So geht einfache aktive Schwingungsdämpfung!

So geht einfache aktive Schwingungsdämpfung! Aufbau und Funktionsweise einer aktiven Schwingungsdämpfung am Beispiel eines Messedemonstrators

Hallo zusammen. In der Vergangenheit war der Demonstrator zum Thema aktive Schwingungsdämpfung schon öfters auf Messen (Make Rhein Main, HMI und Laser 2017) und in Posts gezeigt worden.

Nachdem der Demonstrator optisch und elektrisch nun endgültig fertiggestellt wurde, wollen wir uns den Aufbau der eigentlichen Elektronik etwas näher anschauen.

Zur aktiven Schwingungsdämpfung verwenden wir das Prinzip der Geschwindigkeitsrückführung. Dabei wird die Geschwindigkeit der zu dämpfenden Masse gemessen, verstärkt und auf den Aktor zum Dämpfen zurückgeführt. Über die Verstärkung des rückgeführten Signals lässt sich die Stärke der Dämpfung einstellen.

In unserem Demonstrator soll die obere Masse (Halterung des Teleskopes) gedämpft werden. Dazu ist dort ein günstiger Beschleunigungssensor (ADXL335 für 8,5 €[1]) angebracht. Die gemessene Beschleunigung wird durch einen Integrator in eine Geschwindigkeit überführt, mit einem Verstärker (Sure Electronics TPA250 für ca. 28 € [2]) verstärkt und auf den Aktor zum Dämpfen (Visaton EX 45 s  für ca. 29 € [3]) gegeben.  An dem Teleskop selbst ist noch ein kleiner Laserpointer angebracht. Im Blockschaltbild sind die notwendigen Komponeten gezeigt:Die Anregung der Teleskophalterung bzw. das Simulieren von Störungen erfolgt über einen Aktor, der sich im inneren des Demonstrators befindet:Für die Elektronik haben wir uns eine Platine fertigen lassen. Hierfür ist das Open Source Programm KICAD zu empfehlen. Fertigen lassen sich selbst erstellte Platinen bei diversen Auftraggebern im Internet. Natürlich kann die Elektronik auch auf einer Lochrasterplatine zusammengelötet werden. Die elektrischen Bauteile hierfür kosten nur ein paar Euro.

Die Elektronik sitzt zusammen mit dem Verstärker in einer Box.An der Box befindet sich ein Schalter zum Ein- und Ausschalten der aktiven Dämpfung und ein Schalter für das Ein und Ausschalten des Laserpointers.Die Anschlüsse der Elektronik befinden sich an der Seite. Dort ist die 5V Versorgung von der Elektronik (1), der Stecker für den Sensor und Laser (2), die 24 V Versorgung für den Verstärker (3) und die Anschlüsse für den Aktor (4 und 5) angebracht.

Die Platine besteht aus mehreren Funktionsblöcken, die in der folgenden Tabelle kurz aufgeführt sind.Das Potentiometer (12) wurde im Nachhinein noch angebracht und reguliert die Stärke des Ausgangssignals.

 

Nr.	Name	Funktion	Notwendigkeit
1	Spannungsversorgung	Versorgung der Platine mit 5 V	+
2	DCDC Wandler (TRA 1-0523)	Liefert +- 15 V für den Operationsverstärker	+
3	LED gelb	Leuchtet bei Spannungsversorgung	–
4	LED grün	Leuchtet bei aktivierter Dämpfung	–
5	Versorgung Laser	Versorgt einen Laser am Demonstrator	– –
6	Anschluss Sensor	Verbindet den Sensor und Laser. Prinzipiell werden nur 3 Kanäle benötigt (5 V Sensor, GND, Signal)	+
7	Hochpassfilter (fgrenz = 0,36 Hz)	Bereitet das Sensorsignal auf *	+
8	Transimpedanzwandler	Setzt den Eingangswiderstand gegen 0 **	+
9	Tiefpassfilter	Filtert hochfrequente Störungen***	0
10	Integrator	Integriert die Beschleunigung zu einer Geschwindigkeit****	++
11	Impedanzwandler	Setzt den Ausgangswiderstand hoch*****	+
12	Potentiometer	Zum Einstellen der Ausgangssignalstärke	0
13	Signalausgang	Anschluss an den Verstärker	+

++ sehr wichtig      + wichtig       0 nicht unbedingt Notwendig       – nicht notwendig

* Der Sensor liefert nur eine positive Spannung von 0-3,3 V. Bei einer Beschleunigung von +3 g liefert er 3,3 V, bei – 3 g 0V und bei 0 g 1,65V. Die Beschleunigung hat also ein Offset von + 1,65 V. Das Hochpassfilter mit niedriger Grenzfrequenz eliminiert diesen statischen Anteil von 1,65 V.

** Der Transimpedanzwandler setzt den Eingangswiderstand gegen 0. Dies wird für Sensoren mit Stromquellencharakteristik verwendet.

*** Das Tiefpassfilter filtert hochfrequente Störungen raus. Er ist nicht unbedingt notwendet.

**** Der Integrator ist das Herzstück der Schaltung. Er integriert die gemessene Beschleunigung in eine Geschwindigkeit für die Geschwindigkeitsrückführung.

***** Der Impedanzwandler setzt den Ausgangswiderstand hoch. Damit wird die Schaltung nicht von der nachfolgenden Elektronik beeinflusst.

 

Hier ist noch der Schaltplan gezeigt. Die einzelnen Systeme der vorherigen Tabelle sind ebenfalls markiert:Für die Schaltung haben wir folgende Bauteile verwendet.

 

R0	Platzhalter Schalter
R1	Widerstand des HP-Filters	2 Meg Ω
R2	Widerstand Transimpedanzwandler	20 k Ω
R3	Eingangswiderstand TP-Filter	100 k Ω
R4	Wiederstand TP-Filter	91 k Ω
R5	Eingangswiderstand Integrator	18 k Ω
R6	Widerstand Integrator	2 Meg Ω
R7	Eingangswiderstand Impedanzwandler	120 k Ω
R8	Widerstand Impedanzwandler	120 k Ω
R9	Vorwiederstand des Lasers	62 Ω
R10	Vorwiederstand LED grün	62 Ω
R11	Vorwiderstand LED gelb	62 Ω
C1	Kondensator TP-Filter	220 pF
C2	Kondensator HP-Filter	220 nF
C3	Kondensator Integrator	220 nF
DCDC-Wandler	TRACO POWER TRA 1-0523
Operationsverstärker	TL084	Enthält 4 Operationsverstärker

 

[1] https://www.reichelt.de/GRV-3AXIS-ACC1-5/3/index.html?ACTION=3&LA=2&ARTICLE=191205&GROUPID=6671&artnr=GRV+3AXIS+ACC1.5&SEARCH=%252A (28.06.17 14:42)

[2] https://www.hobbyhifiladen.de/sure-electronics-tpa250 (28.06.17 14:55)

[3] http://www.ebay.de/itm/Visaton-VS-EX45S-VISATON-ELECTRO-DYNAMICAL-EXCITER-/401352392978?epid=1404193276&hash=item5d72778112:g:grEAAOSwPh5ZGhH1 (28.06.17 14:57)

Bilder ohne Markierungen: