, soll ein Datenübertragungsmodul programmiert werden. Dieses Modul soll bei Smartphones und Tablets zum Einsatz kommen. Entwicklung einer elektrischen Bremse für Universalmotoren Viele der STIHL-Elektrogeräte benötigen eine Bremsfunktion, welche elektrisch oder mechanisch umgesetzt werden kann. Anhand eines Prototyps soll die Zuverlässigkeit der Bremse nachgewiesen werden. 9

10 Konzeption und Umsetzung eines Testsystems für Akku- und Elektroprodukte Im Rahmen der Entwicklung von Akku- und Elektroprodukten soll zur Prüfung neuer Gerätefunktionen ein neuartiges Prüfstandskonzept entworfen und umgesetzt werden. Zielsetzung ist eine maximale Automatisierung gepaart mit hoher Flexibilität und Modularisierung für den Test unterschiedlicher Gerätetypen. Untersuchung und Optimierung der Kommutierung von Universalmotoren hinsichtlich Lebensdauer Kohle-Kollektor-System Untersuchung des Kommutierungsstromes bzgl. Unter- und Überkommutierung am Beispiel einer Elektrokettensäge. Eine Anpassung/Optimierung der Kommutierung (Reduzierung Bürstenfeuer) an den Betriebsbereich der Maschine steigert die Standzeit der Kohlebürsten und des Kommutators und hat positiven Einfluss auf die Motorerwärmung. Thermik Motormodell (thermischer Überlass-Schutz) Es soll ein Berechnungsmodell entwickelt werden, welches mit Hilfe von Motorstrom, Drehzahl und eventuell weiteren Größen eine Aussage zur Motortemperatur im dynamischen Betrieb ermöglicht. Des Weiteren ist zu betrachten ob Lebensdauereffekte berücksichtigt werden können. Thermik Motormodell (thermischer Überlass-Schutz) Entwickeln einer GSM Schnittstelle zur Übertragung von Mess- bzw. Debugdaten über das Mobilfunknetz. bzw. Recherche von verfügbaren Systemen. Entwicklung einer EC-Elektronik für Netzbetrieb 230V (120V) mit einfacher Gleichrichtung (kein PFC-Schaltnetzteil) Auf Basis der bisher bei STIHL verfügbaren Elektroniken soll eine Auslegung und Umsetzung für netzbetriebene Geräte durchgeführt werden. 10

11 Leistungsmanagement (Anpassung Maschine an Akkuleistung und Thermik) Zur Verbesserung der Maschinenperformance für den Anwender und gleichzeitiger Überlass- Sicherung soll ein Modell entwickelt werden, welches dynamisch die maximale Stromaufnahme der Maschine begrenzt. Hierzu ist sowohl der thermische Haushalt des Geräts als auch die aus dem Akku verfügbare Leistung zu berücksichtigen. Beide Parameter sind hierbei zeitabhängig, d.h. eine zeitlich begrenzte Überlast ist sowohl von Seite des Akkus als auch des thermischen Haushalts des Geräts möglich. 11