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Aktive Gegenkopplung


Einleitung: Active Noise Cancellation

Am Arbeitsgebiet Bordsysteme werden aktive Gegenkoppelkonzepte für elektromagnetische Störungen untersucht und entwickelt. Das grundsätzliche Konzept ist im Bereich der Akustik unter dem Begriff „Active Noise Cancellation“ weit verbreitet. Bei dieser Methode werden die Störungen durch Gegenstörungen überlagert, wodurch es zu einer destruktiven Interferenz kommt, sodass die Störungen eliminiert werden.

Schematische Darstellung des Grundprinzips der aktiven Störunterdrückung © AGBS ​/​ TU Dortmund

Anwendung auf elektromagnetische Störungen 

Leistungselektronischer Konverter © AGBS ​/​ TU Dortmund

Zur Reduktion der Störemission werden in leistungselektronischen Konvertern üblicherweise passive Filterstrukturen eingesetzt, welche Kondensatoren, Spulen und Schirme umfassen. Zur Erhöhung der Leistungsdichte und Reduktion der Kosten sollen diese Elemente durch aktive Gegenkoppelstrukturen ersetzt werden, welche im Wesentlichen auf Siliziumhalbleitern basieren. Bisherige Implementierungen von aktiven Gegenkoppelstrukturen in der EMV verwenden dabei analoge Schaltungstechnik. Das Arbeitsgebiet Bordsysteme setzt an dieser Stelle als Vorreiter di­gi­ta­le FPGA-Signalverarbeitungssysteme ein, welche die Implementierung innovativer und umfangreicher Methoden ermöglichen.

Universelle FPGA-Entwicklungsumgebung

Programmierbare FPGA-Entwicklungsboards sind vielfältig einsetzbare Plattformen zur Realisierung verschiedenster Prototypen. Das Arbeitsgebiet Bordsysteme hat in verschiedenen Projekten umfangreiche Erfahrungen mit unterschiedlichen Systemen sammeln können. Der Fokus lag und liegt dabei auf einer effizienten und benutzerfreundlichen Programmierung, um beliebige Untersuchungen schnell, flexibel und systematisch durchführen zu können. Dazu wurde eine Entwicklungsumgebung aufgebaut, mit der die FPGA-Logik in Matlab Simulink zunächst definiert, simuliert und optimiert werden kann. Anschließend kann die modellbasiert entwickelte Logik übersetzt und auf den FPGA-IC geladen werden. Insbesondere für die Realisierung der adaptiven Gegenkopplung eröffnet dieses flexible System immense Möglichkeiten. Vor dem Hintergrund von möglichen Anwendungen auf dem Markt erforscht das Arbeitsgebiet Bordsysteme ebenfalls hardwarereduzierte Realisierungen der erarbeiteten Methoden und Strategien.

Xilinx FPA Entwicklungsumgebung © Xilinx

Adaptive Gegenkopplung von Harmonischen 

Darstellung des Prinzips der Active Harmonic Cancellation © AGBS ​/​ TU Dortmund

Eine besondere Methode stellt die aktive Gegenkopplung der Störungen von (quasi‑)stationär getakteten Systemen dar. Bei diesen Systemen bilden sich aufgrund der Taktung störende Harmonische aus, welche die Grundwelle und die zugehörigen Oberwellen umfassen. Um diese Systeme zu entstören, ist es ausreichend, genau diese Frequenzkomponenten zu unterdrücken. Zur Realisierung wird für jede störende Harmonische ein in der Frequenz entsprechender Sinus generiert. Zur Ermittlung der notwendigen Amplitude und Phase wird ein Optimierer eingesetzt, der komplexe Berechnungen oder einfache Suchalgorithmen umfassen kann. Damit wird ein Gegenkoppler beschrieben, der sich adaptiv auf das störende System einstellt.

Demonstrator

Zu Demonstrationszwecken wurde das Verfahren auf einem FPGA-System implementiert und auf einen Testaufbau angewendet. Bei dem Probanden handelt es sich um einen DC/DC-Wandler, welcher hier die Bordnetzspannungen von 48 V und 12 V miteinander verbindet. Die 48 V-seitigen Störungen werden mithilfe einer Bordnetznachbildung und einem Spektrumanalysator gemessen. Das FPGA-System misst die Störungen an der Bordnetznachbildung als Feedback-Signal, um die Gegenkopplung zu optimieren. Zur Injektion der Gegenstörungen ist ein einfacher Ringferrit mit zwei Wicklungen à zwei Windungen vorgesehen. Das Ansteuerungssignal des Konverters wird von dem FPGA-System erzeugt, um eine vollständige Synchronisation zwischen Störungen und Gegenstörungen zu erzielen. Zur Vermeidung störender Masseschleifen wird ein Digitalisolator zur galvanischen Trennung eingesetzt.

Demonstratoraufbau zur aktiven Störunterdrückung © AGBS ​/​ TU Dortmund

Messung

Messergebnisse der aktiven Störunterdrückung © AGBS ​/​ TU Dortmund

Als Beispiel wurde der Bereich der Lang- und Mittelwelle (150 kHz-1,8 MHz [CISPR 25]) mithilfe der adaptiven Gegenkopplung entstört. Es ist ersichtlich, dass alle betrachteten Harmonischen erheblich reduziert wurden (teilweise um über 60 dB), wodurch das System nun der Grenzwertklasse 5 der CISPR 25 genügt. Die adaptive Gegenkopplung von Harmonischen ist somit ein effektives Verfahren zur Unterdrückung der Harmonischen von stationär getakteten Systemen.

Anfahrt & Lageplan

Der Campus der Technischen Universität Dortmund liegt in der Nähe des Autobahnkreuzes Dortmund West, wo die Sauerlandlinie A45 den Ruhrschnellweg B1/A40 kreuzt. Die Abfahrt Dortmund-Eichlinghofen auf der A45 führt zum Campus Süd, die Abfahrt Dortmund-Dorstfeld auf der A40 zum Campus-Nord. An beiden Ausfahrten ist die Universität ausgeschildert.

Direkt auf dem Campus Nord befindet sich die S-Bahn-Station „Dortmund Universität“. Von dort fährt die S-Bahn-Linie S1 im 20- oder 30-Minuten-Takt zum Hauptbahnhof Dortmund und in der Gegenrichtung zum Hauptbahnhof Düsseldorf über Bochum, Essen und Duisburg. Außerdem ist die Universität mit den Buslinien 445, 447 und 462 zu erreichen. Eine Fahrplanauskunft findet sich auf der Homepage des Verkehrsverbundes Rhein-Ruhr, außerdem bieten die DSW21 einen interaktiven Liniennetzplan an.
 

Zu den Wahrzeichen der TU Dortmund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dortmund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Campus Süd und Dortmund Universität S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Campus Nord und Campus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zurück.

Vom Flughafen Dortmund aus gelangt man mit dem AirportExpress innerhalb von gut 20 Minuten zum Dortmunder Hauptbahnhof und von dort mit der S-Bahn zur Universität. Ein größeres Angebot an internationalen Flugverbindungen bietet der etwa 60 Kilometer entfernte Flughafen Düsseldorf, der direkt mit der S-Bahn vom Bahnhof der Universität zu erreichen ist.