A nonlinear mathematical model for the dynamics of permanent magnet synchronous machines with interior magnets is discussed. The model of the current dynamics captures saturation and dependency on ...the rotor angle. Based on the model, a flatness-based field-oriented closed-loop controller and a feed-forward compensation of torque ripples are derived. Effectiveness and robustness of the proposed algorithms are demonstrated by simulation results.
Highly efficient single-photon sources (SPS) can increase the secure key rate of quantum key distribution (QKD) systems compared to conventional attenuated laser systems. Here we report on a free ...space QKD test using an electrically driven quantum dot single-photon source (QD SPS) that does not require a separate laser setup for optical pumping and thus allows for a simple and compact SPS QKD system. We describe its implementation in our 500 m free space QKD system in downtown Munich. Emulating a BB84 protocol operating at a repetition rate of 125 MHz, we could achieve sifted key rates of 5-17 kHz with error ratios of 6-9% and -values of 0.39-0.76.
A constructive nonlinear observer design for self-sensing of digital (ON/OFF) single coil electromagnetic actuators is studied. Self-sensing in this context means that solely the available energizing ...signals, i.e., coil current and driving voltage are used to estimate the position and velocity trajectories of the moving plunger. A nonlinear sliding mode observer is considered, where the stability of the reduced error dynamics is analyzed by the equivalent control method. No simplifications are made regarding magnetic saturation and eddy currents in the underlying dynamical model. The observer gains are constructed by taking into account some generic properties of the systems nonlinearities. Two possible choices of the observer gains are discussed. Furthermore, an observer-based tracking control scheme to achieve sensorless soft landing is considered and its closed-loop stability is studied. Experimental results for observer-based soft landing of a fast-switching solenoid valve under dry conditions are presented to demonstrate the usefulness of the approach.
A feedback-systems-based approach for real-time copper-loss minimization of nonlinear anisotropic permanent magnet synchronous motors (PMSMs) considering saturation and cross coupling is proposed. ...The procedure is based on a feedback systems formulation of the underlying optimization problem for maximum torque per current (MTPC) control. A nonlinear dynamical system is derived that describes the scalar product of the tangent of the torque curve and the gradient of the current circle. By a suitable feedback design, a closed expression of the control input of the nonlinear current dynamics in the direct-quadrature (<inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">dq </tex-math></inline-formula>)-axis is obtained. As a result, the solution of the differential equations of the nonlinear current dynamics yields the desired optimal setpoint <inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">d/q </tex-math></inline-formula> currents. The stability of the designed feedback system for MTPC control is thoroughly examined by Lyapunov's direct method. Comparative studies for measured data as well as an analysis of computational runtimes confirm the effectiveness of the proposed method.
In this article, a high-frequency (HF) six-port delta- and star-connected three-phase induction motor model is proposed. The model consists of multistage RLC circuits, which include the mutual ...inductances between the phases. The three-phase HF motor model is derived from common-mode (CM) and differential-mode (DM) equivalent circuits, which are extracted from CM and DM measurements on the motor. A methodology is developed to consider the nonlinear DM inductance effect in the low-frequency (LF) range. The per-phase circuit is symmetric concerning the begin and end points. This symmetry allows us to connect a star configuration into a delta configuration by simply changing the phase connections of the proposed three-phase circuit without recalculating the parameters and vice versa. The three-phase motor model is eventually combined with external circuitry and simulated by a standard circuit solver. The proposed model allows impedance predictions with good accuracy up to 100 MHz. The method is verified with two induction machines, which have 3- and 11-kW rated powers. The proposed HF six-port three-phase motor model can be used for decoupled CM and DM noise predictions as well as for six-port mixed-mode noise prediction.
In-depth evaluations of an electric drive's behavior typically result from co-simulation, combining models of motor, power electronics and control software. This approach can be used to evaluate ...pulse patterns for a given operating point, e.g., for electric vehicle applications, preventing real-world experiments. Here, the co-simulation model is fed with offline calculated optimized pulse patterns (OPPs) that are used to increase, among others, the drive's efficiency. Due to the large motor time constant compared to the fundamental wave period, reaching steady state using a simple open-loop control requires unnecessary long simulation times. Hence, a model predictive closed-loop control implementation of the OPPs is proposed which reduced the overall computational effort significantly. However, it turns out that the OPP evaluation using a finite-element-method-based co-simulation for a permanent magnet synchronous motor remains largely uncertain in terms of the predicted power losses which led to the development of a semi-analytical model to further reduce the required computational time. As none of the approaches was able to deliver a suitable trade-off between model accuracy and calculation time, this investigation highlights the remaining challenges of evaluating OPPs based on drive co-simulations motivating further research towards the surrogate-assisted or direct experimental OPP optimization in the future.
Es wird eine Methode zur sensorlosen Positionsbestimmung bei elektromagnetisch betätigten Aktoren vorgestellt. Dabei
werden basierend auf einer Signalinjektion die positionsabhängigen Parameter bei ...der injizierten Frequenz bestimmt und
daraus über ein geeignetes Modell die Position des Magnetankers ermittelt. Die Eignung des Verfahrens zur sensorlosen
Positionsregelung wird an einem bidirektionalen Proportionalventil anhand praktischer Versuche demonstriert.
Viele Forschergruppen konzentrieren sich derzeit auf die Entwicklung von neuartigen Technologien, welche den Weg für die kommerzielle Nutzung einer Quantenkommunikation bereiten sollen. Erste Erfolge ...konnten dabei insbesondere auf dem Gebiet der Quantenschlüsselverteilung erzielt werden. In diesem Bereich nutzt man die Eigenschaft einzelner, ununterscheidbarer Photonen nicht kopiert werden zu können, um eine abhörsichere Übertragung sensibler Daten zu realisieren. Als Lichtquellen dafür eignen sich Halbleiter-Quantenpunkte. Diese Quantenpunkte lassen sich außerdem leicht in komplexe Halbleiter-Mikrostrukturen integrieren und sind somit besonders interessant für die Entwicklung solch fortschrittlicher Technologien, welche für eine abhörischere Kommunikation notwendig sind. Basierend auf diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit Halbleiter-Quantenpunkte spektroskopisch hinsichtlich ihres Potentials als Quanten-Lichtquelle für die Quantenkommunikation untersucht. Dabei wurden die Quantenpunkte aus InAs/GaAs und InP/GaInP unter anderem in einem speziellen Verfahren deterministisch positioniert und letztendlich in eine photonische Mikrostruktur integriert, welche aus einer Goldscheibe und einem dielektrischen Spiegel besteht. Als Grundcharakterisierungsmittel kam hauptsächlich die Mikrophotolumineszenzspektroskopie zur Bestimmung der Emissionseigenschaften zum Einsatz. Weiterführend wurden Photonen-Korrelationsmessungen zweiter Ordnung durchgeführt, um den Nachweis einer Quanten-Lichtquelle zu erbringen.
Einfluss eines RTA-Prozesses auf die Emissionseigenschaften von InAs/GaAs-Quantenpunkten
Zur Untersuchung des Einflusses eines Rapid-Thermal-Annealing-Prozesses auf die elektronischen Eigenschaften und die Oszillatorstärke selbstorganisierter InAs/GaAs-Quantenpunkte wurden Mikrophotolumineszenzmessungen an verschiedenen Proben im externen Magnetfeld von bis zu 5 T durchgeführt. Die Quantenpunkte wurden dabei in einem besonderen Verfahren gewachsen, bei dem die nominelle Quantenpunkthöhe durch eine bestimmte Bedeckungsschichtdicke vorgegeben wurde. Insgesamt wurden drei Proben mit Schichtdicken von 2 nm, 3 nm und 4 nm hergestellt, die jeweils nachträglich bei Temperaturen von 750° C bis 850° C für fünf Minuten ausgeheilt wurden. Anhand polarisationsaufgelöster Spektroskopie konnten aus den aufgenommenen Quantenpunktspektren die Zeemanaufspaltung und die diamagnetische Verschiebung extrahiert und damit der effektive Landé g-Faktor sowie der diamagnetische Koeffizient bestimmt werden. Die Auswertung der Zeemanaufspaltung zeigte, dass sowohl höhere Ausheiltemperaturen als auch dickere Bedeckungsschichten zu einer drastischen Abnahme der absoluten g-Faktoren sorgen. Dies lässt darauf schließen, dass eine dickere Bedeckungsschicht zu einer stärkeren Interdiffusion der Atome und einer steigenden Ausdehnung der Quantenpunkte für ex-situ Ausheilprozesse führt. Im Gegensatz dazu steigen die diamagnetischen Koeffizienten der Quantenpunkte mit zunehmender Ausheiltemperatur, was auf eine Ausdehnung der Exzitonwellenfunktion hindeutet. Außerdem wurden mittels zeitaufgelöster Mikrophotolumineszenzspektroskopie die Lebensdauern am Quantenpunktensemble bestimmt und eine Abnahme dieser mit steigender Temperatur festgestellt. Sowohl über die Untersuchungen des diamagnetischen Koeffizienten als auch über die Analyse der Lebensdauer konnte schließlich die Oszillatorstärke der Quantenpunkte ermittelt werden. Beide Messverfahren lieferten innerhalb der Fehlergrenzen ähnliche Ergebnisse. Die höchste Oszillatorstärke \(f_{\chi}=34,7\pm 5,2\) konnte für eine Schichtdicke von d = 3 nm und einer Ausheiltemperatur von 850° C über den diamagnetischen Koeffizienten berechnet werden. Im Falle der Bestimmung über die Lebensdauer ergab sich ein maximaler Wert von \(f_{\tau}=25,7\pm 5,7\). Dies entspricht einer deutlichen Steigerung der Oszillatorstärke im Vergleich zu den Referenzproben um einem Faktor größer als zwei. Des Weiteren konnte eine Ausdehnung der Schwerpunktswellenfunktion der Exzitonen um etwa 70% festgestellt werden. Insgesamt betrachtet, lässt sich durch ex-situ Rapid-Thermal-Annealing-Prozesse die Oszillatorstärke nachträglich deutlich erhöhen, wodurch InAs/GaAs-Quantenpunkte noch interessanter für Untersuchungen im Regime der starken Kopplung werden.
Temperatur- und Leistungsabhängigkeit der Emissionseigenschaften positionierter InAs/GaAs Quantenpunkte
Um einen Einblick in den Ablauf des Zerfallsprozesses eines Exzitons in positionierten Quantenpunkten zu bekommen, wurden temperatur- und leistungsabhängige Messungen durchgeführt. Diese Quantenpunkte wurden in einem speziellen Verfahren deterministisch an vorher definierten Stellen gewachsen. Anhand der Temperaturserien konnten dann Rückschlüsse auf die auftretenden Verlustkanäle in einem Quantenpunkt und dessen Emissionseigenschaften gezogen werden. Dabei wurden zwei dominante Prozesse als Ursache für den Intensitätsabfall bei höheren Temperaturen identifiziert. Die Anhebung der Elektronen im Grundzustand in die umgebende Barriere oder in delokalisierte Zustände in der Benetzungsschicht sorgt für die anfängliche Abnahme der Intensität bei niedrigeren Temperaturen. Der starke Abfall bei höheren Temperaturen ist dagegen dem Aufbruch der exzitonischen Bindung und der thermischen Aktivierung der Ladungsträger in das umgebende Substratmaterial geschuldet. Hierbei lassen sich exemplarisch für zwei verschiedene Quantenpunkte die Aktivierungsenergien \(E_{2A}=(102,2\pm 0,4)\) meV und \(E_{2B}=(163,2\pm 1,3)\) meV bestimmen, welche in etwa den Lokalisierungsenergien der Exzitonen in dem jeweiligen Quantenpunkt von 100 meV bzw. 144 meV entsprechen. Weiterhin deckte die Auswertung des Intensitätsprofils der Exzitonemission die Streuung der Exzitonen an akustischen und optischen Phononen als Hauptursache für die Zunahme der Linienbreite auf. Für hohe Temperaturen dominierte die Wechselwirkung mit longitudinalen optischen Phononen den Verlauf und es konnten für das InAs/GaAs Materialsystem typische Phononenenergien von \(E_{LOA}=(30,9\pm 4,8)\) meV und \(E_{LOB}=(32,2\pm 0,8)\) meV bestimmt werden. In abschließenden Messungen der Leistungsabhängigkeit der Linienbreite wurde festgestellt, dass spektrale Diffusion die inhärente Grenze für die Linienbreite bei niedrigen Temperaturen setzt.
Optische Spektroskopie an positionierten InP/GaInP-Quantenpunkten
Weiterhin wurden positionierte InP/GaInP-Quantenpunkte hinsichtlich der Nutzung als Quanten-Lichtquelle optisch spektroskopiert. Zunächst wurden die Emissionseigenschaften der Quantenpunkte in grundlegenden Experimenten analysiert. Leistungs- und polarisationsabhängige Messungen ließen dabei die Vermutung sowohl auf exzitonische als auch biexzitonische Zerfallsprozesse zu. Weiterhin brachten die Untersuchungen der Polarisation einen ungewöhnlich hohen Polarisationsgrad der Quantenpunktemission hervor. Aufgrund von lokalen Ordnungsphänomenen in der umgebenden GaInP-Matrix wurden im Mittel über 66 Quantenpunkte der Grad der Polarisation von Exziton und Biexziton zu \(p_{Mittel}=(93^{+7}_{-9})\)% bestimmt. Des Weiteren wiesen die Quantenpunkte eine sehr hohe Feinstrukturaufspaltung von \(\Delta_{FSS}^{Mittel}=(300\pm 130)\) µeV auf, welche sich nur durch eine stark anisotrope Quantenpunktform erklären lässt. Durch Auto- und Kreuzkorrelationsmessungen zweiter Ordnung wurden dann sowohl der nicht-klassische Einzelphotonencharakter von Exziton und Biexziton als auch erstmalig für diese Strukturen der kaskadierte Zerfall der Biexziton-Exziton-Kaskade demonstriert. Hierbei wurden \(g^{(2)}(0)\)-Werte von bis 0,08 erreicht. Diese Ergebnisse zeigen das Potential von positionierten InP/GaInP-Quantenpunkten als Grundbausteine für Quanten-Lichtquellen, insbesondere in Bezug auf den Einsatz in der Quantenkommunikation.
Realisierung einer Einzelphotonenquelle auf Basis einer Tamm-Plasmonen-Struktur
Nachdem die vorangegangen Untersuchungen die Eignung der positionierten InP/GaInP-Quantenpunkte als Emitter einzelner Photonen demonstrierten, befasst sich dieser Teil nun mit der Integration dieser Quantenpunkte in eine Tamm-Plasmonen-Struktur zur Realisierung einer effizienten Einzelphotonenquelle. Diese Strukturen bestehen aus einem dielektrischen Spiegel aus 30,5 AlGaAs/AlAs-Schichtpaaren und einer einigen Zehn Nanometer dicken Goldschicht, zwischen denen die Quantenpunkte eingebettet sind. Anhand von Messungen an einer planaren Tamm-Plasmonen-Struktur wurde das Bauteil charakterisiert und neben der Exziton- und Biexzitonemission der Zerfall eines Trions beobachtet, was durch Polarisations- und Korrelationsmessungen nachgewiesen wurde. Um eine Verstärkung der Einzelphotonenemission durch die Kopplung der Teilchen an eine lokalisierte Tamm-Plasmonen-Mode demonstrieren zu können, wurde ein Bereich der Probe mit mehreren Goldscheiben von Durchmessern von 3-6 µm abgerastert und die Lichtintensität aufgenommen. Unterhalb der untersuchten Goldscheiben konnte eine signifikante Erhöhung des Lumineszenzsignals festgestellt werden. Eine quantitative Analyse eines einzelnen Quantenpunktes mittels einer Temperaturserie lieferte dabei eine maximale Emissionsrate von \(\eta_{EPQ}^{Max}=(6,95\pm 0,76)\) MHz und damit eine Effizienz von \((6,95\pm 0,76)\)% solch einer Einzelphotonenquelle unter gepulster Anregung bei 82 MHz. Dies entspricht einer deutlichen Verbesserung der Effizienz im Vergleich zu Quantenpunkten im Volumenmaterial und sogar zu denen in einer planaren DBR-Resonatorstruktur. Positionierte InP/GaInP-Quantenpunkte in einer Tamm-Plasmonen-Struktur bilden somit eine vielversprechende Basis für die Realisierung hocheffizienter Einzelphotonenquellen.
At the moment, many scientific groups focus on the development of new technologies which are supposed to lead the way to the commercial use of quantum communication. Particularly in the field of quantum key distribution first success has been achieved. These experiments make use of the fact that it is not possi
We report on light sources based on electrically pumped quantum dot (QD) micropillar cavities. The low-mode-volume high-quality microstructures feature pronounced cavity quantum electrodynamics ...(cQED) effects that are exploited for the realization of efficient single-photon sources and low-threshold microlasers. The compact and electrically driven devices are of special interest for applications in the field of quantum communication. In particular, operated as electrically triggered single-photon sources, the QD micropillars can act as building blocks for quantum key distribution and quantum repeaters. On the other hand, the electrically pumped microlasers with in-plane emission via whispering gallery modes or emission normal to the sample's surface are predestinated for integrated light sources in future photonic networks. The devices are based on doped high-quality factor GaAs/AlAs microcavity structures with InGaAs QDs in the active layer. A lateral injection scheme leaves the upper facet of the micropillars free of any absorbing metal and allows for efficient light output under electrical pumping of low-mode-volume micropillars with diameters between 1 and 20 μm. Due to cQED effects, triggered single-photon emission with high photon extraction efficiency up to 62% and a low multiphoton emission probability (g (2) (0) = 0.16) are realized for moderate-quality (Q ) factor samples. The efficient coupling of spontaneous emission into the lasing mode in high- Q micropillars results in ultralow laser threshold currents of less than 10 μA at cryogenic temperatures. Our paper demonstrates the high potential of electrically driven QD micropillars to act as integrated light sources in future communication systems.
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