Für drehzahl- und lagegeregelte elektrische Antriebssysteme mit mechanisch-elastischen Übertragungselementen exitiert eine Fülle von Regelstrategien. Jede von ihnen weist spezifische Vor- aber auch Nachteile auf, welche letztlich auf die eigene prinzipbedingte Güteschranke zurückzuführen sind. Um eine solche Güteschranke zu durchbrechen muß man grundsätzlich die Strukturbeschränkung des Reglers angreifen. Hierfür werden zwei Möglichkeiten aufgezeigt, ein parametervariables und ein strukturvariables Regelkonzept. Mit der Parameter-und der Strukturvariabilität lassen sich konventionelle Regler qualitativ aufwerten, und unterschiedliche Regelprinzipien kombinieren. Insbesondere können Nutz-Nichtlinearitäten in systematischer Weise in lineare Regler integriert werden. Das parametervariable Regelkonzept verfolgt dem Ziel, das dynamische Regelverhalten konventioneller Regler durch Online-Tuning der Reglerparameter zu verbessern. Hierbei können unterschiedliche Parametersätze vorteilhaft kombiniert werden, so dass die Güteschranke des konventionellen Reglers überwunden wird. Der systematische Entwurf vereint die klassischen linearen Methoden mit der heuristischen fuzzy-basierten Vorgehensweise. Beim strukturvariablen Konzept handelt es sich um ein auf das Sliding-Mode-Prinzip basierte Regelverfahren, dessen Hauptgegenstand die Güterobustheit der Regelung gegenüber Parameterunsicherheiten ist. Um die Nachteile des Sliding-Mode-Prinzips zu vermeiden und damit die Realisierbarkeit für elektrische Antriebssysteme zu erhöhen, werden Methoden für die Rekonstruktion der Zustandsgrößen und für die Chattering-Reduktion vorgeschlagen. Auch das strukturvariables Konzept beinhaltet einen starken Bezug zu linearen Prinzipien. Möglichkeiten zur Kombination beider vorgeschlagenen Konzepte werden ansatzmässig aufgezeigt. Die beiden Konzepte werden in Simulation und an einer Versuchsanlage experimentell erprobt

Die Aufgabenstellung der hier vorgestellten Diplomarbeit befasst sich mit der Integration von nichtfossilen Energieträgern im Eisenbahnbereich. Grundsätzlich soll untersucht werden, inwiefern eine technisch umsetzbare Integrationslösung erarbeitet werden kann, die an ein bereits im Betrieb befindliches Schienenfahrzeug zur Personenbeförderung nachgerüstet werden kann. Durch diese Umrüstung soll das Demonstratorfahrzeug dann in der Lage sein, sowohl die elektrische Energie des Fahrdrahtes als auch die mitgeführte Energie zum Betrieb zu nutzen. Im Ergebnis sollen damit Dieselfahrzeuge ersetzt werden, die bisher auf Strecken ohne Oberleitung eingesetzt werden. Im Ausgangszustand wird ein Triebzug betrachtet, der im ursprünglichen Aufbau für den reinen Oberleitungsbetrieb entwickelt wurde. Aus dem Englischen kommend werden solche Verkehrsmittel auch als EMU bezeichnet, was abgekürzt für Electric Multiple Unit steht. Um solche Fahrzeuge auch ohne Oberleitung mit Energie zu versorgen, bedarf es der Nachrüstung von Energiespeichern am Triebzug. In diesem Fall bildet gasförmiger Wasserstoff den primären Energiespeicher, dessen chemische Energie durch ein Brennstoffzellensystem in elektrische Energie gewandelt werden soll. Außerdem ist aufgrund verschiedener Randbedingungen ein Akkumulatorsystem als sekundärer Energiespeicher notwendig. Grundsätzlich kann das umgerüstete Fahrzeug dann als Hybridfahrzeug bezeichnet werden, im Projektkontext wird allerdings aufgrund der zweifachen Energiezuführung von einem Bi-Mode-Fahrzeug gesprochen. Die Einbauuntersuchung behandelt sowohl volumetrische als auch gravimetrische Fragestellungen, die bei der Integration der genannten Systeme zu beachten sind. So wird beispielsweise durch ein Berechnungsmodell untersucht, welche Auswirkungen die Schwerpunktlage des Wagens auf die Radsatzlasten hat. Im Ergebnis der Untersuchung kann festgehalten werden, dass unter den gegebenen Randbedingungen die Integration der Komponenten eine deutliche Reduzierung der Personenzahlen notwendig wird. / The task of the diploma thesis presented here deals with the integration of non-fossil energy sources in the railroad sector. The basic aim is to investigate the extent to which a technically feasible integration solution can be developed that can be retrofitted to a rail vehicle already in operation for passenger transportation. Through this retrofit, the demonstrator vehicle should then be able to use both the electrical energy of the contact wire and the energy carried for operation. As a result, it is intended to replace diesel vehicles that have been used to date on lines without overhead contact lines. In the initial state, a multiple-unit train is considered that was developed in its original design for pure overhead contact line operation. This type of vehicle is also known as an EMU, which stands for Electric Multiple Unit. In order to supply such vehicles with energy even without an overhead line, energy storage systems have to be retrofitted to the multiple unit. In this case, gaseous hydrogen forms the primary energy storage medium, whose chemical energy is to be converted into electrical energy by a fuel cell system. In addition, due to various boundary conditions, an accumulator system is required as secondary energy storage. In principle, the converted vehicle can then be called a However, in the context of the project, it is referred to as a bi-mode vehicle due to the dual energy supply. The installation study addresses both volumetric and gravimetric issues that need to be considered when integrating the aforementioned systems. For example, a calculation model is used to investigate the effects of the vehicle's center of gravity on the wheelset loads. As a result of the investigation, it can be stated that under the given boundary conditions, the integration of the components will necessitate a significant reduction in the number of passengers.

Towards a carbon free society the IHI group is committed to provide products, technologies and services in line with ecological and economical sustainability. Storage and transportation of green energy are major challenges related to the global transition from fossil fuels towards 100% renewables. IHI is active in various areas ranging from SOFC technology via ammonia combustion to smart community demonstrator projects. With respect to mobility hydrogen fuel cell technology is identified as one major pillar for CO2-neutral vehicular propulsion – especially for higher payloads and extended driving distances. Since more than 20 years IHI is providing charging systems for stationary fuel cell applications and since 2004 also for mobile fuel cell applications. IHI´s oil free turbocharger for fuel cell applications is providing state-of-the-art boosting technology to enable emission free propulsion systems. It comprises a turbine, a compressor and, on the same shaft, an electric motor as well as air foil bearings to support the rotor. The turbine utilizes the enthalpy from the stack exhaust to lower the required electric power for driving the compressor. It can provide up to 40% of the needed compressor power and hence substantially increases the system efficiency. Compressor and turbine are optimized for operating conditions in fuel cell systems regarding specified airflow and pressure ratio, which is typically in the range of 3.0.

This paper discusses an investigation on a novel hydraulic pump concept. The idea aims on a pump principle to be directly connected to highspeed electric motors to build compact highpressure drives [... aus der Einführung]

Magnetische Formgedächtnislegierungen (MSM-Legierungen) weisen im Vergleich zu anderen Festkörperwandlern und konventionellen elektromagnetischen Wandlerprinzipien unikale Kopplungseigenschaften auf. Dies motiviert ihre Anwendung in kompakten und schnellschaltenden Antrieben. Aufgrund der Kompliziertheit ihres Kopplungsverhaltens ist jedoch ein modellbasierter Entwurf unumgänglich. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Beschreibung einer Unterklasse von MSM-Antrieben mit eisenbehafteten Magnetkreisen und engen Luftspalten durch eine Kombination von Messung und Modell. Ziel ist dabei die Beantwortung anwendungsrelevanter Fragestellungen im Antriebsentwurf. Die Grundlage dafür bildet die heuristische Definition eines auf verallgemeinerten Kirchhoffschen Netzwerken (Netzwerkmodellen) basierenden Ersatzmodells des MSM-Elements samt umgebendem Luftspalt. Die das Verhalten des Ersatzmodells beschreibenden magnetischen Größen werden durch ein neuartiges und im Rahmen der Arbeit entwickeltes Messverfahren ermittelt. Ein Prüfstand setzt dieses Messverfahren um und ermöglicht eine simultane magnetische und magnetomechanische Charakterisierung von MSM-Elementen unter Kraft- oder Wegvorgabe. Eine empirische Validierung der gemessenen Zusammenhänge, auch anhand thermodynamischer Gesichtspunkte, weist die Plausibilität der das Ersatzmodell beschreibenden Zusammenhänge nach. Diese Ergebnisse motivieren die Entwicklung eines Netzwerkmodells, das die hysteresebehaftete magnetomechanische Kopplung innerhalb des Ersatzmodells thermodynamisch korrekt berücksichtigt. Mithilfe des Modells gelingt es, das experimentell bestimmte integrale magnetomechanische Verhalten des MSM-Elements samt umgebendem Luftspalt in wesentlichen Aspekten vorherzusagen. / Magnetic shape memory (MSM) alloys are considered promising active materials for compact electromagnetic drives due to their strong magneto-mechanical coupling. However, the latter is associated with a strong nonlinearity and a distinct hysteresis making a model-based design indispensable. The present work describes the behavior of a subclass of MSM drives with iron-core and small air gaps by means of a combination of model and experiment. Heuristically, an equivalent lumped-element model considering the MSM element and the surrounding air gap is proposed. An associated novel magnetic measurement procedure determines the quantities describing the behavior of this equivalent model. A test setup implements the measurement procedure and allows for a simultaneous magnetic and magneto-mechanical characterization either under constant load or under constant displacement. An empiric validation, also with regard to thermodynamic aspects, indicates the plausibility of the collected data describing the simplified equivalent model. These results motivate the development of a novel lumped-element model considering the hysteretic magneto-mechanical coupling of the equivalent model in a thermodynamically consistent way. Its validation by means of various magneto-mechanical experiments shows that the model is able to predict the essential magnetic and magneto-mechanical behavior of the MSM element and the surrounding air gap with sufficient accuracy, making it appropriate for system design.

Die rasant ansteigenden Produktionsvolumina von elektrifizierten Fahrzeugen stellen für die jeweiligen Hersteller ein ungemein hohes Risiko dar, da neu industrialisierte Antriebstopologien innerhalb kürzester Zeit in großvolumigen Prozessketten gefertigt werden müssen. Neben der notwendigen produzierten Quantität muss jedoch auch die ausgelieferte Qualität höchsten Ansprüchen genügen. Im Gegensatz zu konventionellen Antrieben kann hierfür nicht auf jahrzehntelange Erfahrungsschätze von möglichen Fehlerfällen im Produktionssystem zurückgegriffen werden. Daher befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung einer körperschallbasierten Prüfmethodik am Bandende (End-of-Line, EOL) zur Identifikation und Benennung von fehlerhaften Antriebseinheiten. Durch die hochintegrierte Bauweise ergibt sich eine hohe Anzahl an kompetierenden Anregungsmechanismen, welche traditionellen Analysen keine eindeutige Fehlerzuordnung erlaubt. Zum Verständnis der gesamten Prüfkette werden die einzelnen Komponenten (Sensorik, Drehzahlprofile, Verarbeitung der Rohdaten, etc.) beleuchtet und ein taktzeittaugliches Prüfprofil vorgestellt. Hierauf basierend werden Sensitivitäten hinsichtlich toleranzbehafteter Merkmale wie Lagersitzpositionen oder Unwuchten bestimmt und Fehlermechanismen von Grund auf hergeleitet. Die resultierende Überbestimmung von praktisch jeder Maschinenordnung wird mithilfe der in dieser Arbeit entwickelten reduzierten Differenzkoinzidenz-Metrik (RDKM) signifikant reduziert. Die erarbeiteten Analysatoren werden zu einem allgemeinen Fehlerkatalog zusammengefasst und auf Validität mittels realer Fehlerfälle erfolgreich überprüft. Die RDKM-Methodik wird mittels Grenzmusteraufbauten auf die Separationseigenschaft gegenüber einer normalen Serienstreuung untersucht und allgemein anwendbare Grenzwerte hergeleitet. Abschließend befasst sich diese Arbeit mit der Produktionsskalierbarkeit durch weitere End-of-Line-Prüfstände und mit der notwendigen Adaptionsfähigkeit aufgrund von Chargenwechseln oder Produktanpassungen über Zeit.:1 Einleitung 11 2 Stand der Technik 15 2.1 Körperschall-Anregungsmechanismen 15 2.1.1 Exzentrizitätsanregungen 15 2.1.2 Getriebeanregungen 16 2.1.3 Magnetfeldanregungen 17 2.1.4 Wälzlageranregungen 20 2.2 Fehleridentifikationsverfahren 22 2.2.1 Maschinenüberwachung 22 2.2.2 EOL-Prüfstände 24 2.2.3 Unterschiede zwischen End-of-Line und Maschinenüberwachung 26 2.3 EOL-Körperschallprüfung bei Antriebsaggregaten 27 2.4 Messreplikation 27 2.5 Mathematische Methoden 28 3 Zielsetzung 33 4 Beschreibung der Prüflingstopologie und Prüfstände 37 4.1 Elektrische Antriebstopologie 37 4.2 Beschreibung der Prüfstände 38 4.2.1 Inline Prüfstand (IL) 38 4.2.2 End-of-Line Prüfstand (EOL) 40 5 Messkonzeption und Sensorik 43 5.1 Sensorik 43 5.1.1 Beschreibung taktiler Sensorik 43 5.1.2 Bewertung relevanter Restriktionen 45 5.2 Drehzahlprofil 46 5.2.1 Evaluation notwendiger Drehzahlgradienten 46 5.2.2 Nichtlineare Drehzahländerungen 50 5.3 Vorverarbeitung der Rohdaten 50 5.4 Wahl der Fourierparameter 51 5.4.1 Einfluss Fensterung 52 5.4.2 Mittelung der Messwerte 53 5.5 Resultierende Messgenauigkeiten 55 6 Körperschallanregungsmechanismen 57 6.1 Identifikation von Normanregungen 57 6.1.1 Dominante Pegel 57 6.1.2 Normalisierung über Box-Cox Transformation 57 6.1.3 Evaluation 58 6.2 Sensitivitätsanalyse 61 6.2.1 Vorgehen 61 6.2.2 Zusammenfassung von Sensitivitäten 66 6.3 Vervollständigung theoretischer Anregungen 66 6.3.1 Lagerhochharmonische Anregung 66 6.3.2 Asymmetrische Seitenbänder 69 6.4 Bestimmungsgrad von Ordnungen 72 7 Fehleridentifikation 77 7.1 Ansatz und Methodik 77 7.1.1 Motivation 77 7.1.2 Mathematische Beschreibung des Ansatzes 78 7.1.3 Erweiterung um IL-Prüfstandsinformationen 81 7.2 Auswirkung auf Bestimmtheitsgrad 81 7.3 Fehlerkatalogisierung 82 7.3.1 Instanzierung von Fehlern 82 7.3.2 Fehlerlokalisation 85 7.4 Evaluation 86 7.4.1 Exemplarische Evaluation 86 7.4.2 Statistische Evaluation 89 8 Fehlerdetektion 93 8.1 Grenzfindung 93 8.1.1 Allgemeine Grenze 93 8.1.2 Spezifische Grenzen 94 8.1.3 Spezifierte allgemeine Prüfgrenzen 98 9 Skalierbarkeit der Prüfmethodik 101 9.1 Kapazitätsskalierbarkeit 101 9.1.1 Direkter Grenzübertrag 101 9.1.2 Statistischer Grenzübertrag 102 9.1.3 Evaluation der Übertragsmethodiken 104 9.2 Zeitskalierbarkeit 105 10 Zusammenfassung und Ausblick 109 10.1 Zusammenfassung 109 10.2 Ausblick 110

Die Diplomarbeit beschäftigt sich exemplarisch mit der Bahnstrecke Dobříš – Praha und untersucht Möglichkeiten, wie diese zukünftig die tschechische Hauptstadt Praha mit der Region südwestlich davon innovativ und kundenorientiert verbinden kann. Dabei erfolgt im ersten Teil der Arbeit eine demografische und verkehrliche Analyse des Untersuchungsgebietes. Diese zeigt, dass durch gezielte Maßnahmen wie der Verbesserung der Zugangsstellen (Bahnhöfe und Haltepunkte) sowie einer Verlängerung der Strecke in die Innenstadt von Dobříš das Fahrgastpotenzial deutlich erhöht werden kann. Anschließend erfolgt eine umfangreiche Recherche zum Thema alternative Antriebe im Schienenverkehr auf Basis verschiedener Studien. Dabei wird der Fokus auf batterieelektrische (BEMU) und wasserstoffbetriebene Lösungen (HEMU) gelegt. Bei dem Vergleich dieser zeigt sich, dass BEMU-Fahrzeuge in der Regel in der Anschaffung und im Betrieb wirtschaftlicher sind als HEMU-Fahrzeuge. Auch bei den Themen Energieeffizienz und CO2-Bilanz schneiden BEMU-Fahrzeuge im Allgemeinen besser ab. Darüber hinaus werden Anforderungen und Anwendungsbeispiele von RegioTram-Systemen sowie deren systembedingte Vorteile und Herausforderungen aufgezeigt. Im letzten Teil der Arbeit werden mögliche Szenarien für eine Anwendung von alternativen Antriebsmöglichkeiten sowie eines RegioTram-Systems auf die zu untersuchende Strecke erarbeitet und auf ökonomischer Bais bewertet. Das Ergebnis zeigt einen klaren Vorteil bei der Nutzung von reinen Oberleitungs- oder BEMU-Fahrzeugen, schließt auch die Einführung einer RegioTram nicht aus und stützt damit die Erkenntnisse aus dem Rechercheteil. Eine quantitative Abschätzung des analysierten Fahrgastpotenzials unterstreicht zudem den Nutzen einer Innenstadtverlängerung in Dobříš. Neben der Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse werden allgemeine Handlungsempfehlungen für eine Attraktivierung von vernachlässigten Regionalbahnen aufgestellt. / This thesis takes the Dobříš – Praha railway line as an example and examines ways in which it can connect the Czech capital of Prague with the region south-west of it in an innovative and customer-orientated way in the future. The first part of the study analyses the demographics and traffic situation of the examined area. This shows that the passenger potential can be significantly increased through targeted measures such as improving the access points (stations) and extending the line into the city centre of Dobříš. This is followed by extensive research into alternative drive systems in rail transport based on various studies. The focus is placed on battery electric (BEMU) and hydrogen-powered solutions (HEMU). A comparison of these shows that BEMU vehicles are generally more economical to purchase and operate than HEMU vehicles. BEMU vehicles also generally perform better in terms of energy efficiency and carbon footprint. In addition, the requirements and application examples of RegioTram systems as well as their system-related advantages and challenges are shown for a more favourable operation of the examined route. In the final part of the thesis, possible scenarios for the application of alternative drive options and a RegioTram system on the examined route are developed and evaluated on an economic basis. The result shows a clear advantage in the use of pure overhead contact line or BEMU vehicles but does not rule out the introduction of a RegioTram. This supports the findings from the research section. A quantitative estimate of the analysed passenger potential also underlines the benefits of the extension to the city centre in Dobříš. In addition to summarising and discussing the results, general recommendations to make neglected regional railways more attractive are drawn up.

The field of self-contained linear hydraulic drives based on variable-speed electrical motors and fixed displacement pumps is gaining interest from both industry and academia. Some of the main reasons for this is the possibility to improve the energy efficiency of such drives compared to conventional valve controlled drives, and the possibility for electrical regeneration allowing power sharing between multiple drives [1]. The main drawback for such types of drive concepts is a low pressure in the nonload carrying cylinder chamber. This induces a low drive stiffness limiting the achievable drive bandwidth and hence the application range. However, a so-called self-locking compact drive architecture recently proposed allows maintaining a proper drive stiffness by virtue of separate forward and return flow paths, combining the advantages of efficient flow control into the cylinder and a throttle driven flow out of the cylinder. The multiple inputs available in this architecture allow the control to target several objectives concurrently, for example piston motion, drive stiffness and fluid temperature. The purpose of the study presented is to analyse the dynamic couplings between the control objectives via relative gain array (RGA) methods, and the realization of input- and output transformations effectively decoupling relevant dynamic interactions. These transformations allow the usage of simple SISO-controllers for each control objective, and a method for controlling motion and fluid temperature concurrently, is proposed and experimentally verified.

The Silicon Carbide Bipolar Transistor is a device that is barely brought into real application so far. It features very low conduction losses and a high power density. The application is in some points different and unusual in comparison to the mainstream power semiconductors as IGBTs or MOSFETs. The Silicon Carbide Bipolar Transistor, the SiC-BJT, is a current driven device and the effort in driving is uncommonly high. As an outcome of the present work it can be said that it is more like a shift of requirements from the power semiconductor power unit to the driver stage. With consideration of all system losses, including driving losses, the final unoptimized COSIVU prototype inverter system gained an increase of efficiency of 40-60% in comparison to the IGBT-based reference system dependent on the applied load points. In terms of reliability and possible failure modes, the SiC-BJT behaves differently from the mainstream devices. One result of the project is that the chips itself are quite robust but the packaging needs some improvements. Thermal impedance spectroscopy is a method for detecting possible deterioration in the cooling path of a device. A method for temperature estimation of the SiC-BJT during on-state will be presented in this work. The electronic hardware for thermal impedance spectroscopy has been developed to do the measurements in a non-laboratory setup in the inverter in real application. Furthermore, the hardware implementation was realized on a very small space for integration into an in-wheel motor inverter system. / Der Siliciumkarbid Bipolartransistor ist ein leistungselektronisches Bauelement, was bis heute kaum über Labor- und Forschungsprojekte hinaus anwendungsnah zum Einsatz kam. Er verfügt über sehr geringe Durchlassverluste und eine hohe Leistungsdichte. Seine Verwendung und Anwendung ist in mancher Hinsicht anders und unüblich im Vergleich zu den etablierten leistungselektronischen Bauelementen wie IGBT und MOSFET. Der Siliciumkarbid Bipolartransistor, also der SiC-BJT, ist ein stromgesteuertes Bauteil, weswegen der Aufwand für die Treiber sehr hoch ist. Die praktische Arbeit im Rahmen des Forschungsprojektes „COSIVU“ mit den SiC-BJTs in Verbindung mit dem fertigen integrierten Invertersystem hat unter anderem gezeigt, dass es mehr eine Verschiebung der Anforderungen von der Leistungselektronik hin zu den Treibern für die Leistungselektronik ist. Unter Betrachtung der Verluste des gesamten Systems, einschließlich der Motor-, Treiber- und Steuerverluste, hat das fertige Prototyp-Invertersystem, welches durchaus noch Potential zur Optimierung besaß, eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht. Gegenüber dem auf IGBT basierenden Referenz-Invertersystem, hat das COSIVU Invertersystem eine Verbesserung des Wirkungsgrades um 40-60 % erreicht. Eine Erkenntnis aus dem Forschungsprojekt in Bezug auf Zuverlässigkeit und mögliche Fehler und Defekte ist, dass der Chip selbst zwar ziemlich robust ist, aber dass die Gehäuse-, Aufbau- und Verbindungstechnik angepasst und verbessert werden sollte. Thermische Impedanzspektroskopie ist eine Methode um Verschlechterungen im Kühlpfad eines leistungselektronischen Halbleiters zu erkennen, was ein Kriterium für die Alterung des Bauteils ist. Eine Methode zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur von SiC-BJTs während des normalen Durchlassbetriebes wird in dieser Arbeit vorgestellt. Die Platine für die thermische Impedanzspektroskopie wurde entwickelt, um die Messung in einem laborfernen Aufbau in einer echten Inverteranwendung durchzuführen. Zudem wurden die Platinenaufbauten auf sehr kleiner Fläche realisiert. Die Integration musste nämlich sehr kompakt gestaltet werden, da es sich um ein „in-wheel“ Motor-Inverter-System handelt, was zum größten Teil innerhalb eines Fahrzeugrades untergebracht ist.

Verdrängergesteuterte hydrostatische Antriebssysteme mit drehzahlvariablem Pumpenantrieb zeichnen sich durch ihre im Vergleich mit ventilgesteuerten Antrieben gute Energieeffizienz und die Möglichkeit der einfachen Stillsetzung aus, weisen jedoch durch die mangelnde Einspannung des Aktors geringere Eigenfrequenzen auf, was die Einstellung von Standardregelkreisen erschwert und meist eine geringere Dynamik und Positioniergenauigkeit zur Folge hat. Hydraulische Achsantriebe, die ohnehin über zahlreiche dominante Nichtlinearitäten verfügen und schwach gedämpft sind können in der Folge das ihnen innewohnende Potential nicht ausschöpfen. Mit einem Vergleich von Dynamik und Präzision verschiedener Antriebssysteme an Hauptantriebsachsen von Kunststoff-Spritzgießmaschinen mittlerer Baugröße wird zunächst das Leistungspotential analysiert. Auf dieser Basis werden Methoden zur Verbesserung der statischen und dynamischen Eigenschaften drehzahlvariabler verdrängergesteuerter Antriebe in Positions- und Druckregelung entwickelt, welche sich durch eine einfache Parametrierung und hohe Robustheit auszeichnen, da sie ohne einen geschlossenen Regelkreis funktionieren. Die dynamische inversionsbasierte Vorsteuerung ermöglicht dabei ein initial gutes Folgeverhalten, das durch die Anwendung einer iterativ lernenden Regelung in jedem Zyklus weiter verbessert wird. Um die Dynamik von Folgeregelungen mit weiteren Randbedingungen zu maximieren wird eine Methode entwickelt, mit der es möglich ist, eine Bewegungsvorgabe entlang der physikalischen Leistungsgrenzen des Antriebssystems zu berechnen und die wirkenden Begrenzungen aufzuzeigen. Die Erstellung von Bewegungsvorgaben sowie die Einstellung der lernenden Regelung sind dabei jeweils mit einem einzigen Parameter möglich. Die experimentelle Untersuchung und der Funktionsnachweis der entwickelten Methoden am Beispiel der Kunststoff-Spritzgießmaschine zeigt eine deutliche Steigerung der möglichen Dynamik verdrängergesteuerter Antriebssysteme, ein gutes Folgeverhalten sowie eine erhöhte Positioniergenauigkeit bei gleichzeitiger Unabhängigkeit von der Betriebstemperatur.:1. Einleitung und wissenschaftliche Problemstellung 7 2. Zielsetzung der Arbeit 11 3. Stand der Forschung und Technik 13 3.1 Architekturen hydraulischer Linearantriebe 13 3.2 Betriebsverhalten drehzahlvariabler verdrängergesteuerter Antriebe 16 3.3 Regelung hydraulischer Achsantriebe in Verdrängersteuerung 18 3.4 Vorsteuerungen und iterativ lernende Regelungen 21 4. Antriebstechnik in Kunststoff-Spritzgießmaschinen 25 5. Analyse der Leistungsfähigkeit von Antriebssystemen in SGM 27 5.1 Aufbau und Funktionsweise von Spritzgießmaschinen 28 5.2 Auswahl der Antriebssysteme 31 5.3 Analyse der Bewegungsdynamik 34 5.4 Analyse der Positioniergenauigkeit 37 5.5 Analyse der Druckregelung 39 5.6 Identifikation von Potentialen für die Leistungssteigerung 44 6. Trajektoriengenerierung entlang der Systemleistungsgrenzen 47 6.1 Kniehebel-Schließeinheit 48 6.2 Analyse statischer und dynamischer Restriktionen 50 6.3 Trajektorienentwurfsmethodik 59 7. Modellbasierte dynamische Vorsteuerung 67 7.1 Methodik 68 7.2 Mathematisch-physikalische Beschreibung 69 7.3 Inversionsbasiertes Steuergesetz 75 8. Modellbasierte lernende Vorsteuerung 77 8.1 Methodik 78 8.2 Entwurf modellbasierter normoptimaler iterativ lernender Regelungen 79 8.3 Stabilitätsnachweis 84 8.4 Generierung von Lernmodellen 86 9. Anwendung der Verfahren und Diskussion 91 9.1 Positionsregelung im geschlossenen hydrostatischen Kreis 93 9.2 Lastkraftregelung im offenen Kreis 108 9.3 Ablösende Regelung: Geschwindigkeit - Last 123 10. Zusammenfassung 127 11. Literatur 133 12. Anhang 145 / Displacement-controlled hydrostatic drive systems with variable-speed pump are characterized by their good energy efficiency and the possibility of simple shutdown compared with valve-controlled drives, but they have lower natural frequencies, which makes the application of standard closed-loop control more difficult and usually results in lower dynamics and positioning accuracy. As a result hydraulic drives, which already have numerous dominant nonlinearities and are weakly damped, cannot exploit their full potential. The work starts with a comparison and an analysis of the dynamics and precision of different drive systems on main drive axes of medium-size plastic injection molding machines. On this basis, methods are developed for improving the static and dynamic properties of variable-speed displacement-controlled drives in position and pressure control. These methods are characterized by simple parameterization and high robustness without relying on a closed-loop control. In this context, the dynamic inversion-based feedforward control allows for a good tracking performance, which is further improved by applying a cycle-wise iterative learning control. In order to fulfill the dynamics of follow-up control with position boundary conditions, a method is developed which allows for calculating a motion specification along the physical performance limits of the drive system and to show the existing limitations. The creation of motion presets as well as the setting-up of a learning controller may be done with one single parameter. Experimental investigation of the developed methods using the example of the plastic injection molding machine shows a significant increase in dynamics of displacement-controlled drive systems, good follow-up behavior, and increased positioning accuracy while remaining independent of the operating temperature.:1. Einleitung und wissenschaftliche Problemstellung 7 2. Zielsetzung der Arbeit 11 3. Stand der Forschung und Technik 13 3.1 Architekturen hydraulischer Linearantriebe 13 3.2 Betriebsverhalten drehzahlvariabler verdrängergesteuerter Antriebe 16 3.3 Regelung hydraulischer Achsantriebe in Verdrängersteuerung 18 3.4 Vorsteuerungen und iterativ lernende Regelungen 21 4. Antriebstechnik in Kunststoff-Spritzgießmaschinen 25 5. Analyse der Leistungsfähigkeit von Antriebssystemen in SGM 27 5.1 Aufbau und Funktionsweise von Spritzgießmaschinen 28 5.2 Auswahl der Antriebssysteme 31 5.3 Analyse der Bewegungsdynamik 34 5.4 Analyse der Positioniergenauigkeit 37 5.5 Analyse der Druckregelung 39 5.6 Identifikation von Potentialen für die Leistungssteigerung 44 6. Trajektoriengenerierung entlang der Systemleistungsgrenzen 47 6.1 Kniehebel-Schließeinheit 48 6.2 Analyse statischer und dynamischer Restriktionen 50 6.3 Trajektorienentwurfsmethodik 59 7. Modellbasierte dynamische Vorsteuerung 67 7.1 Methodik 68 7.2 Mathematisch-physikalische Beschreibung 69 7.3 Inversionsbasiertes Steuergesetz 75 8. Modellbasierte lernende Vorsteuerung 77 8.1 Methodik 78 8.2 Entwurf modellbasierter normoptimaler iterativ lernender Regelungen 79 8.3 Stabilitätsnachweis 84 8.4 Generierung von Lernmodellen 86 9. Anwendung der Verfahren und Diskussion 91 9.1 Positionsregelung im geschlossenen hydrostatischen Kreis 93 9.2 Lastkraftregelung im offenen Kreis 108 9.3 Ablösende Regelung: Geschwindigkeit - Last 123 10. Zusammenfassung 127 11. Literatur 133 12. Anhang 145