Aufbau eines aktiven Dämpfungssystems am Beispiel eines einfachen Systems

Hallo zusammen. Im letzen Post von mir wurde für den Demonstrator eine Schaltung entworfen. Nun wollen wir dieses Prinzip auch auf andere Anwendungen übertragen. Die Theorie hinter dieser aktiven Schwingungsisolation ist im Post von Lennart erklärt.

Wir schauen uns zunächst ein einfaches System an. Es besteht aus einer Masse, die aktiv gedämpft werden soll.Masse1

Die Masse dient als Platzhalter für alle möglichen Strukturen, wie eine Platte oder  eine Halterung  für vibrationsanfällige Systeme (z.B. Kameras). Damit eine aktive Dämpfung erreicht werden kann, wird ein Regelkreis benötigt. Dieser besteht aus einem Sensor, einem Integrator, einem Audioverstärker und einem Aktor:

blockschaltbildWir verwenden wieder die gleichen Komponenten wie beim Demonstrator, bis auf den Aktor:

Sensor ADLX335
Integrator Die selbst erstellte Platine mit einem Integrator
Audioverstärker für den Aktor Sure Electronics TPA250
Aktor Blanko Bass Shaker (weitere Aktoren sind hier zu finden)

Die Masse ist auf den Aktor gelagert:AktorMasseDer Aktor wird mit dem Audioverstärker verbunden:VerstärkerDer Sensor wird auf die Masse (zu dämpfende Struktur) befestigt:SensorMasseUnd der Sensor und der Audioverstärker mit der Elektronik verbunden:Aufbau1Dies ist der grundsätzliche Aufbau. Um das System zu testen, benötigen wir äußere Störungen, bzw. Vibrationen, die auf die Masse wirken. Dazu bietet sich das Lego-Breadboard, mit dem sich Rocco beschäftigt hatte, an. Die Platte ist auf vier Aktoren schwingfähig gelagert. Angeschlossen an zwei Audioverstärker (Lepy LP 2020A) lässt sich das Breadboard in Schwingung versetzen. Der Messaufbau sieht wie folgt aus:Aufbau2

Nr. Beschreibung
1 Lego Breadboard
2 Aktoren, auf die das Breadboard gelagert ist
3 Audioverstärker für die vier Aktoren
4 Masse, Sensor und Aktor
5 Regelelektronik
6 Verstärker des Aktors Nr. 4
7 FFT Analyser zum Messen

Um den Aufbau zu testen, wird die Platte angestoßen und das Sensorsignal über die Zeit aufgezeichnet. Das Ganze wird einmal mit eingeschaltetem und mit ausgeschaltetem aktiven Dämpfungssystem durchgeführt.

Dazu sind in den folgenden vier Abbildungen im oberen Graphen (grün) das zeitliche Sensorsignal und im unteren Graphen (gelb) das Frequenzspektrum des Sensorsignals gezeigt.

Fall 1: kontinuierliche Anregepulse ohne Dämpfung:Fall1Falls 2: kontinuierliche Anregepulse mit Dämpfung:Fall2Fall 3: einzelner Puls ohne Dämpfung:Fall3Falls 4: einzelner Puls mit Dämpfung:Fall4Fazit der Ersten Messung: Mit eingeschaltetem Dämpfungssystem klingt die Schwingung wesentlich schneller ab als ohne. Auch die Amplituden im Frequenzspektrum sind mit eingeschaltetem Dämpfungssystem viel kleiner. Aus den Frequenzspektren sind zwei Resonanzfrequenzen ersichtlich (13 Hz und 26 Hz).

Als nächstes wird das Lego Breadboard mit den vier Aktoren in Schwingung versetzt und das System mit eingeschaltetem und ausgeschaltetem Dämpfungssystem vermessen. Als Anregefrequenz werden 13 Hz verwendet. Bei dieser Resonanzfrequenz schwingen das Breadboard und die Masse auf dem Aktor sichtlich. Da sich das System aufschaukelt, bis es durch die starken Schwingungen wieder gedämpft wird (zu sehen im zeitlichen Verlauf des Sensorsignals im grünen Graphen), werden für das Frequenzspektrum jeweils 50 Messungen über die Zeit getätigt (gelber Graph). Die Verläufe des Sensorsignals sind wieder in den beiden folgenden Abbildungen dargestellt:

Fall 1: ohne Dämpfungssystem:Fall2.1Fall 2: mit eingeschaltetem DämpfungssystemFall2.2Insgesamt werden drei Messungen durchgeführt. Die Spitzen der Amplituden im Frequenzspektrum sind in den folgenden zwei Tabellen mit Mittelwerten gezeigt:

Amplituden des Signalspektrums (gelber Graph) bei 13 und 26 Hz mit eingeschaltetem Dämpfungssystem

Messung Amplitude bei 13 Hz in [mV] Amplitude bei 26 Hz in [mV]
1 3,09 4,73
2 3,02 4,65
3 3,06 4,78
Mittelwert 3,06 4,72

 

Amplituden des Signalspektrums bei 13 und 26 Hz ohne eingeschaltetes Dämpfungssystem

Messung Amplitude bei 13 Hz in [mV] Amplitude bei 26 Hz in [mV]
1 6,67 14,38
2 6,61 14,28
3 6,57 14,51
Mittelwert 6,62 14,39

 

Bei der ersten Resonanzfrequenz (13 Hz) wird die Amplitude um 53,8 % gedämpft. Bei der zweiten Resonanzfrequenz (26 Hz), bei der die Masse auf den Aktor stark schwingt, beträgt die Dämpfung 67,2 %.

Das hier gezeigte System lässt sich nicht nur einzeln verwenden.  Es können auch mehrere dieser Systeme verwendet werden um beispielsweise das hier gezeigte Lego Breadboard zu dämpfen. Dazu wird der Regelkreis vier mal aufgebaut und mit den Aktoren an den Ecken des Breadborads verbunden. Der Aufbau ist im nächsten Eintrag zu sehen.

 


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